基于mems宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环，包括MEMS宽频带相位检测器、温度补偿电阻R、直流自动增益控制AGC放大器、第一压控振荡器VCO1、第二压控振荡器VCO2、第一可变电阻R1和第二可变电阻R2。本发明的有益效果为：锁相环具有宽频带特性，可以实现对不同频率的参考信号的锁定；通过可变电阻对压控振荡器电压的控制和对直流自动增益控制AGC放大器增益的控制，实现对参考信号和反馈信号的同步调节，即便在电路存在波动的情况下也能实现锁定；具有温度补偿特性，在温度发生变化时，能够消除温度变化对锁相环状态的影响，具有温度稳定性；结构简单新颖，操作方便，与GaAs单片微波集成电路兼容。
【专利说明】
基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环
技术领域
[0001]本发明涉及微电子机械系统领域，尤其是一种基于MEMS宽频带相位检测器和温度 补偿电阻的锁相环。
【背景技术】
[0002] 锁相环是一种利用反馈控制原理实现频率及相位同步的技术，通过反馈系统来调 节输出频率，达到输出信号与参考信号两者同频、相位差恒定的锁定状态。锁相环技术在众 多领域，如无线通信、雷达、数字电视中有着广泛的应用。
[0003] 现有技术中，锁相环大多是针对单个频点的锁定，无法满足宽带通讯系统的需求。 此外，温度稳定性也是对锁相环的基本要求之一。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种结构合理的基于MEMS宽频带相位检测 器和温度补偿电阻的锁相环，实现宽频带范围内不同频率信号的锁定，并避免温度变化对 锁相环的影响。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明提供一种基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电 阻的锁相环，包括MEMS宽频带相位检测器、温度补偿电阻R、直流自动增益控制AGC放大器、 第一压控振荡器VC01、第二压控振荡器VC02、第一可变电阻Rl和第二可变电阻R2;温度补偿 电阻R与直流自动增益控制AGC放大器的基极偏置电阻R b并联；电源Ve通过第一可变电阻Rl 加载到第一压控振荡器VCOl上，同时通过第二可变电阻R2加载到直流自动增益控制AGC放 大器上；第一压控振荡器VCOl产生参考信号，通过调节第一可变电阻Rl的大小改变第一压 控振荡器VCOl的频率;参考信号和反馈信号分别加载到MEMS宽频带相位检测器的地线2和 CPW信号线3组成的两个对称的输入端口，得到与相位差有关的直流电压V，直流电压V输入 直流自动增益控制AGC放大器，放大后的信号为第二压控振荡器VC02的控制电压V c2，第二压 控振荡器VC02的输出信号为锁相环的反馈信号;调节第二可变电阻R2的大小控制直流自动 增益控制AGC放大器的增益，调节第二压控振荡器VC02的控制电压，控制反馈信号的频率； 同步调节第一可变电阻Rl和第二可变电阻R2,使第一压控振荡器VCOl和第二压控振荡器 VC02的输出频率相同，完成对不同频率的参考信号的锁定。
[0006] 优选的，当环境温度升高时，MEMS宽频带相位检测器输出的直流电压V变大，温度 补偿电阻R及其与R b的并联电阻也会增大，导致直流自动增益控制AGC放大器的基极电位降 低，增益减小，补偿直流电压V变大带来的影响，同时调节第二可变电阻R2,使直流自动增益 控制AGC放大器的输出电压V c2保持稳定，不受温度变化的影响;温度降低时，温度补偿电阻R 及其与Rb的并联电阻减小，基极电位升高，直流自动增益控制AGC放大器的增益变大，补偿 直流电压V变小带来的影响，同时调节第二可变电阻R2，使直流AGC放大器的输出电压￥以保 持稳定，锁相环具有温度稳定性。
