阅读说明：本技术 一种带有耦合分立振荡器的注入锁定分频器电路结构 (A kind of injection locking frequency divider circuit structure with the discrete oscillator of coupling ) 是由 唐路 蔡婧怡 张有明 唐旭升 刘朋 朱亚青 于 2019-08-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种带有耦合分立振荡器的注入锁定分频器电路结构,属于射频无线接收机集成电路技术领域,具体为一种高频率,宽锁定范围的注入锁定分频器电路,该注入锁定分频器电路包括：一个电流源,两个耦合电感和晶体管组成的两个振荡器,信号注入部分,输出信号缓冲部分。本设计通过使用耦合电感提高了工作频率并且拓宽了锁定范围,通过选择合适的注入晶体管的尺寸以及直流偏置可以达到最佳的振荡频率,实现更宽的锁定范围,且不会增加芯片面积和直流功耗。(The invention discloses a kind of with the injection locking frequency divider circuit structure for coupling discrete oscillator, belong to wireless radiofrequency receiver ic technical field, specially a kind of high-frequency, the injection locking frequency divider circuit of wide lock-in range, the injection locking frequency divider circuit includes: a current source, two oscillators of two coupling inductances and transistor composition, signal inject part, output signal buffer portion.The design improves working frequency by using coupling inductance and has widened lock-in range, it can achieve optimal frequency of oscillation by the size and direct current biasing that select suitable injection transistor, it realizes broader lock-in range, and not will increase chip area and DC power.)

一种带有耦合分立振荡器的注入锁定分频器电路结构

技术领域

本发明为一种带有耦合分立振荡器的注入锁定分频器电路，涉及集成电路芯片领域。

背景技术

分频器(frequency divider)在锁相环(phase locked loop，PLL)中，扮演着极为重要的角色，且在无线通讯系统中亦是关键电路。在高速锁相环中，分频器常用三种结构，电流模逻辑(CML)分频器，米勒分频器，注入锁定分频器(ILFD)。CML分频器锁定范围宽，占用芯片面积小，但是直流功率较大且工作频率较低。米勒分频器在直流功率和工作频率方面性能优于CML分频器，但其分频范围依旧不够宽。注入锁定分频器是所有三种常用高速分频器中分频频率最高，直流功耗最小的，同时也是分频范围最窄的。因此，拓展注入锁定分频器的分频范围是设计出优质高频分频器的重要条件之一。

注入锁定分频器是一种基于注入锁定现象的分频器，由于其锁定原理的限制其分频带宽通常较窄。目前在注入锁定分频器的设计中，现有几种常用的改进带宽，即锁定范围的技术。论文(Masafumi KAZUNO，Mizuki MOTOYOSHI,Suguru KAMEDA，Noriharu SUEMATSU,“A 18.6GHz Locking Range,60GHz Band Varactor-Tuned Injection Locked FrequencyDivider in 65nm CMOS”，2017IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium，参考文献1)在振荡器中加入可变电容，使振荡器的自谐振频率可调，从而拓宽了锁定范围。这种方法虽然可以改进分频范围，但是增加了直流功耗，且由于可变电容的两端电压可调范围较小，改进效果并不理想。

论文(Jen-Hao Cheng,Jeng-Han Tsai，Member,and Tian-Wei Huang,“Design ofa 90.9％Locking Range Injection-Locked Frequency Divider With Device RatioOptimization in 90-nm CMOS”,IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques,VOL.65,NO.1,January 2017，参考文献2)通过电感峰化法，将电感器与注入混频器串联或并联***可以增强跨导，虽然扩大了锁定范围，但由于多加了两个电感，大幅地增加了芯片面积。

另一种拓宽锁定范围的有效方法是双注入技术，论文(Faen Liu，Zhigong Wang，Zhiqun Li，Qin Li，and Geliang Yang，“A 26–47.9GHz Ultrawideband CMOS DualInjection-Locked Frequency Divider”，Microwave and Optical Technology Letters/Vol.56，No.9，September 2014，参考文献3)采用向谐振腔注入信号的基础上增加一个尾管同时注入，增加了输入节点的阻抗，此方法虽然未增加芯片面积，但增加了直流功耗，且双注入增加了版图布局的难度，分频频率也未得到提高。

综上所述，目前现有的注入锁定结构很难同时拥有低直流功耗，较小的版图面积，较宽的锁定范围，以及较高的锁定频率。

发明内容

发明目的：本发明为解决目前现有的注入锁定结构很难同时拥有低直流功耗，较小的版图面积，较宽的锁定范围，以及较高的锁定频率的问题，本发明提出了一种带有耦合分立振荡器的注入锁定分频器电路。

技术方案：本发明的一种带有耦合分立振荡器的注入锁定分频器电路结构，包括振荡器部分，用于对注入的信号产生相应的分频信号，所述振荡器部分包括两个完全相同的谐振腔，交叉耦合对管和电感以及对管和电感构成两个LC谐振腔，两个谐振腔通过耦合电感耦合构成并联LC谐振网络，产生分频信号，通过调整耦合电感的耦合系数对分频器的分频范围进行调整。

