一種基于環形結構的正交推-推壓控振蕩器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于環形結構的正交推-推壓控振蕩器，包括四級延遲單元，本發明利用四級反相放大器構成的環形振蕩器中輸出信號之間的相位關系、結合諧波選擇元件抽取各輸出信號中的二次諧波，所抽取的二次諧波相位互為正交，作為環形結構的輸出，形成正交輸出的推-推壓控振蕩器。該結構在工藝受限情況下，可以有效提高正交本振輸出信號的頻率，為毫米波、亞毫米波、特別是太赫茲頻段收發前端提供高品質正交本振信號。
【專利說明】
一種基于環形結構的正交推-推壓控振蕩器
【技術領域】
[0001]本發明屬于微電子學【技術領域】，涉及一種基于環形結構的正交推-推壓控振蕩器。
【背景技術】
[0002]無線收發前端根據結構的不同，可以分為超外差接收機、低中頻接收機及零中頻接收機，其中零中頻接收機由于可以實現單片集成，受到越來越多的關注。在這種結構中，射頻信號與互為正交的兩路本振信號混頻，直接產生基帶信號。正交兩路本振信號的相位誤差和幅度失配會直接影響接收機鏡像抑制能力和解調性能。同時，由于產生本振信號的電路工作在電路的最高頻率處，其頻率輸出能力和功耗等決定著整個接收機的接收頻率和功耗。因此，零中頻接收機中正交本振信號的產生是非常關鍵的。
[0003]在射頻電路中，可以采用無源多相濾波器來產生正交本振信號，如圖1所示。VCO產生差分輸出信號，經高頻放大器緩沖放大后驅動無源多相濾波器產生正交本振信號。無源多項濾波器產生正交信號的優點是壓控振蕩器的結構簡單，但由于無源多相濾波器具有6dB的插入損耗，高頻放大器必須提供足夠的補償增益，這導致壓控振蕩器輸出端的負載電容增加和電路總體功耗的增加；另一方面，集成電路工藝的波動會使不同路徑上的電阻值和電容值產生偏差，導致正交兩路信號的幅度和相位分別失配。另一種產生正交本振信號的方法是采用正交壓控振蕩器，如圖2所示。兩個振蕩器通過一定的耦合方式產生正交信號，該方法電路結構簡單，環路結構使工藝偏差引起的失配弱化，因此在GHz頻段范圍應用較多。
[0004]隨著無線通信的頻率逐漸進入到毫米波、亞毫米波、尤其是太赫茲頻段，上述正交信號產生電路遇到了新的問題。對正交壓控振蕩器來說，要產生這么高頻率的震蕩信號相當困難，尤其當所需頻率接近振蕩器有源器件的截止頻率fT時。對無源多項濾波器來說，除了上述問題外，在上述頻段要實現具有6dB增益的放大器也相當困難。所有這些對太赫茲頻段正交本振信號的產生和太赫茲無線通信的發展提出嚴重的挑戰。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對現有技術的不足，提出一種基于環形結構的正交推-推壓控振蕩器。利用四級反相放大器構成的環形振蕩器中輸出信號之間的相位關系、結合諧波選擇元件抽取各輸出信號中的二次諧波，構建正交輸出的推-推壓控振蕩器，實現毫米波、亞毫米波、特別是太赫茲頻段收發前端正交本振信號的產生。
[0006]本發明一種基于環形結構的正交推-推壓控振蕩器包括四級延遲單元，第一級延遲單元的第一輸出端連接第二級延遲單元的同相輸入端，第一級延遲單元的第二輸出端連接第二級延遲單元的反相輸入端；第二級延遲單元的第一輸出端連接第三級延遲單元的同相輸入端，第二級延遲單元的第二輸出端連接第三級延遲單元的反相輸入端；第三級延遲單元的第一輸出端連接第四級延遲單元的同相輸入端，第三級延遲單元的第二輸出端連接第四級延遲單元的反相輸入端；第四級延遲單元的第一輸出端連接第一級延遲單元的反相輸入端，第四級延遲單元的第二輸出端連接第一級延遲單元的同相輸入端；第一級延遲單元的外部電壓控制端、第二級延遲單元的外部電壓控制端、第三級延遲單元的外部電壓控制端、第四級延遲單元的外部電壓控制端連接，作為正交推-推壓控振蕩器的電壓控制端；第一級延遲單元的第三輸出端作為正交推-推壓控振蕩器的第一輸出端；第二級延遲單元的第三輸出端作為正交推-推壓控振蕩器的第二輸出端；第三級延遲單元的第三輸出端作為正交推-推壓控振蕩器的第三輸出端；第四級延遲單元的第三輸出端作為正交推-推壓控振蕩器的第四輸出端。
