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一种基于环形结构的正交推‑推压控 振荡器

阅读：1012发布：2020-08-27

专利汇可以提供一种基于环形结构的正交推‑推压控振荡器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种基于环形结构的正交推‑推压控振荡器，包括四级延迟单元，本发明利用四级反相放大器构成的环形振荡器中输出信号之间的相位关系、结合谐波选择元件抽取各输出信号中的二次谐波，所抽取的二次谐波相位互为正交，作为环形结构的输出，形成正交输出的推‑推压控振荡器。该结构在工艺受限情况下，可以有效提高正交本振输出信号的频率，为毫米波、亚毫米波、特别是太赫兹频段收发前端提供高品质正交本振信号。，下面是一种基于环形结构的正交推‑推压控振荡器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于环形结构的正交推-推压控振荡器，其特征在于：包括四级延迟单元，第一级延迟单元的第一输出端连接第二级延迟单元的同相输入端，第一级延迟单元的第二输出端连接第二级延迟单元的反相输入端；第二级延迟单元的第一输出端连接第三级延迟单元的同相输入端，第二级延迟单元的第二输出端连接第三级延迟单元的反相输入端；第三级延迟单元的第一输出端连接第四级延迟单元的同相输入端，第三级延迟单元的第二输出端连接第四级延迟单元的反相输入端；第四级延迟单元的第一输出端连接第一级延迟单元的反相输入端，第四级延迟单元的第二输出端连接第一级延迟单元的同相输入端；第一级延迟单元的外部电压控制端、第二级延迟单元的外部电压控制端、第三级延迟单元的外部电压控制端、第四级延迟单元的外部电压控制端连接，作为正交推-推压控振荡器的电压控制端；第一级延迟单元的第三输出端作为正交推-推压控振荡器的第一输出端；第二级延迟单元的第三输出端作为正交推-推压控振荡器的第二输出端；第三级延迟单元的第三输出端作为正交推-推压控振荡器的第三输出端；第四级延迟单元的第三输出端作为正交推-推压控振荡器的第四输出端；
每级延迟单元包括二个NMOS管、二个PMOS管、两个变容管、两个电感和一个谐波选择元件，第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的漏极、第二PMOS管的漏极、第二变容管的一端和第二电感的一端连接，作为延迟单元的第二输出端；第二NMOS管的栅极、第一NMOS管的漏极、第一PMOS管的漏极、第一变容管的一端和第一电感的一端连接，作为延迟单元的第一输出端；
第一PMOS管的栅极接延迟单元的同相输入端；第二PMOS管的栅极接延迟单元的反相输入端；第一电感的另一端与第二电感的另一端相连；第一变容管的另一端与第二变容管的另一端连接，作为外部电压控制端；第一PMOS管、第二PMOS管的源极接电源VDD；第一NMOS管、第二NMOS管的源极与谐波选择元件的一端相连，作为延迟单元的第三输出端；谐波选择元件的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种基于环形结构的正交推-推压控振荡器，其特征在于：所述的谐波选择元件为一根传输线，长度为四级延迟单元所构成环路的震荡信号二次谐波波长的1/4。

说明书全文

一种基于环形结构的正交推-推压控 振荡器

技术领域

[0001] 本发明属于微电子学技术领域，涉及一种基于环形结构的正交推-推压控振荡器。

背景技术

[0002] 无线收发前端根据结构的不同，可以分为超外差接收机、低中频接收机及零中频接收机，其中零中频接收机由于可以实现单片集成，受到越来越多的关注。在这种结构中，射频信号与互为正交的两路本振信号混频，直接产生基带信号。正交两路本振信号的相位误差和幅度失配会直接影响接收机镜像抑制能力和解调性能。同时，由于产生本振信号的电路工作在电路的最高频率处，其频率输出能力和功耗等决定着整个接收机的接收频率和功耗。因此，零中频接收机中正交本振信号的产生是非常关键的。

[0003] 在射频电路中，可以采用无源多相滤波器来产生正交本振信号，如图1所示。VCO产生差分输出信号，经高频放大器缓冲放大后驱动无源多相滤波器产生正交本振信号。无源多项滤波器产生正交信号的优点是压控振荡器的结构简单，但由于无源多相滤波器具有6dB的插入损耗，高频放大器必须提供足够的补偿增益，这导致压控振荡器输出端的负载电容增加和电路总体功耗的增加；另一方面，集成电路工艺的波动会使不同路径上的电阻值和电容值产生偏差，导致正交两路信号的幅度和相位分别失配。另一种产生正交本振信号的方法是采用正交压控振荡器，如图2所示。两个振荡器通过一定的耦合方式产生正交信号，该方法电路结构简单，环路结构使工艺偏差引起的失配弱化，因此在GHz频段范围应用较多。

