专利名称：极低电压毫米波注入锁定二分频器的制作方法
技术领域：
本发明属于毫米波集成电路技术领域，具体涉及一种应用毫米波频段集成电路的注入锁定分频器(Injection Locked Frequency Divider)。该分频器毫米波收发系统，实现对毫米波频段信号的二分频功能。
背景技术：
随着现代信息技术的发展，对高速无线通信技术的要求越来越强烈，这促使人们不断去开发更高的频带资源，研究毫米波通信技术。与此同时，随着工艺特征尺寸的不断下降，尤其是专用集成电路的发展，低功耗设计已成为各种通信系统对电路设计的必然要求。在这种背景下，对高频低功耗分频器的研究与设计无疑有着重要的意义。基于注入锁定的高速分频器是近年来在毫米波系统中广泛研究的一种技术，它利用振荡器频率牵引的原理，通过向一个高频率振荡器的二次谐波点注入一定幅度的信号来实现对振荡频率的牵引，同时实现注入信号的二分频，这种分频器的工作频率可以高达200GHz。功耗方面，注入锁定分频器有别于传统分频器通过电荷充放电实现状态改变的原理，它的静态功耗和工作频率并非线形关系，即功耗不会随着频率的升高而明显增大，因此适用于高频以及毫米波频段。然而，注入锁定分频器的缺点在于它的工作频率范围非常有限，而且实际芯片制造过程中的工艺偏差及温度偏差将严重影响该分频器的稳定工作。
发明内容
针对当前已有注入锁定分频器工作频率范围小的缺点，本发明的目的是提供一种功耗低、低电压下工作频率范围大的注入锁定分频器，从而增强此种结构分频器在收发机中的实际应用价值。本发明提供的注入锁定分频器的电路结构如图1所示。该电路的信号分频功能是通过向振荡器注入一定的外加输入信号来牵引振荡器的自激振荡频率而实现的。该注入锁定分频器主要包括以下三个部分电感电容谐振腔、调谐电路、信号注入电路。其中，电路的主体结构是一个电感电容谐振腔，它包括一个中心抽头的差分电感L，两个交叉耦合的 NMOS晶体管Ml和M2，以及晶体管寄生电容及输出缓冲器的栅端电容。信号注入电路由两个NMOS晶体管M3、M4组成，信号通过两个NMOS晶体管M3、M4注入到振荡器的差分输出端。 调谐电路由两个串联连接的可变电容Cv组成，连接到振荡器的输出端作为其负载。可变电容管由积累型MOS管可变电容实现。相比较图2所示的已有结构，本设计中主要的突出改进，是对分频器注入方式与注入管的改进，即通过另外增加一个注入管实现差分注入，方便与压控振荡器等前级电路差分级联，省去了额外的匹配电路，可以显著减小所需的芯片功耗和面积，这种改进通过增加一条注入路径提高了信号的实际注入能量，提高注入效率，增大分频器的锁定范围。其次，为了提高注入效率，信号注入电路的注入管可采用前向体偏压技术；最后为了使电路可以工作在低电压环境，谐振腔的交叉耦合管也可使用前向体偏压技术。
图1本发明的注入锁定分频器电路结构示意图。图2传统的注入锁定分频器结构。
具体实施例方式实际应用中，注入锁定分频器经常作为时钟生成电路的一部分，输入信号通常是是锁相环路中振荡器的输出信号，在整个电路中工作频率最高，也是功耗消耗最大的一级。 本发明所提出的注入锁定分频器的典型应用是作为在整个分频器链路的第一级，它的低电压优势可以降低整个分频器链路的功耗，而前向体偏压技术则可扩大他的频率锁定范围， 可以保证后级分频器电路稳定工作。相比于传统的单端输入方式，差分输入方式方便与前级电路级联，省去了以往电路常需的匹配电路。电路采用TSMC 0. 13um CMOS 1P8M工艺实现，芯片面积为280X380 ym2,电源电压为0.6 V，电路工作频率范围40 GHz 50 GHz。整个电路原理如图1所示。