一種用於本振產生電路的除二分頻器的製作方法

2023-08-13 04:50:11 1

專利名稱：一種用於本振產生電路的除二分頻器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及射頻微波通信領域，尤其涉及其中的本振產生電路裝置。
背景技術：
在系統集成度越來越高的要求下，現在幾乎所有的收發器都內置本振產生電路。本振產生電路一般包括壓控振蕩器和鎖相環電路以及本振處理電路。本振處理一般包含三個方面的內容一是本振的頻率變換，在零中頻電路中一般是除二，二是正交信號的產生，三是本振信號的放大。本實用新型主要涉及前兩個方面。一般本振的除二分頻器包括兩類一是如圖1所示的寬帶的基於主從D觸發器，二是如圖2所示的窄帶的基於超諧波注入鎖定。第一類的寬帶特性註定了它固有的速度和功耗的不可兼得的特性，也就是說，功耗低的速度就比較慢，而速度高的功耗必然也高。在本振頻率越來越高的背景下，第一類分頻器的功耗問題顯得越來越突出。第二類的除法電路通過注入一個振蕩電路一個比較強的二倍頻信號，從而牽引振蕩器並使之鎖定到注入信號的1/2頻率。這類電路在同等條件下的功耗比較低，但是存在兩個問題一是工作頻率範圍比較窄，二是電路本身不能產生正交的本振信號，必須使用其它的濾波整相電路，這就會帶來本振信號功率的損失。
發明內容本實用新型的目的是解決現有的除二分頻器的以上缺陷，提供了一種低功耗、高頻率、具有天然的正交相位本振信號輸出的、能夠在較寬的工作頻率範圍內工作的除二分頻器。為解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案是一種用於本振產生電路的除二分頻器，其特徵在於包括兩個結構相同的二次諧波注入鎖定分頻器；所述每個二次諧波注入鎖定分頻器包括兩電感、兩壓控可變電容和四個場效應管；其中，所述四個場效應管又以2個為一組，每組由一個起提供負阻作用的負阻場效應管MSW和一個起耦合作用的耦合場效應管MCP組成，這兩個場效應管的源極之間、漏極之間分別電連接；每組的負阻場效應管MSW的柵極與另一組場效應管的漏極電連接；每組場效應管的漏極通過一個電感與電源端相連；每組場效應管的漏極還各自通過一個壓控可變電容與控制電壓VC相連；每一個二次諧波注入鎖定分頻器中的每一組場效應管中的耦合場效應管MCP的柵極分別與另一個二次諧波注入鎖定分頻器中的一組場效應管的漏極耦合連接，並實現具有正交相位的四路輸出；每個二次諧波注入鎖定分頻器中每組場效應管的互連的源極之間還直接電連接，並與差分信號輸入處理電路或單端信號輸入處理電路的信號輸出端電連接。進一步，當輸入信號為差分信號時，所述差分信號輸入處理電路包括各主要由一隔直電容和一電壓電流轉換場效應管MB組成的兩條信號處理分路，每條信號處理分路的輸入信號經隔直電容連接到電壓電流轉換場效應管MB的柵極，該電壓電流轉換場效應管 MB的源極接地，其漏極作為一信號輸出端與所述一個二次諧波注入鎖定分頻器電連接。進一步，當輸入信號為單端信號時，所述單端信號輸入處理電路包括一隔直電容和兩對場效應管，輸入單端信號經隔直電容後與第一對的第一場效應管MBl的源極、第二場效應管MB2的漏極、柵極電連接在一起，第二場效應管MB2的源極接地，第一場效應管MBl的漏極作為一信號輸出端與所述一個二次諧波注入鎖定分頻器的兩組場效應管的源極電連接；第二對的第三場效應管MB3的柵極與第一對的第一場效應管MBl的柵極電連接， 第四場效應管MB4的柵極與第二場效應管MB2的柵極電連接，第三場效應管MB3的源極與第四場效應管MB4的漏極電連接，第四場效應管MB4的源極接地，第三場效應管MB3的漏極作為另一信號輸出端與所述另一個二次諧波注入鎖定分頻器的兩組場效應管的源極電連接。進一步，所述各場效應管的柵極還連接電壓偏置電路。