專利名稱：注入鎖定式除頻器、相位鎖定回路以及集成電路的制作方法
技術領域：
本發明一般是有關于一種電子電路，特別是有關于一種注入鎖定式除頻器。
背景技術：
毫米波(Millimeter Wave)在典型上是指頻帶在30至300吉赫茲(GHz)之間的波。在此頻率范圍內，電磁信號的波長很小。因為被動組件裝置的尺寸通常是與波長成比例，操作于毫米波頻率下的被動組件尺寸會被縮小，以使電路集成antegration)更有效率。目前，毫米波的應用包含60GHz的無線個人局域網絡、77GHz的車用防撞雷達以及99GHz 的影像感測。毫米波除頻器典型上是包含于高頻相位鎖定回路中。由于注入鎖定式除頻器具有高速操作能力和低功耗特性，注入鎖定式除頻器非常適合毫米波的操作。然而，毫米波注入鎖定式除頻器的分除率(Division Ratio)(通常為2)和鎖定范圍是受限于本性。因此，在此領域中，需要一種可改善已知注入鎖定式除頻器設計的注入鎖定式除頻器設計。
發明內容
本發明的一方面是在提供一種注入鎖定式除頻器以及應用此注入鎖定式除頻器的相位鎖定回路和集成電路。此注入鎖定式除頻器可增加頻率鎖定范圍。根據本發明的一實施例，此注入鎖定式除頻器包含差動直接注入對和震蕩器。差動直接注入對是設置來接收和混合多個差動注入信號。震蕩器是電性連接至差動直接注入對并基于被混合的差動注入信號來產生操作頻率。根據本發明的另一實施例，此相位鎖定回路包含相位頻率偵測器、信號產生器、注入鎖定式除頻器以及除頻器。相位頻率偵測器具有輸入端部和輸出端部。相位頻率偵測器的輸入端部是設置來接收參考輸入信號和回授信號，并偵測參考輸入信號和回授信號間的相位差，相位頻率偵測器是設置來基于相位差而產生誤差信號，誤差信號是產生于相位頻率偵測器的輸出端部。信號產生器具有輸入端部和輸出端部。信號產生器的輸出入端部是設置來從相位頻率偵測器接收誤差信號，信號產生器是設置來基于誤差信號而產生輸出頻率，輸出頻率是產生于信號產生器的輸出端部。注入鎖定式除頻器是電性連接至信號產生器的輸出端部并包含差動直接注入對和震蕩器。差動直接注入對是設置來從信號產生器接收輸出頻率。震蕩器是電性連接至差動直接注入對，并產生震蕩頻率，其中差動直接注入對是將震蕩頻率和輸出頻率混合，以產生注入鎖定式除頻器輸出頻率。除頻器是用以接收注入鎖定式除頻器輸出頻率并產生回授信號至相位頻率偵測器的輸入端部。根據本發明的另一實施例，此集成電路包含相位頻率偵測器、信號產生器、注入鎖定式除頻器以及除頻器。相位頻率偵測器具有輸入端部和輸出端部。相位頻率偵測器的輸入端部是設置來接收參考輸入信號和回授信號，并偵測參考輸入信號和回授信號間的相位差，相位頻率偵測器是設置來基于相位差而產生誤差信號，誤差信號是產生于相位頻率偵測器的輸出端部。信號產生器具有輸入端部和輸出端部。信號產生器的輸出入端部是設置來從相位頻率偵測器接收誤差信號，信號產生器是設置來基于誤差信號而產生輸出頻率， 輸出頻率是產生于信號產生器的輸出端部。注入鎖定式除頻器是電性連接至信號產生器的輸出端部并包含差動直接注入對和震蕩器。差動直接注入對是設置來從信號產生器接收該輸出頻率，其中差動直接注入對是以開關的方式來操作，以開啟或關閉該注入鎖定式除頻器。震蕩器是利用直接注入的方式來電性連接至差動直接注入對，并產生震蕩頻率，其中差動直接注入對是將震蕩頻率和輸出頻率混合，以產生注入鎖定式除頻器輸出頻率。除頻器是用以接收注入鎖定式除頻器輸出頻率并產生回授信號至相位頻率偵測器的輸入端部。本發明的注入鎖定式除頻器可增加頻率鎖定范圍。
