基于线性混频技术的注入锁定四分频器

王琳 吴伟斌

摘 要： 基于TSMC 0.13 μm CMOS工艺，提出并设计了一款新颖的注入锁定四分频器。传统的谐波混频注入锁定四分频器限制了锁定范围，新方法采用线性混频技术、基于交叉耦合振荡器结构设计了一款宽带锁定范围的注入锁定四分频器。仿真结果表明，在1 V的电压偏置下，分频器取得了8.2～13 GHz的工作频率，锁定范围为4.8 GHz （45.3%），消耗的功耗为5.2 mW，相位噪声取得了-135.7 dBc/Hz@1 MHz的良好性能，版图大小为0.93 mm×0.62 mm。

关键词： 四分频; 注入锁定分频器; LC谐振器; 线性混频; 锁定范围

中图分类号： TN432

文献标志码： A

文章编号：1007-757X（2019）06-0011-03

Abstract： A novel injection-locked 4-frequency divider （IL4FD） was proposed and implemented in the TSMC 0.13 μm CMOS process. The conventional harmonic mixer IL4FD has limited locking range， but the new one shows a wide locking range IL4FD by using linear mixer technique and cross-coupled voltage-controlled oscillator structure. The post-layout simulation results show that， at the voltage bias of 1 V， the locking range is 4.8 GHz （45.3%） from 8.2 to 13 GHz with the power consumption of 5.2 mW. The phase noise of the circuit achieves a good result of -135.7 dBc/Hz@1 MHz， and the size of layout is 0.93 mm×0.62 mm.

Key words： Divided by 4-frequency; Injection-locked frequency divider; LC resonator; Linear mixer; Locking range

0 引言

LC諧振注入锁定频率分频器（LC ILFD）在超高速锁相环电路以及其他的频率信号处理电路中应用广泛，虽然LC ILFD相比较于基于环形振荡器结构的ILFD而言，锁定范围有限，但是功耗较低。LC ILFD通常作为锁相环分频器模块的第一级，以在较高工作频率下取得更低的功耗，注入锁定四分频器（IL4FD）属于ILFD的更高次分频模块，由于其在电路物理上与注入锁定二分频器（IL2FD）不同，而得到了更多的关注，单级IL4FD可以取代两级IL2FD，从而降低频率对不准的概率，改善信号的性能。传统的IL4FD直接采用交叉耦合振荡器结构[1-3]，锁定范围不够大，例如图1所示即展示了一款传统的IL4FD电路，在混频单元M3处存在着输入输出的频率关系，即：ωRF-3ωo=ωo，ωo为输出信号频率，ωRF为注入的射频信号频率，3ωo则为由M3的非线性引起的输出频率的3次谐波分量，该结构可以通过提高电压的方式提高三次谐波分量的幅值，进而增加锁定范围，但是这是以功耗的增加为代价的。

本文提出了一种采用线性混频技术以及电容交叉耦合结构[4-6]的宽锁定范围IL4FD。由于采用线性混频技术的缘故，IL2FD相比其他高次分频器模块而言，具有更大的锁定范围，因而，为了实现较宽的锁定范围，IL4FD采用线性混频技术应该是一个较好的方法，以往文献报道的采用线性混频技术的IL4FD通常使用两个或两个以上的注入MOS晶体管[7-10]，而本文所提出的宽带IL4FD只需要采用一个注入MOS晶体管，该分频器取得了8.2～13 GHz的工作频率，锁定范围为4.8 GHz （45.3%），消耗的功耗为5.2 mW。

1 电路设计

本文所提出的IL4FD电路图，如图2所示。

其中，由晶体管M1和M2组成的电容交叉耦合对用于产生负电阻，电阻R1和R2为偏置电阻，C1和C2为直流隔直电容，当偏置电压Vbias增大时，功耗增加，电路中主要的谐振器由电感L1、L2、L5以及跨接开关晶体管对漏极的寄生有源电容2Cp组成，带有直流栅极偏压Vinj的晶体管M3为注入晶体管，电感L3和L4与晶体管M3串联，晶体管M4和M5组成输出缓冲器，当Vinj较低时，晶体管M3关断，当Vinj较高时，晶体管M3开启，电路的空载振荡频率随着Vinj的增加而增加，由于电感L3、L4与晶体管M3串联，因而即使M3处于完全开启状态，IL4FD电路仍然能够振荡。

用于说明IL4FD电路功能的框图，如图3所示。

在空载模式下，晶体管M3漏极-源级之间的频率为ω0，在注入锁定状态下时，首先分频器采用输入信号ωRF与ω0产生输出信号ωRF±ω0（=3ω0，5ω0），输出信号又被作为混频器的输入信号，最终，混频器产生输出信号为ωRF-3ω0=ω0，5ω0-ωRF=ω0，该方法称为线性混频技术。仿真表明电感L3的引入增加了节点A处的高频阻抗，电感L1和L3之间的互感系数K1进一步增加了节点A处的高频阻抗，进而增加了在节点A处3ω0信号产生的概率，加宽了锁定范围。

2 电路仿真以及讨论

基于TSMC 0.13 μm CMOS工艺对本文所提出的IL4FD电路进行设计，采用Cadence软件进行仿真，该电路的版图，如图4所示。

版圖大小为0.93 mm×0.62 mm，当固定VDD=1 V，Vbias=0.6 V时，变化Vinj，对电路进行仿真，工作频率和锁定范围随着Vinj变化的版图后仿真结果如图5所示。

图5 当固定VDD=1 V，Vbias=0.6 V时，变化Vinj时，IL4FD电路的灵敏度仿真结果随着Vinj的增加，电路的锁定范围逐渐上移，并且在Vinj=6 V时，得到最大的锁定范围，此时取得了8.2～13 GHz的工作频率，锁定范围为4.8 GHz （45.3%），此刻电路所消耗的功耗为5.2 mW。随着Vinj的增加，电路的空载振荡频率增加，锁定范围中间值也逐步向着更高的频率移动。该电路的相位噪声仿真结果，如图6所示。

由图可见，相位噪声取得了-135.7 dBc/Hz@1 MHz的较优性能，电路的整体性能优于以往文献所报道的结果[11-13]。

3 总结

传统的IL4FD电路大多采用非线性混频技术，增益较低，锁定范围受限，近来线性混频技术逐渐应用于IL4FD电路中，虽然锁定范围可以得到有效的展宽，但是却采用了两步混频技术，而本文只需采用一步混频技术，即可实现更宽的锁定范围，降低了电路规模以及功耗。基于所提出的技术，本文设计的IL4FD电路采用一个注入MOS晶体管与两个耦合电感串联，版图后仿真结果表明，该电路取得了8.2～13 GHz的工作频率，锁定范围为4.8 GHz （45.3%），电路所消耗的功耗为5.2 mW。

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（收稿日期： 2018.06.08）