進一步，所述各場效應管還可以更替為三極體，其中三極體的發射極、基極、集電極分別對應場效應管的漏極、柵極和源極。進一步，所述耦合連接的耦合係數為0. 5到1。本實用新型的創新點在於1、在注入鎖定分頻器中使用壓控可變電容，從而實現鎖相環中壓控振蕩器和除二分頻器的頻率範圍動態聯調。2、通過使用兩個同樣的二次諧波注入鎖定分頻器，通過適當的耦合方式，實現具有天然的正交相位的四路本振信號輸出。本實用新型的積極效果是由於本實用新型採用了兩個相同的二次諧波注入鎖定分頻器來分別實現I路和Q路的分頻，並通過適當的耦合方式來保證I路和Q路的相位正交性，採用壓控可變電容來在較寬的範圍內使除二分頻器的工作範圍動態地跟蹤本振產生電路的工作範圍，因而克服了現有的諧波注入鎖定分頻器的缺陷，提供了一種低功耗、高頻率、具有天然的正交相位本振信號輸出的，能夠實現可變的較寬的工作頻率範圍的除二分頻器。

圖1是現有技術的寬帶的基於主從D觸發器的除二電路原理圖圖2是現有技術的窄帶的基於諧波注入鎖定的除二電路原理圖圖3是本實用新型的耦合方式原理圖圖4是本實用新型採用差分輸入方式的電路原理圖圖5是本實用新型採用單端輸入方式的電路原理圖圖6是頻率綜合系統結構示意圖具體實施方式
以下結合附圖和實例進一步說明本實用新型的具體實施方式
。本實用新型的除二分頻器採用兩個相同的二次諧波注入鎖定分頻器，通過適當的耦合方式，實現具有天然的正交相位的四路本振信號輸出。兩個二次諧波注入鎖定分頻器的地位對等，在電路結構上都可作為第一或第二次諧波注入鎖定分頻器。其耦合方式的原理如圖3所示，一個對稱的振蕩器(對應本實用新型的一個二次諧波注入鎖定分頻器)一般有兩個輸出。兩個同樣的振蕩器在一定的連接方式下就可以實現它們四路輸出之間的正交性，也就是實現LOIP、LOIN、LOQP、LOQN的輸出。這種連接方式就是將振蕩器VC0_A的正端輸出一定的分量注入振蕩器VC0_B的正端輸入，而振蕩器VC0_A的負端輸出有一定的分量注入振蕩器VC0_B的負端輸入。在￥0)_8這邊正好反過來，將振蕩器VC0_B的正端輸出一定的分量注入振蕩器VC0_B的負端輸入，而振蕩器VC0_A的負端輸出有一定的分量注入振蕩器VC0_B的正端輸入。這種分量的循環注入就是這兩個同樣的振蕩器之間的耦合方式。輸出耦合器件放置的方式有多種，包括並聯于振蕩器的主反饋場效應管或者三極體，串聯與主場效應管或者三極體，或是使用主場效應管或者三極體的襯底進行耦合。信號輸入方式可以有兩種方式，一種是差分輸入，另一種是單端輸入。差分輸入使用的是對稱的完全一樣的放大電路作為信號輸入處理電路處理後輸送給除二分頻器，這種輸入一般需要隔直電容和內部的電壓偏置電路。如圖4所示，差分信號輸入處理電路包括各主要由一隔直電容和一電壓電流轉換場效應管MB組成的兩條信號處理分路，每條信號處理分路的輸入信號經隔直電容連接到電壓電流轉換場效應管MB的柵極，該電壓電流轉換場效應管MB的源極接地，其漏極作為一信號輸出端與所述一個二次諧波注入鎖定分頻器電連接。正端InP經一個電壓電流轉換場效應管MB轉換為正端電流，負端InN經另一個相同的場效應管轉換為負端電流。電壓偏置電路連接在各電壓電流轉換場效應管的柵極，圖中並未示出，但該電路是本領域技術人員所能知曉的。如圖5所示，當輸入信號為單端信號時，單端信號輸入處理電路包括一隔直電容和兩對場效應管，輸入單端信號經隔直電容後與第一對的第一場效應管MBl的源極、第二場效應管MB2的漏極、柵極電連接在一起，第二場效應管MB2的源極接地，第一場效應管MBl的漏極作為一信號輸出端與所述一個二次諧波注入鎖定分頻器的兩組場效應管的源極電連接；第二對的第三場效應管MB3的柵極與第一對的第一場效應管MBl的柵極電連接，第四場效應管MB4的柵極與第二場效應管MB2的柵極電連接，第三場效應管MB3的源極與第四場效應管MB4的漏極電連接，第四場效應管MB4的源極接地，第三場效應管MB3的漏極作為另一信號輸出端與所述另一個二次諧波注入鎖定分頻器的兩組場效應管的源極電連接。