[0007] 优选的，电源Ve通过可变电阻第一可变电阻Rl和第二可变电阻R2分别加载到第一 压控振荡器VCOl和直流自动增益控制AGC放大器上，第一压控振荡器VCOl在由第一电阻Rl 调节的控制电压Vq的控制下，输出参考信号，通过调节第一电阻Rl，控制参考信号的频率； 参考信号和反馈信号通过输入端口输入MEMS宽频带相位检测器后，首先通过功合器进行矢 量合成，合成信号通过热电式功率传感器转化为与相位差有关的直流电压V，经直流输出电 极11输出，此直流电压V可以表示为: 7 = Do艰，其中κ为与输入信号幅度有关 的系数，ω为参考信号角频率，ωbac;k为反馈信号角频率，取为固有相位差;MEMS宽频带相 位检测器输出的直流电压V通过第一端口 14输入至直流自动增益控制AGC放大器进行放大， 放大后的直流电压VC2可以表示为:= , - u+令)，其中A为直流自动增益控制AGC 放大器的增益系数，放大后的直流电压Vc2为第二压控振荡器VC02的控制电压，通过第二端 口 15控制第二压控振荡器VC02的输出频率，压控振荡器输出频率ω。可以通过下式表达： Α??) 十=Π = Π ^ , V 1)，通过调节第二可变电阻R2，改变直流自动增益控制AGC at 放大器的直流偏置电源Vc实现对增益系数A的调节，从而改变第二压控振荡器VC02的控制 电压及其相应的输出信号的频率;第二压控振荡器VC02的输出信号为锁相环的反馈信号， 通过第三端口 16输入MEMS宽频带相位检测器;通过同步控制第一可变电阻Rl和第二可变电 阻R2,可使第一压控振荡器VCOl和第二压控振荡器VC02的输出频率相等，反馈信号和参考 信号的频率一致，相位差恒定，完成锁定，得到在宽频带范围内工作的锁相环。
[0008] 优选的，MEMS宽频带相位检测器在不同频率下的输出直流电压V存在波动的情况 下，依然可以通过调节第一可变电阻Rl和第二可变电阻R2来实现环路的锁定，使得W back = ω。= ω ref，锁定后的信号通过第四端口 17输出。
[0009] 优选的，MEMS宽频带相位检测器以GaAsl为衬底，包括功合器和热电式功率传感 器，功合器包括地线2、CPW信号线3、第一 ACPS传输线4、第二ACPS传输线5、第三ACPS传输线6 和隔离电阻7,热电式功率传感器包括终端电阻8、热电堆半导体臂9、热电堆金属臂10、直流 输出电极11 ;MEMS宽频带相位检测器以GaAs为衬底，地线2与CPW信号线3构成功合器的输入 和输出端口，第一ACPS传输线4、第二ACPS传输线5和第三ACPS传输线6相级联，隔离电阻7分 别设置在第一 ACPS传输线4、第二ACPS传输线5和第三ACPS传输线6的末端，终端电阻8设置 在CPW信号线3的输出端口处，热电堆半导体臂9与热电堆金属臂10依次连接，构成热电堆， 直流输出电极11连接在热电堆两端。
[0010] 优选的，第一ACPS传输线4的特征阻抗为Zl，第二ACPS传输线5的特征阻抗为Z2,第 三ACPS传输线6的特征阻抗为Z3。
[0011] 本发明的有益效果为:锁相环具有宽频带特性，可以实现对不同频率的参考信号 的锁定;通过可变电阻对压控振荡器电压的控制和对直流自动增益控制AGC放大器增益的 控制，实现对参考信号和反馈信号的同步调节，即便在电路存在波动的情况下也能实现锁 定;具有温度补偿特性，在温度发生变化时，能够消除温度变化对锁相环状态的影响，具有 温度稳定性;结构简单新颖，操作方便，与GaAs单片微波集成电路兼容。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明的锁相环俯视图。
[0013]图2是本发明的锁相环的A-A '向剖面图。
[0014] 图3是本发明的锁相环的B-B'向剖面图。
[0015] 图4是本发明的锁相环的C-C'向剖面图。
【具体实施方式】
