本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于射頻頻率綜合器的注入鎖定三倍頻器。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，60ghz毫米波無(wú)線通信以其高達(dá)幾gbps的傳輸速率和7ghz的帶寬，成為下一代超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)，尤其在無(wú)壓縮高清視頻無(wú)線傳輸?shù)认M(fèi)類電子領(lǐng)域具有巨大的市場(chǎng)前景。60ghz毫米波無(wú)線通信技術(shù)已成為當(dāng)前國(guó)際上的研究熱點(diǎn)，中國(guó)60ghz毫米波無(wú)線通信分為兩個(gè)頻段42.3-48.4ghz頻段和59-64ghz頻段，目前這兩個(gè)頻段都已經(jīng)被開(kāi)放。

鎖相環(huán)電路是收發(fā)機(jī)的重要組成部分，為射頻接收機(jī)中提供接收機(jī)變頻所需的本振信號(hào)。在毫米波頻段，鎖相環(huán)電路的設(shè)計(jì)具有很大挑戰(zhàn)。在鎖相環(huán)電路應(yīng)用于寬帶毫米波收發(fā)機(jī)時(shí)，鎖相環(huán)電路中的壓控振蕩器的調(diào)諧范圍、相位噪聲和功耗等性能指標(biāo)相對(duì)于低頻段更難實(shí)現(xiàn)。緊跟壓控振蕩器的分頻器也工作在最高頻率，它的功耗和鎖定范圍等性能在毫米波頻段也帶來(lái)設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)。為解決此問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)中提出了低頻鎖相環(huán)級(jí)聯(lián)倍頻器的方案，使得鎖相環(huán)電路仍工作在低頻段，降低了鎖相環(huán)電路的設(shè)計(jì)難度。如圖1所示，20ghz鎖相環(huán)101級(jí)聯(lián)注入鎖定三倍頻器結(jié)構(gòu)102可以為60ghz收發(fā)機(jī)103(lna為低噪聲放大器)提供本振信號(hào)，但是該注入鎖定三倍頻器結(jié)構(gòu)102的鎖定范圍較小，因此如何增加注入鎖定三倍頻器的鎖定范圍成為需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例提供一種注入鎖定三倍頻器，以解決現(xiàn)有技術(shù)的鎖定三倍頻器結(jié)構(gòu)的鎖定范圍較小的問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案：

一種注入鎖定三倍頻器，包括振蕩器與諧波發(fā)生器，所述振蕩器和所述諧波發(fā)生器通過(guò)變壓器網(wǎng)絡(luò)連接；

所述諧波發(fā)生器用于根據(jù)預(yù)設(shè)頻率的基波信號(hào)產(chǎn)生所述預(yù)設(shè)頻率的三次諧波分量，所述三次諧波分量通過(guò)所述變壓器網(wǎng)絡(luò)注入至所述振蕩器完成選頻作用，使得所述注入鎖定三倍頻器輸出三倍預(yù)設(shè)頻率的信號(hào)；

通過(guò)加載有偏置電壓的第五nmos晶體管與所述振蕩器連接，實(shí)現(xiàn)代替所述諧波發(fā)生器為所述振蕩器提供直流偏置，提高所述注入鎖定三倍頻器的注入鎖定范圍。

具體的，所述振蕩器包括諧振網(wǎng)絡(luò)、第三nmos晶體管、第四nmos晶體管以及所述第五nmos晶體管；所述第五nmos晶體管的柵極與偏置電壓連接，所述第五nmos晶體管的源極接地，所述第五nmos晶體管的漏極分別與所述第三nmos晶體管的源極和所述第四nmos晶體管的源極連接；所述第三nmos晶體管的柵極和漏極，以及所述第四nmos晶體管的柵極和漏極均與所述諧振網(wǎng)絡(luò)連接；通過(guò)所述第五nmos晶體管為所述振蕩器提供直流偏置，使所述振蕩器正常起振。