為讓本發明的上述和其它目的、特征、和優點能更明顯易懂，上文特舉一較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下圖1是繪示根據本發明實施例的具有注入鎖定式除頻器的高頻相位鎖定回路的方塊圖；圖2是繪示根據本揭露實施例的除3注入鎖定式除頻器的高階方塊圖；圖3是繪示根據本發明實施例的除3注入鎖定式除頻器的較詳細方塊圖；圖4是繪示根據本發明另一實施例的除3注入鎖定式除頻器的較詳細方塊圖；圖5和圖6是繪示根據所揭露的實施例利用除3注入鎖定式除頻器所增加的鎖定范圍的圖表。主要組件符號說明100 鎖相回路電路110:電荷泵浦120:電壓控制震蕩器130:除頻器205:震蕩器215 震蕩器305 電流源320、327 晶體管340、345 晶體管425 注入鎖定式除頻器fvco 頻率Vdd 電壓源Ibias 電流
具體實施例方式示范實施例的說明是輔以所附附圖來進行闡述，所附附圖視為完整文字說明的一部分。在此說明中，相對用語，例如“較低”、“較高”、“水平的”、“垂直的”、“上方”、“下方”、 “上”、“下”、“頂部”與“底部”以及其衍生詞(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等等)應
105 相位頻率偵測器 115 低通濾波器 125 注入鎖定式除頻器
210 注入鎖定式除頻器 220 注入鎖定式除頻器 310,315,405 電感 325 注入鎖定式除頻器 350,355 電容 500,600 圖表 Vl+、V1-:差動注入信號 V。+、V。-:混合信號視為與隨后所述或目前所討論的附圖中所示的方位有關。這些相對用語是用以方便說明， 而并非要求設備以特殊方位來進行建構或操作。相對用語是為了說明方便而使用且不需要在特定方向上來操作或建構裝置。關于溝通、耦接及諸如此類的用語，例如“連接”和“內連接”，是指特征與另一特征直接或間接地透過居中的裝置來溝通，除非另有特別的敘述。首先，請參照附圖來討論例示的系統。雖然這些系統被詳細地描述，但此僅僅是為了說明方便而已，其它各式各樣的變化也是可行的。圖1是繪示一實施例的鎖相回路電路100的方塊圖，鎖相回路(Wiase-Locked Loop ；PLL)電路 100 具有注入鎖定式除頻器 Gnjection-Locked Frequency Divider ； ILFD) 125。頻率鎖相回路電路100可進行高頻操作，例如包含大約介于30至300GHz的頻率的操作。因為操作頻率的關系，高頻鎖相回路電路100通常包含有注入鎖定式除頻器125， 這是因為注入鎖定式除頻器125具有高速處理和低功耗的特性。對于注入鎖定式除頻器125而言，考慮頻率鎖相回路電路100是有益的。鎖相回路電路可利用數字或模擬電路來執行，注入鎖定式除頻器125 —般可應用至這兩種電路， 而鎖相回路電路則以此認知來說明。頻率鎖相回路電路100的說明可從相位頻率偵測器 105開始。相位頻率偵測器一般是比較兩個輸入信號(具有參考頻率和回授頻率的兩信號)并產生與兩輸入信號的相位差成比例的誤差信號。誤差信號被送至電荷泵浦(charge bump) 110，電荷泵浦110是供應與測得的相位誤差成比例的電荷。低通濾波器115是接收以電荷來重新表示的相位誤差信號并過濾所接收的相位誤差信號。經過過濾的信號是驅動電壓控制震蕩器(Voltage-ControlledOscillator ； VC0) 120，電壓控制震蕩器120是產生輸出頻率。輸出頻率是透過注入鎖定式除頻器125和具有計數器的除N除頻器130來以負回授的方式回授至相位頻率偵測器105的輸入端。如果電壓控制震蕩器120的輸出頻率往上或往下漂移很大或很小的幅度，誤差信號會據此來增加會減少并往相反的方向來驅動電壓控制震蕩器頻率，以降低誤差。