[0016] 如图1、2、3和4所示，一种基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环， 包括MEMS宽频带相位检测器、温度补偿电阻R、直流自动增益控制AGC放大器、第一压控振荡 器VCOl、第二压控振荡器VC02、第一可变电阻Rl和第二可变电阻R2;温度补偿电阻R与直流 自动增益控制AGC放大器的基极偏置电阻R b并联；电源Ve通过第一可变电阻Rl加载到第一压 控振荡器VCOl上，同时通过第二可变电阻R2加载到直流自动增益控制AGC放大器上;第一压 控振荡器VCOl产生参考信号，通过调节第一可变电阻Rl的大小改变第一压控振荡器VCOl的 频率;参考信号和反馈信号分别加载到MEMS宽频带相位检测器的地线2和CPW信号线3组成 的两个对称的输入端口，得到与相位差有关的直流电压V，直流电压V输入直流自动增益控 制AGC放大器，放大后的信号为第二压控振荡器VC02的控制电压V c2，第二压控振荡器VC02的 输出信号为锁相环的反馈信号；调节第二可变电阻R2的大小控制直流自动增益控制AGC放 大器的增益，调节第二压控振荡器VC02的控制电压，控制反馈信号的频率；同步调节第一可 变电阻Rl和第二可变电阻R2,使第一压控振荡器VCOl和第二压控振荡器VC02的输出频率相 同，完成对不同频率的参考信号的锁定。
[0017] 当环境温度升高时，MEMS宽频带相位检测器输出的直流电压V变大，温度补偿电阻 R及其与Rb的并联电阻也会增大，导致直流自动增益控制AGC放大器的基极电位降低，增益 减小，补偿直流电压V变大带来的影响，同时调节第二可变电阻R2,使直流自动增益控制AGC 放大器的输出电压Vc2保持稳定，不受温度变化的影响;温度降低时，温度补偿电阻R及其与 Rb的并联电阻减小，基极电位升高，直流自动增益控制AGC放大器的增益变大，补偿直流电 压V变小带来的影响，同时调节第二可变电阻R2，使直流AGC放大器的输出电压V c2保持稳定， 锁相环具有温度稳定性。
[0018] 电源Ve通过可变电阻第一可变电阻Rl和第二可变电阻R2分别加载到第一压控振 荡器VCOl和直流自动增益控制AGC放大器上，第一压控振荡器VCOl在由第一电阻Rl调节的 控制电压Vci的控制下，输出参考信号，通过调节第一电阻Rl，控制参考信号的频率;参考信 号和反馈信号通过输入端口输入MEMS宽频带相位检测器后，首先通过功合器进行矢量合 成，合成信号通过热电式功率传感器转化为与相位差有关的直流电压V，经直流输出电极11 输出，此直流电压V可以表示为，= D0s(OHni)/ +約，其中K为与输入信号幅度有关的系 数，coref为参考信号角频率，Coback为反馈信号角频率，为固有相位差;MEMS宽频带相位检 测器输出的直流电压V通过第一端口 14输入至直流自动增益控制AGC放大器进行放大，放大 后的直流电压VC2可以表示为:I _= +岭，其中A为直流自动增益控制AGC放大 器的增益系数，放大后的直流电压Vc2为第二压控振荡器VC02的控制电压，通过第二端口 15 控制第二压控振荡器VC02的输出频率，压控振荡器输出频率ω。可以通过下式表达： ^ = .= AU )Η-的，通过调节第二可变电阻R2，改变直流自动增益控制AGC dt " 7 放大器的直流偏置电源Vc实现对增益系数A的调节，从而改变第二压控振荡器VC02的控制 电压及其相应的输出信号的频率;第二压控振荡器VC02的输出信号为锁相环的反馈信号， 通过第三端口 16输入MEMS宽频带相位检测器;通过同步控制第一可变电阻Rl和第二可变电 阻R2,可使第一压控振荡器VCOl和第二压控振荡器VC02的输出频率相等，反馈信号和参考 信号的频率一致，相位差恒定，完成锁定，得到在宽频带范围内工作的锁相环。
[0019] MEMS宽频带相位检测器在不同频率下的输出直流电压V存在波动的情况下，依然 可以通过调节第一可变电阻Rl和第二可变电阻R2来实现环路的锁定，使得O back=COci = ω ，锁定后的信号通过第四端口 17输出。
