CN107124181B - 一种宽锁定范围的注入锁定分频器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明属于射频无线接收机集成电路技术领域，具体为一种宽锁定范围的注入锁定分频器电路。该注入锁定分频器包括：片上电感电容谐振腔，负阻电路，信号注入电路（包括直接注入路径与尾电流注入路径），用于调节分频器自谐振频率的可调电感电路，两个用于隔离直接注入管与电感电容谐振腔电路、可调电感电路的隔离电感。本发明一方面，通过双注入的方式有效利用了前级VCO的差分输出信号，提高了注入能量和注入效率；另一方面，引入感值可调的等效电感电路调节注入锁定分频器的自谐振频率，避免了高频下Q值较低的可变电容的使用，进一步拓宽了注入锁定分频器的分频范围。相比已有的技术，本发明能够在保证功耗相当的情况下显著提高分频器的分频范围。
Description
技术领域
本发明属于射频无线接收机集成电路技术领域，具体涉及一种应用于无线接收机频率综合器中的注入锁定分频器，可用于无线广播、通信和全球定位等技术标准的射频信号接收机芯片。
背景技术
近年来，无线通信***等相关领域迅速发展，更高的传输速率和更大的信号带宽是其未来发展的一个重要方向，射频收发机作为其中的主要部分，其性能的优劣直接决定着无线通信***的应用前景。作为射频收发机的重要模块，频率综合器的性能决定着整个收发机是否能够正常工作，因此用于提供高精度和高稳定度的参考频率的频率综合器是整个设计的难点。分频器是频率综合器电路的重要组成部分，随着高频宽带频率综合器的不断发展，对分频器的设计也提出了更高的要求，实现高速、宽分频范围和低功耗的分频器是必然需求。
现今模拟分频器结构主要包括注入锁定分频器（Injection-Locked FrequencyDivider）、再生型分频器（Regenerative Divider）、电流型逻辑分频器（Current ModeLogic Divider）等。其中电流型逻辑分频器带宽大但工作频率不高，再生式分频器工作频率较高但功耗大，而注入式分频器同时拥有低功耗与工作频率高的特性，这使得注入锁定分频器在超高频***中得到广泛应用，但其分频范围小的缺点一直是限制其使用范围的主要因素，因此宽锁定范围的注入锁定分频器的设计是当前研究热点和难点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有宽锁定范围且自谐振频率可调的注入锁定分频器。
本发明提出的注入锁定分频器，采用双注入的方法，并使用隔离电感减小直接注入管源漏极所接电容的方法，提高注入能量与注入效率，同时采用可调电感电路实现自谐振频率的调节，进一步拓宽了注入锁定分频器的分频范围。
本发明提出的注入锁定分频器，其电路结构如图1所示，其主要包括：
（1）一个高品质因数的片上电感电容谐振腔；
（2）一个由2个NMOS 管交叉耦合连接而成的负阻电路；
（3）一个信号注入电路，包括直接注入路径与尾电流注入路径；
（4）一个用于调节分频器自谐振频率的可调电感电路；
（5）两个用于隔离直接注入管与电感电容谐振腔电路、可调电感电路的隔离电感。
本发明中，所述电感电容谐振腔与可调电感电路并联。
进一步地：
所述电感电容谐振腔，由带中间抽头的差分电感L1以及连在电感两端中的寄生电容C3、C4构成；
所述正反馈连接的负阻电路，由2个NMOS管M1和M2交叉耦合构成；
所述信号注入电路，采用双注入的方式，包括尾电流注入管M3和直接注入管M4，M3和M4输入信号均采用交流耦合的方式，直流偏置均由大电阻进行隔离；交叉耦合的负阻晶体管并联在直接注入管两端，为分频器提供振荡所需要的能量。
所述可调电感电路，由带有源极负反馈电感L4的交叉耦合管M5和M6构成，其可以等效为并联的负电感与负阻；负反馈电感L4连接尾电流管M7；通过调节尾电流管M7的栅电压实现等效电感值的可调。
所述隔离电感为L2和L3，将直接注入管M4与电感电容谐振腔电路、可调电感电路隔离开。
本发明中，电感电容谐振腔及其并联的可调电感电路决定了注入锁定分频器的自谐振频率，通过改变并联的负电感值可实现自谐振频率的可调，从而拓宽分频范围；信号注入电路分别通过尾电流注入管和直接注入管注入差分输入信号，有效提高了注入能量；隔离电感降低了直接注入管源漏极所接的电容，显著提高了直接注入管的注入效率；交叉耦合的负阻晶体管并联在直接注入管两端，为分频器提供振荡所需要的能量。
本发明的技术特点及有益效果：
（1）双注入的方式有效利用了前级VCO的差分输出信号，提高了注入的能量；
（2）隔离电感降低了直接注入管源漏极所接的电容，提高了直接注入管的注入效率；
（3）可调电感电路使得注入分频器自谐振频率可调，同时避免了高频下可变电容Q值低的缺点，有利于实现宽锁定范围低功耗的注入锁定分频器；
