实现环形振荡器注入锁定的方法及其电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于振荡器技术领域，具体涉及一种实现环形振荡器注入锁定的方法及其 电路。
【背景技术】
[0002] 随着现代信息技术的快速发展，对于高数据率和大带宽的通信技术要求日益强 烈，使得高速混合信号集成电路的发展在近些年来得到了极大的关注。作为高速系统核心 部件之一的分频器（frequency divider)在多工器、锁相环和频率合成器等电路中得到了 广泛的应用。
[0003]目前，工作在数十吉赫兹的分频器在芯片实现上主要采用三五族半导体工艺技 术，而采用传统的CMOS工艺技术实现高速分频器却仍是一个挑战，后者往往需要以高功耗 为代价来获得高的工作频率。在无线通信领域，低功耗设计已成为各种通信系统对电路设 计的必然要求。近年来，注入锁定分频器以其高速低功耗的特性，受到了广泛关注与研究。
[0004] 注入锁定（injection locking)是外界施加周期性射频信号到自由振荡的振荡器 上引起串扰、而当串扰较强且外部周期性射频信号的频率非常接近振荡器的固有频率或该 固有频率的某一谐波时，振荡器频率同步于该外部周期性射频信号频率的物理现象。假设 外部周期性射频信号以％频率被注入到自由振荡频率为ω ^的振荡器，当ω ω ^差别 较大时，振荡器的输出包含两频率组成的差拍频率（beat frequency)的信号。当ωι接近 ，差拍频率随之下降；当ωι进入锁定范围（locking range)时，差拍现象消失且振荡器 将在％频率进行振荡。此外，当ω i接近ω ^的谐波或子谐波（即，ηω ^或l/ηω J时，也 会发生注入锁定现象，注入锁定分频器就是利用该谐波锁定原理来进行设计的。
[0005] 注入锁定分频器主要由注入锁定振荡器组成，注入锁定振荡器大致上可以分为两 种，一种是LC注入锁定振荡器，另一种是RC负载注入锁定环形振荡器。LC注入锁定振荡器 能提供非常高的工作频率和低的功耗，但是其锁定范围比较窄，而且由于LC储能电路中片 上电感的存在，需要占据很大的芯片面积。相比较LC注入锁定振荡器，RC负载注入锁定环 形振荡器有更低的品质因子Q值，因此RC负载注入锁定环形振荡器能提供比LC注入锁定 振荡器更宽的锁定范围。同时，RC负载注入锁定环形振荡器有较低的功耗和更小的芯片面 积，但是振荡频率却比较低。
[0006] 宽锁定范围和高注入效率的注入锁定振荡器的设计已成为当前的研究热点和难 点。在实际应用中，注入锁定振荡器需要足够宽的注入锁定范围来减轻由芯片工艺制程、电 源电压和温度（PVT)的扰动所带来的注入失效风险，同时使输出相位噪声最小化。如何提 高注入锁定振荡器的锁定范围和注入效率，关键在于如何实现外部周期性射频信号注入的 注入技术（injection technique)。在注入锁定环形振荡器中，实现注入锁定常用的两种注 入技术是尾式注入（tail injection)和直接注入（direct injection)。
[0007] 图1和图2给出 了非专利文献（Stefano Dal Toso，Marc Tiebout，VOL. 58, NO. 7, JULY2010)中对注入锁定分频器的两种注入方式的示意图。
[0008] 在图1中，尾式注入方式作为传统的注入方式，是将外部周期性射频信号Vinj注 入到环形振荡器某一级反相器单元的注入管即尾电流管Mtail的栅极，进行注入锁定。在 很高的工作频率下，外部周期性射频信号经注入管Mtail的跨导转化成的注入电流Itail 将部分消失在该注入管Mtail的寄生电容中，显著降低尾电流管Mtail注入的效率；而 且，尾电流管Mtail除了作为注入管还需要为该差分反相器单元提供偏置，因此其版图尺 寸较大。为了缓解因注入管寄生电容而带来的注入能量损耗，非专利文献（Liang-Hung Lu，V0L. 15，N0. 10,0CT0BER2005)在注入管Mtail加上并联电感Lshunt，利用该并联电感和 注入管寄生电容在注入外部周期性射频信号频率附近的谐振来提高注入效率，但并联电感 显然会使尾式注入的尺寸大大增加。另外一种更为直接有效的注入方式如图2所示，该直 接注入方式无需利用反相器单元的尾电流管作为注入管，而是另外增加一个晶体管Μιη]作 为注入管，直接将外部周期性射频信号Vin]注入到新增注入管的栅极，经注入管转化成的注 入电流直接进入振荡器的谐振腔。由于注入管Minj无需提供偏置功能，因此可以设计成较 小的尺寸。同时，由于更直接有效的注入方式，避免了寄生电容对注入效率的影响，锁定范 围也因此相对较大。