[0020] MEMS宽频带相位检测器以GaAsl为衬底，包括功合器和热电式功率传感器，功合器 包括地线2、CPW信号线3、第一 ACPS传输线4、第二ACPS传输线5、第三ACPS传输线6和隔离电 阻7,热电式功率传感器包括终端电阻8、热电堆半导体臂9、热电堆金属臂10、直流输出电极 11 ;MEMS宽频带相位检测器以GaAs为衬底，地线2与CPW信号线3构成功合器的输入和输出端 口，第一ACPS传输线4、第二ACPS传输线5和第三ACPS传输线6相级联，隔离电阻7分别设置在 第一 ACPS传输线4、第二ACPS传输线5和第三ACPS传输线6的末端，终端电阻8设置在CPW信号 线3的输出端口处，热电堆半导体臂9与热电堆金属臂10依次连接，构成热电堆，直流输出电 极11连接在热电堆两端。
[0021 ]第一ACPS传输线4的特征阻抗为Zl，第二ACPS传输线5的特征阻抗为Z2，第三ACPS 传输线6的特征阻抗为Z3。
[0022]本发明的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环的制备方法如下： [0023] 1)准备GaAs衬底:选用外延的半绝缘GaAs衬底，其中外延N+GaAs的
[0024] 掺杂浓度为IO18Cnf3，其方块电阻值为100~130 Ω /□;
[0025] 2)光刻并隔离外延的N+GaAs，形成热电堆的半导体热偶臂和温度补偿电阻的图形 以及欧姆接触区；
[0026] 3)反刻N+GaAs，形成其掺杂浓度为IO17Cnf3的热电堆的半导体热偶臂和温度补偿 电阻；
[0027] 4)光刻:去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；
[0028] 5)溅射金锗镍/金，其厚度共为2700A;
[0029] 6)剥离，形成热电堆的金属热偶臂；
[0030] 7)光刻:去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；
[0031] 8)溅射氮化钽，其厚度为Ιμπι;
[0032] 9)剥离；
[0033] 10)光刻:去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；
[0034] 11)蒸发第一层金，其厚度为0·3μπι;
[0035] 12)剥离，形成CPW信号线、ACPS信号线、地线、直流输出电极和金属连接线；
[0036] 13)反刻氮化钽，形成终端电阻，其方块电阻为25 Ω/口；
[0037] 14)蒸发钛/金/钛，其厚度为500/1500/300Α:蒸发用于电镀的底金；
[0038] 15)光刻:去除要电镀地方的光刻胶；
[0039] 16)电镀第二层金，其厚度为2μπι;
[0040] 17)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成CPW信号线、ACPS信号线、地线、直流输出电极和 金属连接线；
[0041 ] 18)将该GaAs衬底背面减薄至100μL?;
[0042] 19)将制备的MEMS宽频带相位检测器与其它电路元件相连，构成锁相环。
[0043]区分是否为该结构的标准如下：
[0044]本发明的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环包含MEMS宽频带 相位检测器，温度补偿电阻R，直流自动增益控制AGC放大器，第一压控振荡器VCOl和第二压 控振荡器V⑶2,第一可变电阻Rl和第二可变电阻R2 JEMS宽频带相位检测器通过三节传输 线级联结构实现宽带特性。直流电源Ve通过第一可变电阻Rl和第二可变电阻R2分别连接到 第一压控振荡器VCOl和直流自动增益控制AGC放大器上，参考信号由第一压控振荡器VCOl 产生，通过调节第一可变电阻Rl的大小来控制参考信号的频率。