具體的，所述諧振網(wǎng)絡(luò)包括所述變壓器網(wǎng)絡(luò)、第一可變電容、第二可變電容；所述第一可變電容的一端與所述第二可變電容的一端對(duì)應(yīng)與所述變壓器網(wǎng)絡(luò)連接，所述第一可變電容的另一端和所述第一可變電容的另一端串接；所述變壓器網(wǎng)絡(luò)分別與第一電源電壓和第二電源電壓連接，通過(guò)所述諧振網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)選頻作用，使得所述注入鎖定三倍頻器輸出三倍預(yù)設(shè)頻率的信號(hào)，并使所述注入鎖定三倍頻器鎖定在三倍頻率處。

具體的，所述變壓器網(wǎng)絡(luò)包括第一電感、第二電感、第三電感以及第四電感；所述第一電感的一端與所述第二電感的一端分別與所述第一電源電壓連接，所述第一電感的另一端分別與所述第三nmos晶體管的漏極和所述第一可變電容的一端連接；所述第二電感的另一端分別與所述第四nmos晶體管的漏極和所述第二可變電容的一端連接；所述第三電感的一端與所述第四電感的一端分別與所述第二電源電壓連接；所述第三電感的另一端分別與所述第三nmos晶體管的柵極和所述諧波發(fā)生器連接，所述第四電感的另一端分別與所述第四nmos晶體管的柵極和所述諧波發(fā)生器連接。

另外，所述第一電感與所述第四電感相互耦合，所述第二電感與所述第三電感相互耦合；所述第一電感與所述第二電感的電感值大小相同，所述第三電感與所述第四電感的電感值大小相同；通過(guò)所述變壓器網(wǎng)絡(luò)的第一電感與第四電感之間的耦合和第二電感與第三電感之間的耦合，實(shí)現(xiàn)所述第三nmos晶體管與所述第四nmos晶體管的柵極之間的交叉耦合，使得所述第三nmos晶體管與所述第四nmos晶體管提供負(fù)阻維持振蕩。

具體的，所述諧波發(fā)生器包括第一nmos晶體管與第二nmos晶體管；所述第一nmos晶體管的源極與所述第二nmos晶體管的源極分別接地；所述第一nmos晶體管的柵極和偏置電壓之間，以及所述第二nmos晶體管的柵極和偏置電壓之間分別設(shè)置有電阻；所述第一nmos晶體管的柵極與射頻信號(hào)的正輸入端之間設(shè)置有電容，所述第二nmos晶體管的柵極與射頻信號(hào)的負(fù)輸入端之間設(shè)置有電容；所述第一nmos晶體管的漏極分別與第三nmos晶體管的柵極和第三電感的另一端連接；所述第二nmos晶體管的漏極分別與第四nmos晶體管的柵極和第四電感的另一端連接。

進(jìn)一步的，所述第一nmos晶體管的柵極與第二nmos晶體管的柵極注入有所述預(yù)設(shè)頻率的基波信號(hào)，使得所述第一nmos晶體管與所述第二nmos晶體管偏置在弱反型區(qū)時(shí)，所述第一nmos晶體管的漏極與所述第二nmos晶體管的漏極輸出所述預(yù)設(shè)頻率的三次諧波分量。

本發(fā)明所提供的注入鎖定三倍頻器一方面通過(guò)采用變壓器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)將由諧波發(fā)生器中相應(yīng)的nmos晶體管產(chǎn)生輸出頻率f0的三次諧波分量3f0注入至振蕩器中，并通過(guò)振蕩器中的諧振網(wǎng)絡(luò)完成選頻作用，實(shí)現(xiàn)使振蕩器的輸出端輸出頻率為3f0的差分信號(hào)，使得本注入鎖定三倍頻器鎖定在頻率3f0處，實(shí)現(xiàn)本注入鎖定三倍頻器鎖定輸入信號(hào)成功倍頻。另一方面，本注入鎖定三倍頻器通過(guò)獨(dú)立設(shè)置的nmos晶體管實(shí)現(xiàn)為振蕩器提供直流偏置，實(shí)現(xiàn)振蕩器的正常起振，并實(shí)現(xiàn)使本注入鎖定三倍頻器工作在導(dǎo)通角為50至100度范圍內(nèi)，從而可提高注入鎖定三倍頻器的注入鎖定范圍。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用三倍頻器提供本振的毫米波收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為傳統(tǒng)的注入鎖定三倍頻器電路原理圖；