[0007]每級延遲單元包括二個NMOS管、二個PMOS管、兩個變容管、兩個電感和一個諧波選擇元件。第一 NMOS管的柵極、第二 NMOS管的漏極、第二 PMOS管的漏極、第二變容管的一端和第二電感的一端連接，作為延遲單元的第二輸出端；第二 NMOS管的柵極、第一 NMOS管的漏極、第一 PMOS管的漏極、第一變容管的一端和第一電感的一端連接,作為延遲單元的第一輸出端；第一 PMOS管的柵極接延遲單元的同相輸入端；第二 PMOS管的柵極接延遲單元的反相輸入端；第一電感的另一端與第二電感的另一端相連；第一變容管的另一端與第二變容管的另一端連接，作為外部電壓控制端；第一 PMOS管、第二 PMOS管的源極接電源VDD;第一 NMOS管、第二 NMOS管的源極與頻率選擇元件的一端相連，作為延遲單元的第三輸出端；諧波選擇元件的另一端接地。
[0008]在本發明中，第一電感、第二電感、第一變容管、第二變容管、第一 NMOS和第二NMOS構成一個電容電感型壓控振蕩器；第一 PMOS管、第二 PMOS管作為延遲單元的輸入，實現各延遲單元間的互聯以構成環路；頻率選擇元件實現延遲單元輸出信號中的二次諧波的選擇輸出。
[0009]根據環路的特點，延遲單元輸出信號和輸入信號間的相位相差為180°+45°，各延遲單元輸出信號的相位為(N-l)x(180°+45°)，其中N為延遲單元的級數。再根據延遲單元輸出信號中二次諧波分量與基波分量間的相位關系，可以得到各延遲單元第三輸出端口輸出信號的相位為(N-l)x90°，其中N為延遲單元的級數。這樣，第一延遲單元的第三輸出端口信號(相位為0°)、第三延遲單元的的第三輸出端口信號(相位為180°)和第二延遲單元的第三輸出端口信號(相位為90°)、第四延遲單元的的第三輸出端口信號(相位為270°)互為正交信號，實現了正交的推-推壓控振蕩器。
[0010]本發明在工藝受限的情況下，可以有效提高正交本振輸出信號的頻率，為毫米波、亞毫米波、特別是太赫茲頻段收發前端提供高品質正交本振信號。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為基于無源多項濾波器的正交震蕩信號產生電路；
圖2為基于正交振蕩器的正交震蕩信號產生電路；
圖3為本發明基于環形結構正交推-推壓控振蕩器的結構；
圖4為圖3中延遲單元的結構。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的說明。
[0013]本發明提供一種基于環形結構的正交推-推壓控振蕩器。利用四級反相放大器構成的環形振蕩器中輸出信號之間的相位關系、結合諧波選擇元件抽取各輸出信號中的二次諧波，構建正交輸出的推-推壓控振蕩器，實現毫米波、亞毫米波、特別是太赫茲頻段收發前端正交本振信號的產生。
[0014]如圖3所示，本發明包括四級延遲單元，第一級延遲單元Dl的第一輸出端VoUt_f連接第二級延遲單元D2的同相輸入端Vin+，第一級延遲單元Dl的第二輸出端Voutb_f連接第二級延遲單元的反相輸入端Vin-;第二級延遲單元D2的第一輸出端Vout_f連接第三級延遲單元D3的同相輸入端Vin+，第二級延遲單元D2的第二輸出端Voutb_f連接第三級延遲單元的反相輸入端Vin-;第三級延遲單元D3的第一輸出端Vout_f連接第四級延遲單元D4的同相輸入端Vin+，第三級延遲單元D3的第二輸出端Voutb_f連接第四級延遲單元D4的反相輸入端Vin-;第四級延遲單元D4的第一輸出端Vout_f連接第一級延遲單元Dl的反相輸入端Vin-，第四級延遲單元D4的第二輸出端Voutb_f連接第一級延遲單元Dl的同相輸入端Vin+ ;第一級延遲單元Dl的外部電壓控制端Vtune、第二級延遲單元D2的外部電壓控制端Vtune、第三級延遲單元D3的外部電壓控制端Vtune、第四級延遲單元D4的外部電壓控制端Vctrl連接，作為正交推-推壓控振蕩器的電壓控制端Vctrl ;第一級延遲單元Dl的第三輸出端Vout_2f作為正交推-推壓控振蕩器的第一輸出端I+ ;第二級延遲單元D2的第三輸出端Vout_2f作為正交推-推壓控振蕩器的第二輸出端Q+ ;第三級延遲單元D3的第三輸出端Vout_2f作為正交推-推壓控振蕩器的第三輸出端1-;第四級延遲單元D4的第三輸出端Vout_2f作為正交推-推壓控振蕩器的第四輸出端Q-。