参考信号和反馈信号通过 MEMS宽频带相位检测器后输出包含相位差信息的直流电压V，经直流自动增益控制AGC放大 器进行放大，产生第二压控振荡器VC02的控制电压Vu，直流自动增益控制AGC放大器的增益 由第二可变电阻R2控制，通过调节第二可变电阻R2的大小便可控制反馈信号的频率，同步 调节第一可变电阻Rl和第二可变电阻R2使第一压控振荡器VCOl和第二压控振荡器VC02的 输出频率一致，完成锁定，实现在宽频带范围内工作的锁相环。温度补偿电阻R的材料与热 电堆半导体臂的材料同为N+GaAs，该材料电阻随温度升高而增大，随温度降低而减小。R与 直流自动增益控制AGC放大器中基极偏置电阻R b并联。温度升高时，MEMS宽频带相位检测器 输出的直流电压V增大，但是R及其与Rb的并联电阻阻值增大，使直流自动增益控制AGC放大 器的基极电位降低，增益减小，补偿了直流电压V增大带来的影响，同时调节第二可变电阻 R2，使直流自动增益控制AGC放大器的输出电压Vc2保持稳定，不受温度变化的影响。同理，当 温度降低时，依然可以保持Vc 2不变，锁相环具有温度稳定性。
[0045]尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解， 只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。
【主权项】
1. 一种基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环，其特征在于，包括:MEMS 宽频带相位检测器、温度补偿电阻R、直流自动增益控制AGC放大器、第一压控振荡器VC01、 第二压控振荡器VC02、第一可变电阻R1和第二可变电阻R2;温度补偿电阻R与直流自动增益 控制AGC放大器的基极偏置电阻R b并联；电源VE通过第一可变电阻R1加载到第一压控振荡器 VC01上，同时通过第二可变电阻R2加载到直流自动增益控制AGC放大器上;第一压控振荡器 VC01产生参考信号，通过调节第一可变电阻R1的大小改变第一压控振荡器VC01的频率;参 考信号和反馈信号分别加载到MEMS宽频带相位检测器的地线（2)和CPW信号线(3)组成的两 个对称的输入端口，得到与相位差有关的直流电压V，直流电压V输入直流自动增益控制AGC 放大器，放大后的信号为第二压控振荡器VC02的控制电压Vc2,第二压控振荡器VC02的输出 信号为锁相环的反馈信号；调节第二可变电阻R2的大小控制直流自动增益控制AGC放大器 的增益，调节第二压控振荡器VC02的控制电压，控制反馈信号的频率;同步调节第一可变电 阻R1和第二可变电阻R2,使第一压控振荡器VC01和第二压控振荡器VC02的输出频率相同， 完成对不同频率的参考信号的锁定。2. 如权利要求1所述的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环，其特征 在于，当环境温度升高时，MEMS宽频带相位检测器输出的直流电压V变大，温度补偿电阻R及 其与Rb的并联电阻也会增大，导致直流自动增益控制AGC放大器的基极电位降低，增益减 小，补偿直流电压V变大带来的影响，同时调节第二可变电阻R2,使直流自动增益控制AGC放 大器的输出电压V C2保持稳定，不受温度变化的影响;温度降低时，温度补偿电阻R及其与Rb 的并联电阻减小，基极电位升高，直流自动增益控制AGC放大器的增益变大，补偿直流电压V 变小带来的影响，同时调节第二可变电阻R2，使直流AGC放大器的输出电压VC2保持稳定，锁 相环具有温度稳定性。3. 