圖3為注入鎖定三倍頻器中，三次諧波電流分量與導(dǎo)通角的關(guān)系圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的注入鎖定三倍頻器的電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有傳統(tǒng)的注入鎖定三倍頻器結(jié)構(gòu)如圖2所示：

傳統(tǒng)的注入鎖定三倍頻器由諧波發(fā)生器、振蕩器組成，諧波發(fā)生器與振蕩器連接，通過(guò)諧波發(fā)生器不僅能夠產(chǎn)生三次諧波分量，同時(shí)可以為振蕩器提供直流偏置，使得振蕩器能夠正常起振。諧波發(fā)生器產(chǎn)生的三次諧波分量注入振蕩器中完成選頻作用。其中，諧波發(fā)生器包括一對(duì)nmos晶體管，分別為第一nmos晶體管m3與第二nmos晶體管m4，第一nmos晶體管m3的源極與第二nmos晶體管m4的源極分別接地，第一nmos晶體管m3的柵極與第二nmos晶體管m4的柵極與偏置電壓之間設(shè)置有電阻，第一nmos晶體管m3的柵極和第二nmos晶體管m4的柵極與射頻信號(hào)輸入端(rfin+與rfin-)之間設(shè)置有電容。振蕩器包括諧振網(wǎng)絡(luò)與一對(duì)交叉耦合晶體管，諧振網(wǎng)絡(luò)包括第一可變電容c1、第二可變電容c2、第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2，通過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)完成選頻作用。交叉耦合晶體管分別為第三nmos晶體管m1、第四nmos晶體管m2，通過(guò)第三nmos晶體管m1、第四nmos晶體管m2提供負(fù)阻維持振蕩。

振蕩器各部件之間的連接關(guān)系如下：第三nmos晶體管m1、第四nmos晶體管m2的源極對(duì)應(yīng)與第一nmos晶體管m3和第二nmos晶體管m4的漏極連接，第三nmos晶體管m1與第四nmos晶體管m2的柵極交叉耦合后，使得第三nmos晶體管m1的柵極分別與第四nmos晶體管m2的漏極以及第二可變電容c2和第二電感l(wèi)2的一端連接，第四nmos晶體管m2的柵極分別與第三nmos晶體管m1的漏極以及第一可變電容c1和第二電感l(wèi)1的一端連接，第一可變電容c1與第二可變電容c2的另一端連接在一起，第一電感l(wèi)1與第二電感l(wèi)2分別與電源電壓vdd連接。

當(dāng)給諧波發(fā)生器的第一nmos晶體管m3和第二nmos晶體管m4的柵極注入頻率為f0的基波信號(hào)，當(dāng)?shù)谝籲mos晶體管m3和第二nmos晶體管m4偏置在弱反型區(qū)時(shí)，由于mos器件的非線性，使得第一nmos晶體管m3和第二nmos晶體管m4的漏極將輸出頻率f0的三次諧波分量3f0，該三次諧波分量3f0將注入振蕩器中。并且通過(guò)諧波發(fā)生器還為振蕩器提供直流偏置，使得振蕩器能夠正常起振。利用振蕩器的諧振網(wǎng)絡(luò)完成選頻作用，使得注入鎖定三倍頻器的差分輸出端輸出三次諧波信號(hào)，注入鎖定三倍頻器鎖定在頻率3f0處，實(shí)現(xiàn)注入鎖定三倍頻器鎖定輸入信號(hào)成功倍頻。