單端輸入使用AB級放大器的輸入方式，一端經第一場效應管MBl轉換成同相位電流而另一端經第二場效應管MB2的鏡像作用轉換成反相位電流。通過對偏置電流和器件尺寸的調節，可以實現50歐姆阻抗匹配輸入。同樣，電壓偏置電路連接在各場效應管的柵極。下面著重說明本實用新型除二分頻器的核心電路部分。在示圖中有源器件均用場效應管表示，實際情況中本實用新型的場效應管也可以更換為三極體。和圖5所示，本實用新型用於本振產生電路的除二分頻器，包括兩個結構相同的二次諧波注入鎖定分頻器；每個二次諧波注入鎖定分頻器包括兩個電感、兩個壓控可變電容和四個場效應管；其中，所述四個場效應管又以2個為一組，每組由一個起提供負阻作用的負阻場效應管MSW和一個起耦合作用的耦合場效應管MCP組成，這兩個場效應管的源極之間、漏極之間分別電連接；每組的負阻場效應管MSW的柵極與另一組場效應管的漏極電連接；每組場效應管的漏極通過一個電感與電源端相連；每組場效應管的漏極還各自通過一個壓控可變電容與控制電壓VC相連；每一個二次諧波注入鎖定分頻器中的每一組場效應管中的耦合場效應管MCP的柵極分別與另一個二次諧波注入鎖定分頻器中的其中一組場效應管的漏極耦合連接，即有一定分量注入另一個二次諧波注入鎖定分頻器，從而實現兩個二次諧波注入鎖定分頻器的相互耦合。每個二次諧波注入鎖定分頻器中每組場效應管的漏極作為該除二分頻器的一個輸出端，從而實現具有正交相位的四路輸出(Q+、Q_、I+、I")。每個二次諧波注入鎖定分頻器中每組場效應管的互連的源極之間還直接電連接， 並與差分信號輸入處理電路或單端信號輸入處理電路的信號輸出端電連接。這對負阻場效應管MSW有源器件的作用是提供一對負阻，用於補充振蕩過程中因為電感和電容的實阻部分而損失的能量，以保證振蕩器能持續振蕩下去，它們的尺寸決定振蕩器能否起振以及振蕩質量如何，如幅度和相位噪聲。而耦合場效應管MCP這對有源器件的作用是為這對對稱的二次諧波注入鎖定分頻器提供一個耦合的通道。其耦合如圖4和圖5中所示，由正向耦合和負向耦合兩部分構成。如果耦合係數定義為MCP跨導與MSW跨導之比，那麼可以推導出產生I路和Q路的正交相位誤差與耦合係數在兩個諧波注入鎖定分頻器的參數誤差比較小的情況下成反比關係。簡而言之就是MCP在溝道長度一定的情況下，溝道寬度越大，產生的本振信號IQ的正交性越好。但是MCP溝道寬度太大會帶來功耗的增加，所以要在比較好的正交性和比較低的功耗之間做出選擇，一般是取耦合係數為0. 5 到1。一般情況下二次諧波注入鎖定分頻器的工作頻率範圍都比較有限，通常是中心頻率的10%左右。如果輸入頻率高於或者低於這個範圍，分頻器就會失鎖，輸出信號的頻率與輸入信號的頻率不在遵循1/2的規律。在一些特定的應用中，比如說FM和模擬數位電視信號，頻道的覆蓋範圍遠遠超過了中心頻率的10%，這種情況下就要運用本實用新型的第二個重要方面，那就是在注入鎖定分頻器中使用壓控可變電容，從而實現鎖相環中壓控振蕩器和除二分頻器的頻率範圍動態聯調。如圖4和圖5所示，如果在注入鎖定分頻器中電容部分使用壓控可變電容。壓控可變電容的一端接在場效應管的漏極，一端接到一個控制電壓上。這樣控制電壓就可以調節壓控可變電容正負極之間的電壓，從而調節壓控可變電容的電容值。而壓控可變電容的電容值直接決定了二次諧波注入鎖定分頻器的中心頻率。頻率綜合器的關鍵器件是壓控振蕩器，而壓控振蕩器的輸出頻率是由加在其控制端的電壓決定的。根據壓控振蕩器的頻率增益係數的正負和二次諧波注入鎖定分頻器頻率增益係數的正負，壓控振蕩器的控制電壓可以直接或者經過極性和幅度轉換電路接到二次諧波注入鎖定分頻器的壓控可變電容的控制電壓上，如圖6所示。這樣就可以實現除二分頻器的工作頻率範圍對壓控振蕩器的輸入頻率的動態跟隨，從而實現比較大的工作範圍。以上對本實用新型的一個實施例進行了詳細說明，但所述內容僅為本實用新型的較佳實施例，不能被認為用於限定本實用新型的實施範圍。凡依本實用新型申請範圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬於本實用新型的專利涵蓋範圍之內。