因此，輸出會被鎖定在從晶體震蕩器或其它來源(未繪示)所得到的參考頻率。現請參照注入鎖定式除頻器125，輸入信號的頻率為震蕩器120的自激震蕩頻率 (Free-Running Frequency) 0輸入信號接著被注入鎖定式除頻器125進行除法處理。來自注入鎖定式除頻器125的已除頻信號是由除N除頻器130所接收。本發明是描述一種注入鎖定式除頻器，其是設計來增加鎖定范圍而不用任何的頻率調整機制，不需使用頻率調整機制為根據本發明所獲得的優點，但對于本領域現有的注入鎖定式除頻器而言，不使用頻率調整機制則為缺點。注入鎖定式除頻器125的其它優點和改良對于本領域具有通常知識者是相當明顯的。注入鎖定式除頻器125在圖2至圖6中來討論。除N除頻器130是接收來自注入鎖定式除頻器125的已除頻信號，并產生此已除頻信號的整數數字。通過將回授路徑中的簡單除N計數器替換為可程序脈沖吞咽計數器 (Pulse Swallow Counter)，也可產生已除頻信號的非整數數字。圖2是比較除2注入鎖定式除頻器210的方塊圖與除3注入鎖定式除頻器220的方塊圖，這些方塊圖是繪示一些它們的基礎特性。除2注入鎖定式除頻器210可被用來做為完成高頻鎖相回路電路100的部分組件。然而，除2注入鎖定式除頻器210在產生由電壓控制震蕩器120的輸出頻率而來的已除頻信號方面會有困難，此是因為較高的自震頻率(Self-Oscillation Frequency) 0再者，除2注入鎖定式除頻器210通常是接收來自電壓控制震蕩器120的單端注入負載(Single-Ended Injection Load)，如此將難以平衡電壓控制震蕩器120為差動注入信號源的地方。與除2注入鎖定式除頻器210進行比較的改良實施例為除3注入鎖定式除頻器 220，其可處理除2注入鎖定式除頻器210的缺點。使用除3注入鎖定式除頻器220的優點之一為電壓控制震蕩器120的輸出被施加至平衡的差動負載，而不是不平衡的單端注入負載。再者，假設電壓控制震蕩器205或215是工作于一給定頻率下，除3注入鎖定式除頻器 220是產生比除2注入鎖定式除頻器210更低的頻率，而本案所要的即為此較低頻的頻率。 其余的揭露是呈現具有優點的除3注入鎖定式除頻器220的各種不同設計。圖3是繪示一實施例的除3注入鎖定式除頻器325的示意圖，除3注入鎖定式除頻器325是例如圖2中所所繪示的除3注入鎖定式除頻器。除3注入鎖定式除頻器325是從電流源305接收電流Ibias，電流源305是由電壓源VDD提供電流。除3注入鎖定式除頻器325包含由晶體管320、327構成的差動直接注入對，此差動直接注入對是設置來接收互補或差動注入信號V1+和V1-,信號V1+和V1-是操作于來自電壓控制震蕩器120 (圖2)的頻率fvco(圖中的符號@是表示信號V1+和V1-是操作于頻率fvJ。差動直接注入對可用N型金屬氧化半導體(NMOQ晶體管320、327來實現。差動注入信號可包含射頻信號，射頻信號的頻率可為除3注入鎖定式除頻器325的輸出頻率的3 倍。換句話說，此輸出頻率為來自電壓控制震蕩器120的除3互補或差動注入信號。射頻信號一般是由信號產生器，例如電壓控制震蕩器120(圖1)或差動震蕩器(未繪示)來發送。除3注入鎖定式除頻器325還包含由電感310、電感315、電容350、電容355、晶體管340以及晶體管345所構成的震蕩器(Oscillator)，此震蕩器是電性連接至差動直接注入對并基于混合差動注入信號來產生輸出頻率。震蕩器可包含由電感310、電感315、電容 350、電容355所構成的共振器(Resonator)以及由晶體管340以及晶體管345所構成的互耦晶體管對。