（4）相比于传统的直接注入型注入锁定分频器结构，在保证最大功耗与传统结构相当的情况下，将分频范围提高75%。
附图说明
图1本发明的宽分频范围注入锁定分频器的结构示意图。
图2引入的可调电感电路结构示意图。
图3分频器输入敏感函数曲线。
图4输入信号频率为28GHz，峰峰值为200mV时，分频器的输出波形。
具体实施方式
如图1所示为本发明的宽锁定范围的注入锁定分频器。
带中间抽头的差分电感L1以及连在电感两端中的寄生电容C3、C4构成LC谐振腔，NMOS管M1和M2交叉耦合构成负阻提供振荡所需要的能量；差分注入信号分别从M3管和M4管注入，其中M3管的漏极接交叉耦合管M1和M2的源极（节点Vc），M3管既提供尾电流也将注入信号IN+注入到节点Vc；M4管为直接注入管，其源极接M1管的漏极（节点Vx+），其漏极接M2管的漏极（节点Vx-），注入信号IN-通过M4管直接注入到谐振腔中，双注入的方式充分利用前级的差分信号，提高了注入的能量。
电感L2两端分别连接输出节点OUT+与节点Vx+，类似的，电感L3两端分别连接输出节点OUT-与节点Vx-。电感L2和L3将直接注入管M4与谐振腔电容和可调电感电路隔离开，由于直接注入效率与M4管源极（节点Vx+）和漏极（节点Vx-）寄生电容大小有关，寄生电容越小，直接注入的效率越高，加入隔离电感L2和L3使得节点Vx+和Vx-的电容显著降低，可以提高注入效率从而有效拓宽分频范围。
随着频率的增高，可变电容的Q值逐渐成为限制谐振腔Q值大小的主要因素，而Q值的降低将会引起功耗的增大。因此为保证低功耗的同时进一步增加注入锁定分频器的分频范围，引入了可调电感电路实现自谐振频率的可调。如图2所示为可调电感电路的结构图，一对交叉耦合NMOS管M5和M6提供负阻，M5和M6的源极接带中间抽头的差分电感L4，M5和M6的漏极分别接节点OUT+与节点OUT-，电感L4的中间抽头接尾电流管M7的漏极，M7的栅极接控制电压Vctrl。可调电感电路的输入阻抗Zin,parallal可以写成负电阻RNI与负电感LNI并联的形式，RNI与LNI的表达式如下：
由（1）式可知，采用的可调电感电路引入的等效负电感LNI随着M5（M6）管的跨导gm5,6变化而变化，而等效负电感LNI与LC谐振腔电感L1相并联，改变LNI就可以改变分频器的自谐振频率。通过改变尾电流管M7的栅极接控制电压Vctrl改变尾电流的大小，进而改变跨导gm5,6与等效负电感LNI，最终实现了注入锁定分频器自谐振频率的可调。同时由（1）式可知，引入的并联负阻RNI可以进一步维持分频器的自激振荡，降低了对M1和M2管跨导的要求。
以上实施例中的注入锁定分频器的分频灵敏度曲线仿真结果如图3给出。从图3结果来看，相比于传统的结构，本发明在保证最大功耗与传统结构相当的情况下，将分频器的分频范围提高75%。输入信号频率为28GHz，单端峰峰值为200mV时，分频器输出信号如图4所示。以上实施例验证了本发明的正确性和实效性。
Claims (1)
1.一种宽锁定范围的注入锁定分频器电路，其特征在于，包括：
（1）一个高品质因数的片上电感电容谐振腔；
（2）一个由2个NMOS 管交叉耦合连接而成的负阻电路；
（3）一个信号注入电路，包括直接注入路径与尾电流注入路径；
（4）一个用于调节分频器自谐振频率的可调电感电路；
（5）两个用于隔离直接注入管与电感电容谐振腔电路、可调电感电路的隔离电感；
其中，所述电感电容谐振腔，由带中间抽头的差分电感L1以及连在电感两端中的寄生电容C3、寄生电容C4构成；
所述负阻电路，由NMOS管M1和NMOS管M2交叉耦合构成；
所述信号注入电路，采用双注入的方式，包括尾电流注入管M3和直接注入管M4，电流注入管M3和直接注入管M4输入信号均采用交流耦合的方式，直流偏置均由大电阻进行隔离；交叉耦合的NMOS管M1和NMOS管M2并联在直接注入管两端，为分频器提供振荡所需要的能量；
所述可调电感电路，由带有源极负反馈电感L4的交叉耦合管M5和交叉耦合管M6构成，其可以等效为并联的负电感与负阻；源极负反馈电感L4的两端分别连接交叉耦合管M5和交叉耦合管M6的源极，源极负反馈电感L4的中间抽头连接尾电流管M7的漏极；通过调节尾电流管M7的栅电压实现等效电感值的可调；
所述隔离电感为隔离电感L2和隔离电感L3，其中隔离电感L2的一端连接直接注入管M4的源极Vx+，隔离电感L2的另一端连接输出OUT+，隔离电感L3的一端连接直接注入管M4的漏极Vx-，隔离电感L3的另一端连接输出OUT-，隔离电感L2和隔离电感L3将直接注入管M4与电感电容谐振腔电路、可调电感电路隔离开；
电感电容谐振腔及其并联的可调电感电路决定了注入锁定分频器的自谐振频率，通过改变可调电感电路等效的电感值可实现自谐振频率的可调。
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