[0015]每級延遲單元包括二個NMOS管、二個PMOS管、兩個變容管、兩個電感和一個諧波選擇元件，如圖4所示。第一 NMOS管MNl的柵極、第二 NMOS管MN2的漏極、第二 PMOS管MP2的漏極、第二變容管Cvar2的一端和第二電感L2的一端連接，作為延遲單元的第二輸出端Voutb_f ;第二 NMOS管麗2的柵極、第一 NMOS管麗I的漏極、第一 PMOS管MPl的漏極、第一變容管Cvarl的一端和第一電感LI的一端連接,作為延遲單元的第一輸出端Vout_f ;第一PMOS管MPl的柵極接延遲單元的同相輸入端Vin+ ;第二 PMOS管MP2的柵極接延遲單元的反相輸入端Vin-;第一電感11的另一端與第二電感12的另一端相連；第一變容管Cvarl的另一端與第二變容管Cvar2的另一端連接，作為外部電壓控制端Vtune ;第一 PMOS管MP1、第二 PMOS管MP2的源極接電源VDD ;第一 NMOS管MNl、第二 NMOS管MN2的源極與頻率選擇元件Tl的一端相連,作為延遲單元的第三輸出端Vout_2f ;諧波選擇元件的另一端接地。
[0016]上述基于環形結構的正交輸出推-推壓控振蕩器中，令輸出正交信號的頻率為f0，則延遲單元中由電感L1/L2和變容管Cvarl/Cvar2構成的諧振網絡的諧振頻率為fO/2 ;變容管Cvarl/Cvar2的選取應滿足輸出頻率范圍的要求，假設輸出頻率范圍為(f0max，f0min)，電感L1/L2的取值為L0，這變容管的容值范圍要包括以下范圍:(1/(2T f0max)2L0, 1/(2 π fOmin) 2LO);頻率選擇元件Tl的電長度為頻率f0處信號波長的1/4，以實現二次諧波的有效輸出。
[0017]盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例做了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應該被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替換都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
【權利要求】
1.一種基于環形結構的正交推-推壓控振蕩器，其特征在于:包括四級延遲單元，第一級延遲單元的第一輸出端連接第二級延遲單元的同相輸入端，第一級延遲單元的第二輸出端連接第二級延遲單元的反相輸入端；第二級延遲單元的第一輸出端連接第三級延遲單元的同相輸入端，第二級延遲單元的第二輸出端連接第三級延遲單元的反相輸入端；第三級延遲單元的第一輸出端連接第四級延遲單元的同相輸入端，第三級延遲單元的第二輸出端連接第四級延遲單元的反相輸入端；第四級延遲單元的第一輸出端連接第一級延遲單元的反相輸入端，第四級延遲單元的第二輸出端連接第一級延遲單元的同相輸入端；第一級延遲單元的外部電壓控制端、第二級延遲單元的外部電壓控制端、第三級延遲單元的外部電壓控制端、第四級延遲單元的外部電壓控制端連接，作為正交推-推壓控振蕩器的電壓控制端；第一級延遲單元的第三輸出端作為正交推-推壓控振蕩器的第一輸出端；第二級延遲單元的第三輸出端作為正交推-推壓控振蕩器的第二輸出端；第三級延遲單元的第三輸出端作為正交推-推壓控振蕩器的第三輸出端；第四級延遲單元的第三輸出端作為正交推-推壓控振蕩器的第四輸出端。
2.根據權利要求1所述的一種基于環形結構的正交推-推壓控振蕩器，其特征在于:每級延遲單元包括二個NMOS管、二個PMOS管、兩個變容管、兩個電感和一個諧波選擇元件，第一 NMOS管的柵極、第二 NMOS管的漏極、第二 PMOS管的漏極、第二變容管的一端和第二電感的一端連接，作為延遲單元的第二輸出端；第二NMOS管的柵極、第一NMOS管的漏極、第一PMOS管的漏極、第一變容管的一端和第一電感的一端連接，作為延遲單元的第一輸出端；第一 PMOS管的柵極接延遲單元的同相輸入端；第二 PMOS管的柵極接延遲單元的反相輸入端；第一電感的另一端與第二電感的另一端相連；第一變容管的另一端與第二變容管的另一端連接，作為外部電壓控制端；第一 PMOS管、第二 PMOS管的源極接電源VDD ;第一 NMOS管、第二 NMOS管的源極與頻率選擇元件的一端相連，作為延遲單元的第三輸出端；諧波選擇元件的另一端接地。
3.根據權利要求2所述的一種基于環形結構的正交推-推壓控振蕩器，其特征在于:所述的諧波選擇元件為一根傳輸線，長度為四級延遲單元所構成環路的震蕩信號二次諧波波長的1/4。
【文檔編號】H03L7/099GK104202043SQ201410383790
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月6日 優先權日:2014年8月6日
【發明者】高海軍, 孫玲玲 申請人:杭州電子科技大學