一種多模分頻的注入鎖定分頻器的制作方法

本發明屬于集成電路設計技術領域，涉及一種分頻器。

背景技術：

隨著科技的迅猛發展和人們對高性能便攜式電子產品的需求日益增長，無線通信技術幾乎存在于所有的電子產品中，這些技術包括移動通信、衛星通信、無線局域網、射頻識別、超寬帶技術等。在現代通信系統中，射頻無線收發前端起著舉足輕重的作用。隨著對信息獲取、傳輸以及處理的要求不斷提高，極其關鍵的挑戰就是穩定的本振的獲取，而基于精確的相位調制的鎖相環頻率合成器則成為了很好的選擇。

鎖相環頻率合成器中最為重要的兩個模塊就是壓控振蕩器和分頻器，而隨著頻率合成器工作頻率的不斷提高，對分頻器的要求就更加嚴格。在頻率合成器中，分頻器作為直接連接在壓控振蕩器后的電路，往往是系統中工作在最高頻率的基本單元之一，決定了電路所能達到的最高速度，其性能好壞直接影響到通信系統的整體性能。尤其是預分頻器，將高頻振蕩器信號分頻降低到數字邏輯可以處理的范圍，將射頻模塊和可編程數字邏輯很好的連接。

目前，主流的高速分頻電路主要有以下三種結構：觸發器結構分頻器和電流模邏輯分頻器、再生環路分頻器、以及注入鎖定分頻器。由于靜態觸發器結構的分頻器具有集成度高，全頻帶工作的優勢，大多數低速電路中都采用觸發器結構分頻器或者電流模邏輯分頻器來完成分頻功能。但這種分頻器的功耗通常較大，而且會隨著系統工作頻率的提高而顯著增加，因此靜態分頻器在高頻系統中的應用非常有限。而再生環路分頻器的極限工作頻率很高，然而其實現需要較復雜的電路模塊，且功耗較大，不適用于低功耗系統的設計。

注入鎖定分頻器工作頻率高而且功耗低，同時由于自身的抑制作用其相位噪聲特性較好，能提供高質量的輸出信號。注入鎖定分頻器的最大缺陷是其鎖定范圍比較窄，只能只能完成窄帶工作，但考慮到現階段大多數無線應用均為窄帶系統，故注入鎖定分頻器依然能夠在特定頻段內有效完成分頻工作。另外，由于在原理上利用了諧波與基波的差頻實現分頻功能，因此分頻比通常不會很大，而且分頻數很有限。基于以上原因，設計實現大分頻比、多模分頻、寬鎖定范圍的注入鎖定分頻器成為無線通信射頻前端電路領域的重要課題。

技術實現要素：

本發明的目的是在保持注入鎖定分頻器低功耗、高工作頻率的前提下，提供給一種新的注入鎖定分頻器，以實現更寬的鎖定范圍，更大的分頻比，更多的分頻模數。主要技術方案如下：

一種多模分頻的注入鎖定分頻器，包括負阻單元、調諧單元和信號注入單元和差分輸出緩沖器，其特征在于，

負阻單元采用由四個MOS管M1,M2,M3,M4構成的互補的交叉耦合對管負阻單元；

調諧單元，由峰值電感L1，壓控可變電容Cvar，以及2bit開關電容陣列通過并聯的方式組成一個調諧頻率可變的諧振腔；

信號注入單元，由并聯的雙MOS管Ms1,Ms2，以及多模切換單元串聯組成，接在電路兩個輸出節點，其中多模切換單元由切換開關和可調諧串聯LC諧振腔組成；

負阻單元、調諧單元和信號注入單元并聯在一起，組成核心電路，核心電路的兩個端口作為注入鎖定分頻器的差分輸出節點，節點信號分別通過兩個緩沖器的緩沖和放大之后輸出到后級電路；利用并聯雙MOS管直接注入的方式為振蕩器注入分頻信號，利用壓控可變電容和開關電容陣列改變諧振腔的諧振頻率，改變分頻比，并通過串聯峰值電感L1來增強諧波的能量，拓寬鎖定范圍。

附圖說明

圖1 2/3/4/5分頻注入鎖定分頻器電路原理圖

圖2諧波增強單元等效電路

具體實施方式

本發明在互補MOS負阻LC振蕩器的基礎上，通過并聯雙MOS管直接注入的方式為振蕩器注入分頻信號，通過壓控可變電容和開關電容陣列、串聯峰值電感提高注入鎖定發范圍，通過開關切換的壓控可變電容調諧來改變分頻比，從而實現了低功耗、寬鎖定范圍、多模分頻的注入鎖定分頻器。下面結合附圖對本發明進行說明。

(1)電容調諧單元提高鎖定范圍。如圖1所示，通過改變加在可變電容C_var上的調諧電壓V_tune，來改變諧振腔的電容值，進而改變自激振蕩頻率，實現了隨調諧電壓增大而升高的振蕩頻率。還有2bit的開關電容陣列，通過控制兩組陣列的開關(SW1，SW2)的開閉情況，能有4種組合模式，每種模式下接入諧振腔中的電容值不同，通過調整開關電容及可變電容的容值，來得到4條相互交疊的頻帶，進一步展寬自激振蕩頻率范圍，鎖定范圍隨著增大。襯底偏置技術及電容調諧單元的應用，保證了2分頻時有較寬的鎖定范圍。

(2)串聯峰值電感提高鎖定范圍。如圖2所示，在注入管一側串聯電感L2，由該電感來實現諧波增強的功能。L2和其兩端的寄生電容構成了帶通濾波器。由上面的等效電路可以得到帶通濾波器的中心頻率：

其中，C1是注入管的源端寄生電容，C2是M1的源柵電容與M2的漏區-襯底間結電容以及可變電容的總電容。當LC帶通濾波器振蕩在諧振腔的n次諧波處時，節點A處的阻抗將會增大，因此n+1分頻下的鎖定范圍便會明顯增大。另外，可變電容的調諧與開關的切換保證電路可工作在多種不同分頻比的模式下。通過控制與注入管單元聯的LC帶通濾波器的電感電容值，進而改變其中心頻率，使其分別處在二次諧波、三次諧波及四次諧波處，這樣便能實現3/4/5分頻。如圖1所示，具體分頻模式的切換方式為：當開關管SW3閉合，V_tune2＝0時，實現2分頻；當SW3開啟，V_tune2＝0V時，實現3分頻；當SW3開啟，V_tune2＝1.5V時，實現4分頻；當SW3開啟，V_tune2＝3V時，實現5分頻。

(3)提高注入單元的注入效率，進而提高鎖定范圍。如圖1所示，雙端直接注入結構，由M_s1和M_s2共同構成注入單元。因為考慮到電路要實現多模數分頻，而越高次的諧波越微弱，因此要保證很強的注入效率，才能實現各個分頻模數下ILFD都有較寬的鎖定范圍。注入管由M_s1和M_s2并聯構成，注入管的柵極將入射電壓信號轉變成電流信號并與諧振腔內基波頻率信號的電流進行混頻。

(4)互補MOS負阻單元提供足夠大的跨導。提供維持振蕩器穩定工作的負阻單元是采用互補交叉耦合對結構，即由四個晶體管(M1，M2，M3，M4)構成。這種互補結構能提供更大的跨導來保證起振，相比于單獨使用NMOS管或PMOS管的結構，電路功耗更小。此外，采用互補結構的負阻單元，更利于兩端輸出信號以標準差分輸出形式。