[0004] 随着无线通信的频率逐渐进入到毫米波、亚毫米波、尤其是太赫兹频段，上述正交信号产生电路遇到了新的问题。对正交压控振荡器来说，要产生这么高频率的震荡信号相当困难，尤其当所需频率接近振荡器有源器件的截止频率fT时。对无源多项滤波器来说，除了上述问题外，在上述频段要实现具有6dB增益的放大器也相当困难。所有这些对太赫兹频段正交本振信号的产生和太赫兹无线通信的发展提出严重的挑战。

发明内容

[0005] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于环形结构的正交推-推压控振荡器。利用四级反相放大器构成的环形振荡器中输出信号之间的相位关系、结合谐波选择元件抽取各输出信号中的二次谐波，构建正交输出的推-推压控振荡器，实现毫米波、亚毫米波、特别是太赫兹频段收发前端正交本振信号的产生。

[0006] 本发明一种基于环形结构的正交推-推压控振荡器包括四级延迟单元，第一级延迟单元的第一输出端连接第二级延迟单元的同相输入端，第一级延迟单元的第二输出端连接第二级延迟单元的反相输入端；第二级延迟单元的第一输出端连接第三级延迟单元的同相输入端，第二级延迟单元的第二输出端连接第三级延迟单元的反相输入端；第三级延迟单元的第一输出端连接第四级延迟单元的同相输入端，第三级延迟单元的第二输出端连接第四级延迟单元的反相输入端；第四级延迟单元的第一输出端连接第一级延迟单元的反相输入端，第四级延迟单元的第二输出端连接第一级延迟单元的同相输入端；第一级延迟单元的外部电压控制端、第二级延迟单元的外部电压控制端、第三级延迟单元的外部电压控制端、第四级延迟单元的外部电压控制端连接，作为正交推-推压控振荡器的电压控制端；第一级延迟单元的第三输出端作为正交推-推压控振荡器的第一输出端；第二级延迟单元的第三输出端作为正交推-推压控振荡器的第二输出端；第三级延迟单元的第三输出端作为正交推-推压控振荡器的第三输出端；第四级延迟单元的第三输出端作为正交推-推压控振荡器的第四输出端。

[0007] 每级延迟单元包括二个NMOS管、二个PMOS管、两个变容管、两个电感和一个谐波选择元件。第一NMOS管的栅极、第二NMOS管的漏极、第二PMOS管的漏极、第二变容管的一端和第二电感的一端连接，作为延迟单元的第二输出端；第二NMOS管的栅极、第一NMOS管的漏极、第一PMOS管的漏极、第一变容管的一端和第一电感的一端连接，作为延迟单元的第一输出端；第一PMOS管的栅极接延迟单元的同相输入端；第二PMOS管的栅极接延迟单元的反相输入端；第一电感的另一端与第二电感的另一端相连；第一变容管的另一端与第二变容管的另一端连接，作为外部电压控制端；第一PMOS管、第二PMOS管的源极接电源VDD；第一NMOS管、第二NMOS管的源极与频率选择元件的一端相连，作为延迟单元的第三输出端；谐波选择元件的另一端接地。

[0008] 在本发明中，第一电感、第二电感、第一变容管、第二变容管、第一NMOS和第二NMOS构成一个电容电感型压控振荡器；第一PMOS管、第二PMOS管作为延迟单元的输入，实现各延迟单元间的互联以构成环路；频率选择元件实现延迟单元输出信号中的二次谐波的选择输出。

[0009] 根据环路的特点，延迟单元输出信号和输入信号间的相位相差为180o+45o，各延迟单元输出信号的相位为(N-1)x(180o+45o),其中N为延迟单元的级数。再根据延迟单元输出信号中二次谐波分量与基波分量间的相位关系，可以得到各延迟单元第三输出端口输出信号的相位为(N-1)x90o,其中N为延迟单元的级数。这样，第一延迟单元的第三输出端口信号(相位为0o)、第三延迟单元的的第三输出端口信号(相位为180o)和第二延迟单元的第三输出端口信号(相位为90o)、第四延迟单元的的第三输出端口信号(相位为270o)互为正交信号，实现了正交的推-推压控振荡器。