具体连接关系如下差分电感L的中心抽头连接到电源VDD，两端分别连接到交叉耦合的NMOS晶体管Ml和M2的漏级，NMOS晶体管Ml和M2的源级直接接地。由积累型MOS管组成的可变电容管(调谐电路)串接在振荡器的输出端，其公共端连接控制电压信号Vt，通过改变Vt的值可以改变可变电容管容值的大小，从而改变振荡器输出端的负载电容，进而实现宽带频率调谐；信号注入部分，NMOS晶体管M3的源漏和NMOS晶体管M4的漏端连接振荡器的差分输出OUTP端，NMOS晶体管M3的漏端和NMOS晶体管M4的源端连接至振荡器的差分输出OUTN端，输入信号从NMOS晶体管M3、M4的栅极注入到振荡器的谐振腔。为了使分频器适用于低电压设计，将交叉耦合管(NM0S晶体管Ml和 M2 )的衬底通过大电阻接电源，即采用前向体偏压技术降低MOS管的阈值电压，使管子在较低的电源电压下拥有较高的跨导值。此外由于注入锁定分频器的输入带宽与注入效率成正比，而注入效率与注入管的电流有关，为提高注入管的电流，我们对注入锁定管(信号注入电路的NMOS晶体管M3、M4 )也使用前向体偏压技术。即也通过大电阻接至电源电压，实现前向体偏压，有利于扩大锁定范围。
权利要求
1.一种注入锁定二分频器，其特征在于包括以下三个部分电感电容谐振腔、调谐电路、信号注入电路；其中，电感电容谐振腔它包括一个中心抽头的差分电感L，两个交叉耦合的NMOS晶体管Ml和M2，以及晶体管寄生电容及输出缓冲器的栅端电容；信号注入电路由两个NMOS晶体管M3、M4组成，信号通过两个NMOS晶体管M3、M4注入到振荡器的差分输出端；调谐电路由两个串联连接的可变电容(；组成，连接到振荡器的输出端作为其负载，可变电容管由积累型MOS管可变电容实现。
2.根据权利要求1所述的注入锁定二分频器，其特征在于电路的连接关系如下差分电感L的中心抽头连接到电源VDD，两端分别连接到交叉耦合的NMOS晶体管Ml和M2的漏级，NMOS晶体管Ml和M2的源级直接接地；由积累型MOS管组成的可变电容管串接在振荡器的输出端，其公共端连接控制电压信号Vt ；信号注入电路的NMOS晶体管M3的源漏和NMOS 晶体管M4的漏端连接振荡器的差分输出OUTP端，NMOS晶体管M3的漏端和NMOS晶体管M4 的源端连接至振荡器的差分输出OUTN端，输入信号从NMOS晶体管M3、M4的栅极注入到振荡器的谐振腔。
3.根据权利要求2所述的注入锁定二分频器，其特征在于将交叉耦合的NMOS晶体管 Ml和M2的衬底通过大电阻接电源，即采用前向体偏压技术，以降低MOS管的阈值电压，使管子在较低的电源电压下拥有较高的跨导值。
4.根据权利要求2或3所述的注入锁定二分频器，其特征在于对信号注入电路的NMOS 晶体管M3、M4采用前向体偏压技术。
全文摘要
本发明属于毫米波集成电路技术领域，具体为一种应用于收发机集成电路中的注入锁定二分频器。它由电感电容振荡器、调谐电路和信号注入电路组成；其中调谐电路由变容管调谐，电感电容振荡器在无外部输入激励情况下以一定频率自激振荡，信号注入电路通过将输入信号注入到振荡器的谐振腔从而实现对振荡器自激频率的牵引和锁定，实现输入信号的二分频。与传统的注入锁定电路相比较，本发明省去了额外的匹配电路，显著减小所需的芯片功耗和面积，提高注入效率，增大分频器的锁定范围。通过使用前向体偏压技术本电路可以在较低的电源电压下实现较宽的工作频率，且此电路可以实现差分输入。
文档编号H03L7/18GK102158228SQ20111009812
公开日2011年8月17日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者任俊彦, 傅海鹏, 叶凡, 李宁, 李巍, 蔡德鋆, 陈丹凤 申请人:复旦大学