进一步的，本发明还包括

电源部分，用于向振荡器部分提供电源；

注入锁定部分，用于注入信号到振荡器部分内；

输出缓冲部分，用于隔离振荡器部分的输出负载效应，放大输出功率。

进一步的，所述电源部分包括电流源，所述电流源包括第一MOS管，所述第一MOS管的栅极接收偏置电压，漏极连接电源电压，源极耦接两个耦合电感。

进一步的，所述注入锁定部分包括第二MOS管，第一电容和电阻；所述第二MOS管等效于电阻，所述电阻和第二电容均与第二MOS管的栅极相连，该第二MOS管通过电阻输入直流偏置，通过第一电容输入交流信号。

进一步的，所述输出缓冲部分包括源极放大器。

进一步的，所述源极放大器包括第三MOS管、第一电感和第二电容，所述第三MOS管的栅极与耦合电感的第二个线圈相连，其源极接地，其漏极与第二电容连接作为输出端，且其漏级还与第一电感相连，第一电感另一端接入电源。

有益效果：本发明的带有耦合分立振荡器的注入锁定分频器电路与其他设计相比，在振荡器上进行改进，并加上了电流源，获得了更高的振荡频率，更宽的锁定范围以及更小的版图面积。

附图说明

图1为本发明的耦合分立振荡器电路；

图2为本发明的耦合电感版图；

图3为传统分频器的等效原理图；

图4为本发明的耦合分立振荡器的等效电路图；

图5为本发明的带有耦合分立振荡器的注入锁定分频器电路完整结构图。

具体实施方式

实施例：

如图3所示，本实施例的带有耦合分立振荡器的注入锁定分频器电路，其电路结构包括：一个电流源，耦接两个谐振腔，用于向振荡器提供电源；一个注入锁定部分，用于注入信号到谐振腔内；两个谐振腔，用于对注入的信号产生相应的分频信号；两个输出缓冲，用于提升输出信号的功率，注入的信号频率为分频信号频率的2倍。

具体的，本实施例的电流源向振荡器提供稳定的电流，提高分频器的工作稳定性，且提高输入节点的阻抗，减轻了前级电路的设计挑战，具体包括第一MOS管M₅，其栅极注入稳定的偏置电压，漏极连接电源电压，源极耦接耦合电感L₁和耦合电感L₂。

如图1所示，本实施例的振荡器部分是由两个完全相同的谐振腔通过交叉耦合对管M₁，M₂和电感L₁以及对管M₃、M₄和电感L₂构成两个LC谐振腔，两个谐振腔通过耦合电感L₁，L₂耦合构成并联LC谐振网络，产生分频信号；电感L₁和电感L₂相互耦合，其版图如附图2所示，由于电感的耦合使得两个谐振腔可以自谐振在不同频率。

本实施例的注入锁定部分采用直流和交流信号分开注入的方式，直流信号通过电阻R₁输入到第二MOS管M_i中，交流信号通过第一电容C₁隔直后输入第二MOS管M_i，保证了注入管一直在饱和区，信号被更好地注入到振荡器中。具体结构包括：第二MOS管M_i，第一电容C₁，电阻R₁。第二MOS管M_i等效于电阻，电阻R₁端用于输入直流偏置，控制V_gs以达到最大的分频范围，第一电容C₁端用于输入交流信号，电容C₁的功能是隔绝输入信号的直流信号，只留下交流信号。

本实施例的输出缓冲部分包括：第三MOS管M_B1、第三MOS管M_B2、第一电感L_B1、第一电感L_B2、第二电容C_B1和第二电容C_B2，形成两个源级放大器作为输出缓冲部分，用于隔离振荡器的输出负载效应，并放大输出功率，该输出缓冲部分连接到耦合电感L₂的第二个线圈，以平衡变压器两侧的总电容。

假设L₁＝L₂＝L/2，交叉耦合晶体管对等效电容为C/2，那么自谐振频率为：

k为两个电感L₁，L₂的耦合系数

工作在低频时，两个耦合电感L₁、L₂的电流是同向的，工作在高频时，电流是反向的，导致了更大的电感损失，因此振荡器通常工作在较低频率。

而传统分频器自谐振频率为：

因此即使工作在较低频率，本实施例的分频器的自谐振频率也会相较于传统分频器更加高一些。

传统分频器的等效原理图如图3所示，在传统注入锁定分频器中，由于相位条件限制，传统输入信号的最大相移为：

其中，Q为电感的品质因数，

本发明振荡器的等效原理图如图4左半边电路图所示，其中，L₁＝L₂＝L/2,C₁＝C₂＝C/2，其中变压器可以等效为一个电感L’，C₂等效为C₂’，输入阻抗可计算为：

因此，等效电感L’以及等效电容C₂’可分别表示为：

L’＝L/2 (7)

将L’和C’带入到式(5)中可得到本设计的I_out,_ω

由式(4)可得

因此本发明中的最大相移约为传统分频器的即分频器锁定范围为传统分频器的倍。

本实施例通过改变原本的振荡器结构，将原本的单个电感的振荡器结构改为两个耦合连接的谐振腔，并加入一个稳定电流源。本实施例中的谐振腔由于耦合电感的加入，自谐振频率将高于传统振荡器，因此提高了分频频率。且本实施例中的振荡器腔体电容小于传统分频器中振荡器电容，扩大了原本的锁定范围，并且可以通过调整变压器的耦合系数对分频器的分频范围进行调整。且相较于传统分频器加入了一个尾管电流源，向腔体提供了稳定而有持续的电流。