如圖3示出的注入鎖定三倍頻器中三次諧波電流分量與導(dǎo)通角的關(guān)系，其中，i3為三次諧波電流分量大小，imax為電路總的工作電流大小。顯然，為了獲得更大的三次諧波電流使得鎖定范圍更大，第一nmos晶體管m3和第二nmos晶體管m4應(yīng)該被偏置在弱反型區(qū)，也就是導(dǎo)通角50～100度之間。然而，在現(xiàn)有傳統(tǒng)的注入鎖定三倍頻器(如圖2所示)中，第一nmos晶體管m3和第二nmos晶體管m4為振蕩器提供偏置電流使其正常起振，所以第一nmos晶體管m3和第二nmos晶體管m4的柵極電壓偏置大于晶體管閾值電壓vth，即注入鎖定三倍頻器需要工作在導(dǎo)通角大于200度的范圍，而不是導(dǎo)通角50～100度的范圍。這樣造成傳統(tǒng)的注入鎖定三倍頻器的注入效率較低，且注入鎖定范圍較小。

為了解決傳統(tǒng)的注入鎖定三倍頻器注入鎖定范圍較小的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種注入鎖定三倍頻器，如圖4所示，該注入鎖定三倍頻器包括諧波發(fā)生器3、振蕩器1，諧波發(fā)生器3與振蕩器1通過(guò)變壓器網(wǎng)絡(luò)1連接。其中，諧波發(fā)生器3包括第一nmos晶體管m3與第二nmos晶體管m4，第一nmos晶體管m3與第二nmos晶體管m4的源極分別接地；第一nmos晶體管m3與第二nmos晶體管m4的柵極與偏置電壓之間設(shè)置有電阻，第一nmos晶體管m3和第二nmos晶體管m4的柵極與射頻信號(hào)輸入端(正輸入端rfin+與負(fù)輸入端rfin-)之間設(shè)置有電容。振蕩器1包括第三nmos晶體管m1、第四nmos晶體管m2、第一可變電容c1、第二可變電容c2、變壓器網(wǎng)絡(luò)2以及第五nmos晶體管m5。變壓器網(wǎng)絡(luò)2包括第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2、第三電感l(wèi)3以及第四電感l(wèi)4，第一電感l(wèi)1與第二電感l(wèi)2的一端分別與第一電源電壓vdd1連接，第一電感l(wèi)1的另一端分別與第三nmos晶體管m1的漏極、第一可變電容c1的一端連接；第二電感l(wèi)2的另一端分別與第四nmos晶體管m2的漏極和第二可變電容c2的一端連接；第一可變電容c1與第二可變電容c2的另一端串接；第三電感l(wèi)3與第四電感l(wèi)4的一端分別與第二電源電壓vdd2連接，第三電感l(wèi)3的另一端分別與第三nmos晶體管m1的柵極和第一nmos晶體管m3的漏極連接，第四電感l(wèi)4的另一端分別與第四nmos晶體管m2的柵極、第二nmos晶體管m4的漏極連接。其中，第一電感l(wèi)1與第二電感l(wèi)2的電感值大小相同，第三電感l(wèi)3與第四電感l(wèi)4的電感值大小相同，第一電感l(wèi)1與第四電感l(wèi)4相互耦合，第二電感l(wèi)2與第三電感l(wèi)3相互耦合，耦合系數(shù)分別為k1和k2，k1和k2大小相同。通過(guò)變壓器網(wǎng)絡(luò)2可以實(shí)現(xiàn)第三nmos晶體管m1與第四nmos晶體管m2的柵極之間的交叉耦合，從而使得第三nmos晶體管m1與第四nmos晶體管m2提供負(fù)阻維持振蕩。變壓器網(wǎng)絡(luò)2與第一可變電容c1、第二可變電容c2組成了振蕩器1的諧振網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)振蕩器的諧振頻率在3f0附近，完成選頻作用。第三nmos晶體管m1與第四nmos晶體管m2的源極分別與第五nmos晶體管m5的漏極連接，第五nmos晶體管m5的柵極連接偏置電壓vbias，第五nmos晶體管m5的源極接地；通過(guò)第五nmos晶體管m5實(shí)現(xiàn)為振蕩器1提供直流偏置，使得振蕩器1能夠正常起振。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種注入鎖定三倍頻器，當(dāng)給諧波發(fā)生器3的第一nmos晶體管m3和第二nmos晶體管m4的柵極注入頻率為f0的基波信號(hào)，當(dāng)?shù)谝籲mos晶體管m3和第二nmos晶體管m4偏置在弱反型區(qū)時(shí)，由于mos器件的非線性，使得第一nmos晶體管m3和第二nmos晶體管m4的漏極將輸出頻率f0的三次諧波分量3f0，該三次諧波分量3f0通過(guò)變壓器網(wǎng)絡(luò)2注入到振蕩器1中，通過(guò)第五nmos晶體管m5為振蕩器1提供直流偏置，使得振蕩器1能夠正常起振。通過(guò)調(diào)節(jié)振蕩器1中的諧振網(wǎng)絡(luò)的第一可變電容c1、第二可變電容c2完成選頻作用，實(shí)現(xiàn)使振蕩器1的輸出端vout+和vout-輸出頻率為3f0的差分信號(hào)，使得本注入鎖定三倍頻器鎖定在頻率3f0處，實(shí)現(xiàn)本注入鎖定三倍頻器鎖定輸入信號(hào)成功倍頻。由于采用第五nmos晶體管m5代替由諧波發(fā)生器3中的第一nmos晶體管m3和第二nmos晶體管m4為振蕩器1提供直流偏置，使得本注入鎖定三倍頻器工作在導(dǎo)通角為50～100度范圍內(nèi)，從而提高其注入鎖定范圍。并且本注入鎖定三倍頻器可以實(shí)現(xiàn)為毫米波收發(fā)機(jī)提供60ghz的本振信號(hào)。