[0010] 本发明在工艺受限的情况下，可以有效提高正交本振输出信号的频率，为毫米波、亚毫米波、特别是太赫兹频段收发前端提供高品质正交本振信号。附图说明

[0011] 图1为基于无源多项滤波器的正交震荡信号产生电路；

[0012] 图2为基于正交振荡器的正交震荡信号产生电路；

[0013] 图3为本发明基于环形结构正交推-推压控振荡器的结构；

[0014] 图4为图3中延迟单元的结构。

具体实施方式

[0015] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

[0016] 本发明提供一种基于环形结构的正交推-推压控振荡器。利用四级反相放大器构成的环形振荡器中输出信号之间的相位关系、结合谐波选择元件抽取各输出信号中的二次谐波，构建正交输出的推-推压控振荡器，实现毫米波、亚毫米波、特别是太赫兹频段收发前端正交本振信号的产生。

[0017] 如图3所示，本发明包括四级延迟单元，第一级延迟单元D1的第一输出端Vout_f连接第二级延迟单元D2的同相输入端Vin+，第一级延迟单元D1的第二输出端Voutb_f连接第二级延迟单元的反相输入端Vin-；第二级延迟单元D2的第一输出端Vout_f连接第三级延迟单元D3的同相输入端Vin+，第二级延迟单元D2的第二输出端Voutb_f连接第三级延迟单元的反相输入端Vin-；第三级延迟单元D3的第一输出端Vout_f连接第四级延迟单元D4的同相输入端Vin+，第三级延迟单元D3的第二输出端Voutb_f连接第四级延迟单元D4的反相输入端Vin-；第四级延迟单元D4的第一输出端Vout_f连接第一级延迟单元D1的反相输入端Vin-，第四级延迟单元D4的第二输出端Voutb_f连接第一级延迟单元D1的同相输入端Vin+；第一级延迟单元D1的外部电压控制端Vtune、第二级延迟单元D2的外部电压控制端Vtune、第三级延迟单元D3的外部电压控制端Vtune、第四级延迟单元D4的外部电压控制端Vctrl连接，作为正交推-推压控振荡器的电压控制端Vctrl；第一级延迟单元D1的第三输出端Vout_
2f作为正交推-推压控振荡器的第一输出端I+；第二级延迟单元D2的第三输出端Vout_2f作为正交推-推压控振荡器的第二输出端Q+；第三级延迟单元D3的第三输出端Vout_2f作为正交推-推压控振荡器的第三输出端I-；第四级延迟单元D4的第三输出端Vout_2f作为正交推-推压控振荡器的第四输出端Q-。

[0018] 每级延迟单元包括二个NMOS管、二个PMOS管、两个变容管、两个电感和一个谐波选择元件，如图4所示。第一NMOS管MN1的栅极、第二NMOS管MN2的漏极、第二PMOS管MP2的漏极、第二变容管Cvar2的一端和第二电感L2的一端连接，作为延迟单元的第二输出端Voutb_f；第二NMOS管MN2的栅极、第一NMOS管MN1的漏极、第一PMOS管MP1的漏极、第一变容管Cvar1的一端和第一电感L1的一端连接，作为延迟单元的第一输出端Vout_f；第一PMOS管MP1的栅极接延迟单元的同相输入端Vin+；第二PMOS管MP2的栅极接延迟单元的反相输入端Vin-；第一电感l1的另一端与第二电感l2的另一端相连；第一变容管Cvar1的另一端与第二变容管Cvar2的另一端连接，作为外部电压控制端Vtune；第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2的源极接电源VDD；第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2的源极与频率选择元件T1的一端相连，作为延迟单元的第三输出端Vout_2f；谐波选择元件的另一端接地。

[0019] 上述基于环形结构的正交输出推-推压控振荡器中，令输出正交信号的频率为f0,则延迟单元中由电感L1/L2和变容管Cvar1/Cvar2构成的谐振网络的谐振频率为f0/2；变容管Cvar1/Cvar2的选取应满足输出频率范围的要求，假设输出频率范围为(f0max,f0min),电感L1/L2的取值为L0,这变容管的容值范围要包括以下范围：(1/(2 f0max)2L0, 1/(22
f0min) L0)；频率选择元件T1的电长度为频率f0处信号波长的1/4，以实现二次谐波的有效输出。

[0020] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例做了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应该被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替换都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

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