權利要求1.一種用於本振產生電路的除二分頻器，其特徵在於包括兩個結構相同的二次諧波注入鎖定分頻器；所述每個二次諧波注入鎖定分頻器包括兩個電感、兩個壓控可變電容和四個場效應管；其中，所述四個場效應管又以2個為一組，每組由一個起提供負阻作用的負阻場效應管(MSW)和一個起耦合作用的耦合場效應管(MCP)組成，這兩個場效應管的源極之間、漏極之間分別電連接；每組的負阻場效應管(MSW)的柵極與另一組場效應管的漏極電連接；每組場效應管的漏極通過一個電感與電源端相連；每組場效應管的漏極還各自通過一個壓控可變電容與控制電壓(VC)相連；每一個二次諧波注入鎖定分頻器中的每一組場效應管中的耦合場效應管(MCP)的柵極分別與另一個二次諧波注入鎖定分頻器中的一組場效應管的漏極耦合連接，並實現具有正交相位的四路輸出；每個二次諧波注入鎖定分頻器中每組場效應管的互連的源極之間還直接電連接，並與差分信號輸入處理電路或單端信號輸入處理電路的信號輸出端電連接。
2.根據權利要求1所述的用於本振產生電路的除二分頻器，其特徵在於所述差分信號輸入處理電路包括各主要由一隔直電容和一電壓電流轉換場效應管(MB)組成的兩條信號處理分路，每條信號處理分路的輸入信號經隔直電容連接到電壓電流轉換場效應管(MB)的柵極，該電壓電流轉換場效應管(MB)的源極接地，其漏極作為一信號輸出端與所述一個二次諧波注入鎖定分頻器電連接。
3.根據權利要求1所述的用於本振產生電路的除二分頻器，其特徵在於所述單端信號輸入處理電路包括一隔直電容和兩對場效應管，輸入單端信號經隔直電容後與第一對的第一場效應管 (MBl)的源極、第二場效應管(MB》的漏極、柵極電連接在一起，第二場效應管(MB》的源極接地，第一場效應管(MBl)的漏極作為一信號輸出端與所述一個二次諧波注入鎖定分頻器的兩組場效應管的源極電連接；第二對的第三場效應管(MB； )的柵極與第一對的第一場效應管(MBl)的柵極電連接， 第四場效應管(MB4)的柵極與第二場效應管(MB》的柵極電連接，第三場效應管(MB3)的源極與第四場效應管(MB4)的漏極電連接，第四場效應管(MB4)的源極接地，第三場效應管 (MB3)的漏極作為另一信號輸出端與所述另一個二次諧波注入鎖定分頻器的兩組場效應管的源極電連接。
4.根據權利要求2或3所述的用於本振產生電路的除二分頻器，其特徵在於所述各場效應管的柵極還連接電壓偏置電路。
5.根據權利要求1、2或3任意一項所述的用於本振產生電路的除二分頻器，其特徵在於所述各場效應管還可以更替為三極體，其中三極體的發射極、基極、集電極分別對應場效應管的漏極、柵極和源極。
6.根據權利要求1、2或3任意一項所述的用於本振產生電路的除二分頻器，其特徵在於所述耦合連接的耦合係數為0. 5到1。
專利摘要本實用新型提供了一種新型寬頻除二分頻器，用於本振產生電路的除二分頻，包括兩個同樣的二次諧波注入鎖定分頻器，通過適當的耦合方式，實現具有天然的正交相位的四路本振信號輸出。本實用新型具有低功耗、高頻率的特點，且有天然的正交相位本振信號輸出，能夠實現可變的較寬工作頻率範圍的特點。
文檔編號H03L7/18GK202178757SQ20112030066
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月18日 優先權日2011年8月18日
發明者楊沛鋒 申請人:天津朗波微電子有限公司