在本例中，共振器是以電感310、電感315以及來自晶體管340、345、320、327 的寄生電容350、355來實現，而互耦晶體管340、345可以NMOS晶體管來實現。在差動輸入信號注入至差動直接注入對的輸出端的地方，差動直接注入對是以直接注入的方式來于電性連接至震蕩器。差動直接注入對的可操作來做為開關，以開啟或關閉除3注入鎖定式除頻器325。除頻是發生于差動直接注入對將互補或差動注入信號V1+和V1-轉換為差動電流之時，信號V1+和V1-是以互耦晶體管對來混合。除了基頻以外，諧波會被電感電容槽(LC Tank)共振器濾除，此電感電容槽共振器是由電感310、電感315、電容350和電容355所形成。互耦晶體管對的偶次非線性(Even-Order Nonlinearity)可產生所需的混合信號ν。+ 和ν。-，此混合信號是對應至任何奇數的分除比率(Division Ratio)。在本例中，分除比率為3但比率可為5、7、9、11或任何其它的奇數。圖4是繪示一實施例的除3注入鎖定式除頻器425的較詳細方塊圖，除3注入鎖定式除頻器425是如圖2所繪示的除3注入鎖定式除頻器。在本例中，圖4的除3注入鎖定式除頻器425的架構是類似于如圖3所述的除3注入鎖定式除頻器425。類似的特征是以相同的標號來標示，例如構成差動直接注入對的晶體管320、327以及構成震蕩器的電感310、電感315、電容350、電容355、晶體管340、晶體管345。然而，除3注入鎖定式除頻器 425還包含與差動直接注入對串聯的電感405。串聯電感405減少存在于除3注入鎖定式除頻器425中的寄生電容，借此來強化除3注入鎖定式除頻器425的鎖定范圍。圖5和圖6是繪示圖表500和600，其中圖表500和600是表示分別利用如圖3和圖4所示的除3注入鎖定式除頻器325和425而增加的鎖定范圍。圖表500和600為除3 注入鎖定式除頻器325和425操作在供應電壓為1伏特、操作頻率為70GHz左右的條件下的模擬結果。對于振幅為0. 6伏特的輸入電壓而言，除3注入鎖定式除頻器325的鎖定范圍為9. 78GHz,除3注入鎖定式除頻器425的鎖定范圍為13. 60GHz。值得注意的是，如本領域已知技術者所了解的是，圖3和圖4中的NMOS晶體管 320,327,340和345也可用P型金屬氧化半導體(PM0Q或任何其它種類的晶體管來設計。 再者，除3注入鎖定式除頻器125、220、325、425和/或相位鎖定回路電路100可實現于集成電路或其它的小型電子電路中。雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其并非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明的保護范圍當視所附的權利要求書所界定的范圍為準。
權利要求
1.一種注入鎖定式除頻器，其特征在于，包含一差動直接注入對，設置來接收和混合多個差動注入信號；以及一第一震蕩器，電性連接至該差動直接注入對并基于被混合的該些差動注入信號來產生一操作頻率。
2.根據權利要求1所述的注入鎖定式除頻器，其特征在于，該差動直接注入對是以直接注入的方式來電性連接至該第一震蕩器。
3.根據權利要求1所述的注入鎖定式除頻器，其特征在于，該差動直接注入對包含N型金屬氧化半導體晶體管或P型金屬氧化半導體晶體管。
4.根據權利要求1所述的注入鎖定式除頻器，其特征在于，該差動直接注入對是以開關的方式來操作，以開啟或關閉該注入鎖定式除頻器。