[0009] 更多的专利文献和非专利文献关注于环形振荡器两种注入技术之外的 延伸拓展，以期获得更为理想的锁定范围与注入效率。非专利文献（Liang-Hung Lu, VOL. 15, NO. 10, 0CT0BER2005)对比以前的单端型（single-ended)注入方式，采用 差模型（differential-mode)注入方式，将差模信号注入到环形振荡器相邻两级反 相器的尾式注入管，获得了更高的注入效率和更宽的锁定范围。非专利文献（J.-C. Chien, L. -H. Lu, V0L. 42, N0. 9, SEPTEMBER 2007)和（A. Mirzaei, M. Heidari, R. Bagheri，A. Abidi，VOL. 43, NO. 3, MARCH 2008)将注入节点由单端型注入方式的单节点或差模型注 入方式的双节点扩展至多节点，各节点都注入相同频率和相同幅度的外部注入信号，且 相邻两节点的外部注入信号保持等相位差，这种注入方式称为渐进相位多节点注入方式 (multiple-node injection in progressive phases)，其特点在于多节点注入和多相位注 入，能获得很高的注入效率和很宽的注入锁定范围。然而，当多相位注入输入的相位差偏离 其最佳值的情况下，渐进相位多节点注入方式的注入锁定范围将变小甚至比单端型注入方 式的还要小。同时，实现多节点注入需要多个信号输入端进行注入，不利于环形振荡器的集 成化和微型化。因此，非专利文献（Xiang Yi，Chirn Chye Boon, Manh Anh Do, Kiat Seng Yeo, VOL. 21，NO. 10, OCTOBER 2011)引入对称的注入电路结构，能将单节点上单相位输入端 注入的信号转化成多相位注入进行注入锁定，实现了单节点多相位注入方式。对于N阶环 形振荡器，引入的对称注入电路结构包含（Ν(Ν-1)/2)个注入晶体管，因此该技术是以增加 注入晶体管的数量为代价减少了多相位注入的输入端，在一定程度上减小了尺寸，方便了 注入锁定的应用。此外，专利文献（CN 102356547 A)和非专利文献（Supeng Liu, Yuanjin Zheng，V0L. 25, NO. 5, MAY 2015)采用了复合注入技术，该技术同时包含尾式注入和直接注 入两种注入技术，以实现更理想的环形振荡器注入锁定。
[0010] 然而，上述现有技术存在了如下问题：
[0011] (1)现有技术需要引入额外的注入信号输入端，将外部周期性射频信号通过该注 入信号输入端注入到环形振荡器注入管的栅极，特别是多节点注入技术需要引入多个额外 的注入信号输入端，不利于注入锁定环形振荡器的集成化与微型化；
[0012] (2)现有技术大多需要在原环形振荡器中加入额外设计的由注入管等器件组成的 注入电路，用于注入路径的改善等，以此提高注入效率与锁定范围。因此，现有技术存在的 介入性特点，导致无法对已流片的环形振荡器添加注入电路，进行注入锁定。
【发明内容】
[0013] 为了解决上述问题，本发明的第一目的是提供一种非介入性的实现环形振荡器注 入锁定的方法，无需引入额外的注入电路和额外的信号输入引脚就可以实现注入锁定。
[0014] 为实现上述目的，本发明按以下技术方案予以实现的：
[0015] 本发明所述的实现环形振荡器注入锁定的方法，将外部周期性射频信号耦合到环 形振荡器单元的电源引脚；其中，所述外部周期性射频信号的注入频率ωιη]与环形振荡器 自由振荡频率ω。的注入范围关系为：〇. 9 ω。〈 ω inj/n〈 ω。，其中，η为正整数，表不尚次谐波 的次数；所述外部周期性射频信号的注入强度Αιη]的范围是：0〈A in]〈0. 5VDD，其中VDD为无干 扰时环形振荡器的电源电压。
[0016] 进一步地，所述电源引脚为注入信号输入端。
[0017] 为了解决上述问题，本发明的第二目的是提供一种注入锁定的环形振荡器电路， 具有简单、便捷地实现注入锁定的特点，无需另外额外设置输入信号的输入端，从而保证了 集成化和微型化的特点。
[0018] 为实现上述目的，本发明按以下技术方案予以实现的：
[0019] 本发明所述的注入锁定的环形振荡器电路，包括串联连接的环形振荡器单元，所 述环形振荡器单元的电源引脚处耦合有外部周期性射频信号源；所述外部周期性射频信号 的注入频率ω inj与环形振荡器自由振荡频率ω。的注入范围关系为：〇. 9 ω。〈 ω inj/n〈 ω。， 其中，η为正整数，表示高次谐波的次数；所述外部周期性射频信号的注入强度Αιη]的范围 是：0〈Ainj〈0. 5VDD，其中VDD为无干扰时环形振荡器的电源电压。
[0020] 进一步地，所述环形振荡器单元为奇数个反相器通过级联形成的回路。
[0021] 进一步地，所述环形振荡器单元包括串联连接的反相器回路和输出缓冲电路；所 述反相器回路是由奇数个反相器通过级联形成的回路。
[0022] 进一步地，所述反相器为单端信号型反相器。
[0023] 进一步地，所述单端信号型反相器由N沟道金属氧化物半导体型晶体管和P沟道 金属氧化物半导体型晶体管组成。
[0024] 进一步地，所述环形振荡器单元为环形振荡器、可配置逻辑块和可编程开关矩阵 组成的FPGA可编程芯片。
[0025] 进一步地，所述环形振荡器单元为环形振荡器组成的ASIC专用集成电路芯片。<