如权利要求1所述的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环，其特征 在于，电源VE通过可变电阻第一可变电阻R1和第二可变电阻R2分别加载到第一压控振荡器 VC01和直流自动增益控制AGC放大器上，第一压控振荡器VC01在由第一电阻R1调节的控制 电压VC1的控制下，输出参考信号，通过调节第一电阻R1，控制参考信号的频率;参考信号和 反馈信号通过输入端口输入MEMS宽频带相位检测器后，首先通过功合器进行矢量合成，合 成信号通过热电式功率传感器转化为与相位差有关的直流电压V，经直流输出电极（11)输 出，此直流电压V表示为，其中K为与输入信号幅度有关的系数，COrrf 为参考信号角频率，《bac;k为反馈信号角频率，为固有相位差;MEMS宽频带相位检测器输出 的直流电压V通过第一端口（ 14)输入至直流自动增益控制AGC放大器进行放大，放大后的直 流电压VC2表示为：I = Icos((气,ν +勿，其中A为直流自动增益控制AGC放大器的增益系 数，放大后的直流电压VC2为第二压控振荡器VC02的控制电压，通过第二端口（ 15)控制第二 压控振荡器V C 0 2的输出频率，压控振荡器输出频率ω。通过下式表达： $ = _ = ncwU% -吟^ +的，通过调节第二可变电阻R2，改变直流自动增益控制AGC dt 放大器的直流偏置电源VC实现对增益系数A的调节，从而改变第二压控振荡器VC02的控制 电压及其相应的输出信号的频率;第二压控振荡器VC02的输出信号为锁相环的反馈信号， 通过第三端口（16)输入MEMS宽频带相位检测器;通过同步控制第一可变电阻R1和第二可变 电阻R2，可使第一压控振荡器VC01和第二压控振荡器VC02的输出频率相等，反馈信号和参 考信号的频率一致，相位差恒定，完成锁定，得到在宽频带范围内工作的锁相环。4. 如权利要求3所述的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环，其特征 在于，MEMS宽频带相位检测器在不同频率下的输出直流电压V存在波动的情况下，依然可以 通过调节第一可变电阻R1和第二可变电阻R2来实现环路的锁定，使得ω back= ω。= ω ref，锁 定后的信号通过第四端口（17)输出。5. 如权利要求1所述的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环，其特征 在于，MEMS宽频带相位检测器以GaAs (1)为衬底，包括功合器和热电式功率传感器，功合器 包括地线（2)、CPW信号线（3)、第一ACPS传输线(4)、第二ACPS传输线（5)、第三ACPS传输线 (6)和隔离电阻(7)，热电式功率传感器包括终端电阻(8)、热电堆半导体臂(9)、热电堆金属 臂（10 )、直流输出电极（11); MEMS宽频带相位检测器以GaAs为衬底，地线（2)与CPW信号线 (3)构成功合器的输入和输出端口，第一ACPS传输线(4)、第二ACPS传输线(5)和第三ACPS传 输线(6)相级联，隔离电阻(7)分别设置在第一 ACPS传输线(4 )、第二ACPS传输线（5)和第三 ACPS传输线(6)的末端，终端电阻(8)设置在CPW信号线（3)的输出端口处，热电堆半导体臂 (9)与热电堆金属臂（10)依次连接，构成热电堆，直流输出电极(11)连接在热电堆两端。6. 如权利要求5所述的基于MEMS宽频带相位检测器和温度补偿电阻的锁相环，其特征 在于，第一 ACPS传输线(4)的特征阻抗为Z1，第二ACPS传输线(5)的特征阻抗为Z2，第三ACPS 传输线(6)的特征阻抗为Z3。
【文档编号】H03L7/099GK106067812SQ201610395163
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月6日 公开号201610395163.3, CN 106067812 A, CN 106067812A, CN 201610395163, CN-A-106067812, CN106067812 A, CN106067812A, CN201610395163, CN201610395163.3
【发明人】廖小平, 韩居正
【申请人】东南大学