5.根據權利要求1所述的注入鎖定式除頻器，其特征在于，該些差動輸入信號包含多個射頻信號，該些射頻信號是操作于一頻率下，該頻率為該操作頻率的三倍，該些射頻信號是由一信號產生器所發送，該信號產生器包含一第二震蕩器和一電壓控制震蕩器中的至少 “"者 ο
6.一種相位鎖定回路，其特征在于，包含一相位頻率偵測器，具有一輸入端部和一輸出端部，該相位頻率偵測器的該輸入端部是設置來接收一參考輸入信號和一回授信號，并偵測該參考輸入信號和該回授信號間的一相位差，該相位頻率偵測器是設置來基于該相位差而產生一誤差信號，該誤差信號是產生于該相位頻率偵測器的該輸出端部；一信號產生器，具有一輸入端部和一輸出端部，該信號產生器的該輸出入端部是設置來從該相位頻率偵測器接收該誤差信號，該信號產生器是設置來基于該誤差信號而產生一輸出頻率，該輸出頻率是產生于該信號產生器的該輸出端部；一注入鎖定式除頻器，電性連接至該信號產生器的該輸出端部并包含一差動直接注入對，設置來從該信號產生器接收該輸出頻率；以及一第一震蕩器，電性連接至該差動直接注入對，并產生一震蕩頻率，其中該差動直接注入對是將該震蕩頻率和該輸出頻率混合，以產生一注入鎖定式除頻器輸出頻率；以及一除頻器，用以接收該注入鎖定式除頻器輸出頻率并產生該回授信號至該相位頻率偵測器的該輸入端部。
7.根據權利要求6所述的相位鎖定回路，其特征在于，該差動直接注入對是以直接注入的方式來電性連接至該第一震蕩器。
8.根據權利要求6所述的相位鎖定回路，其特征在于，該信號產生器的該輸出頻率包含多個射頻信號，該些射頻信號是操作于一頻率下，該頻率為該操作頻率的三倍，該信號產生器包含一第二震蕩器、一差動震蕩器以及一電壓控制震蕩器中的至少一者。
9.根據權利要求6所述的相位鎖定回路，其特征在于，該第一震蕩器包含一共振器和一互耦晶體管對，該共振器為電感電容槽共震器。
10.一種集成電路，其特征在于，包含一相位頻率偵測器，具有一輸入端部和一輸出端部，該相位頻率偵測器的該輸入端部是設置來接收一參考輸入信號和一回授信號，并偵測該參考輸入信號和該回授信號間的一相位差，該相位頻率偵測器是設置來基于該相位差而產生一誤差信號，該誤差信號是產生于該相位頻率偵測器的該輸出端部；一信號產生器，具有一輸入端部和一輸出端部，該信號產生器的該輸出入端部是設置來從該相位頻率偵測器接收該誤差信號，該信號產生器是設置來基于該誤差信號而產生一輸出頻率，該輸出頻率是產生于該信號產生器的該輸出端部；一注入鎖定式除頻器，電性連接至該信號產生器的該輸出端部并包含 一差動直接注入對，設置來從該信號產生器接收該輸出頻率，且包含N型金屬氧化半導體晶體管或P型金屬氧化半導體晶體管，其中該差動直接注入對是以開關的方式來操作，以開啟或關閉該注入鎖定式除頻器；以及一震蕩器，利用直接注入的方式來電性連接至該差動直接注入對，并產生一震蕩頻率， 其中該差動直接注入對是將該震蕩頻率和該輸出頻率混合，以產生一注入鎖定式除頻器輸出頻率；以及一除頻器，用以接收該注入鎖定式除頻器輸出頻率并產生該回授信號至該相位頻率偵測器的該輸入端部。
全文摘要
本發明揭露一種注入鎖定式除頻器、相位鎖定回路以及集成電路。集成電路和相位鎖定回路分別包含前述的注入鎖定式除頻器、相位頻率偵測器、信號產生器以及除頻器。注入鎖定式除頻器包含差動直接注入對和震蕩器。差動直接注入對是設置來接收和混合多個差動注入信號。震蕩器是電性連接至差動直接注入對并基于被混合的差動注入信號來產生操作頻率。
文檔編號H03L7/08GK102412832SQ201110073490
公開日2012年4月11日 申請日期2011年3月22日 優先權日2010年9月22日
發明者周淳樸, 薛福隆, 謝協宏 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司