本發(fā)明所提供的注入鎖定三倍頻器一方面通過(guò)采用變壓器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)將由諧波發(fā)生器中相應(yīng)的nmos晶體管產(chǎn)生輸出頻率f0的三次諧波分量3f0注入至振蕩器中，并通過(guò)振蕩器中的諧振網(wǎng)絡(luò)完成選頻作用，實(shí)現(xiàn)使振蕩器的輸出端輸出頻率為3f0的差分信號(hào)，使得本注入鎖定三倍頻器鎖定在頻率3f0處，實(shí)現(xiàn)本注入鎖定三倍頻器鎖定輸入信號(hào)成功倍頻。另一方面，本注入鎖定三倍頻器通過(guò)獨(dú)立設(shè)置nmos晶體管實(shí)現(xiàn)為振蕩器提供直流偏置，使得振蕩器的正常起振，并實(shí)現(xiàn)使本注入鎖定三倍頻器工作在導(dǎo)通角為50～100度范圍內(nèi)，從而提高其注入鎖定范圍。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本發(fā)明可采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且，本發(fā)明可采用在一個(gè)或多個(gè)其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)算機(jī)可用存儲(chǔ)介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲(chǔ)器、cd-rom、光學(xué)存儲(chǔ)器等)上實(shí)施的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。

本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來(lái)描述的。應(yīng)理解可由計(jì)算機(jī)程序指令實(shí)現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計(jì)算機(jī)程序指令到通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)、嵌入式處理機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個(gè)機(jī)器，使得通過(guò)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的裝置。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可存儲(chǔ)在能引導(dǎo)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中，使得存儲(chǔ)在該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能。

這些計(jì)算機(jī)程序指令也可裝載到計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的處理，從而在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個(gè)流程或多個(gè)流程和/或方框圖一個(gè)方框或多個(gè)方框中指定的功能的步驟。

本發(fā)明中應(yīng)用了具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時(shí)，對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說(shuō)明書(shū)內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。