一种基于源极退化电容的宽锁定范围电流模锁存分频器

摘要

本发明属于射频无线接收机集成电路技术领域，具体涉及一种应用于无线接收机集成电路中的高频高速电流模锁存分频器（Current-mode Latched Frequency Divider，CML-FD）的设计。一方面，通过在分频器的交差耦合管源极引入电容阵列提高分频器的工作频率；另一方面，通过改变负载MOS管的栅极电压大小，实现分频器的负载变化。通过这种设计，电流模锁存分频器可以实现较高速以及较宽的工作频率范围，并具有一定的可重构性，且节省芯片的面积，适用于多模可重构频率综合器。

说明书

技术领域

本发明属于射频无线接收机集成电路技术领域，具体涉及应用于无线接收机频率综合 器中的宽带电流模锁存分频器。尤其是一种基于源极退化电容的宽锁定范围电流模锁存分 频器，其可用于无线广播、通信和全球定位等技术标准的射频信号接收机芯片。

背景技术

随着技术的不断发展，人们对无线广播、通信和全球定位等方面的要求越来越高。因 此，能够支持多种模式标准的无线接收机以及未来的软件定义无线电和认知无线电将是未 来无线电发展的一个重要趋势，并且更高的传输速率和更大的信号带宽也是未来无线电发 展的一个重要方向

通常宽带频率综合器设计中，分频器的工作频率与其自激振荡频率密切相关，分频器 的自激振荡频率越高，则其能工作的频率也越高，而传统的电阻负载电流模锁存分频器由 于自身结构中RC常数的限制，自激振荡频率很难做得很高，因此工作频率上限较低，且在 高速工作时需要消耗大量的功耗。因而尤其是需要实现高频载波输出的情况下，一般需要 采用基于电感的注入锁定分频器，这一类分频器可以工作在载波频率的二分之一附近，但 是锁定范围十分有限，很难设计出适用于高频宽带的频率综合器的分频器电路，而且在实 现正交信号上存在困难。并且由于高频除法器需要使用电感，这种架构的频率综合器在高 频段需要耗费较大的面积。

另一方面，为了得到通讯协议所要求的载波信号，多模宽带频率综合器通常会使用单 边带混频器来进行上变频操作，使用除法器进行分频，或者使用倍频器进行倍频操作。并 用正交压控振荡器或者多相滤波器来提供正交信号。

综上所述，为了实现多种通讯模式中所需要的载波输出，未来的多模宽带频率综合器 需要一个宽工作范围、能对压控振荡器进行分频并且能给单边带混频器提供正交信号的高 性能电流模锁存分频器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽频率范围的高性能电流模锁存分频器，尤其涉及一种基 于源极退化电容的宽锁定范围电流模锁存分频器。

本发明提供一种应用于无线接收机集成电路中的高频高速电流模锁存分频器 （Current-mode Latched Frequency Divider,CML-FD）的设计，其中，通过在分频器的 交差耦合管源极引入电容阵列提高分频器的工作频率；通过改变负载MOS管的栅极电压 大小，实现分频器的负载变化，实现较高速以及较宽的工作频率范围。

本发明还提供了一种具有宽调谐范围的，能产生正交信号的电流模锁存分频器的实现 方式，上述实现方式包括两个电流模锁存器，同时这两个锁存器存在相互耦合的关系；当 需要宽调谐范围时，不同的控制电压可以使得分频器覆盖一个非常宽的工作范围；另一方 面，分频器通过晶体管耦合的方式来产生正交信号；这两个相互耦合的电流模锁存器具有 如下相同的结构：

（1）一对栅极偏压可变的PMOS负载管；

（2）一个用来对自谐振频率进行调谐的可变电容阵列；

（3）一个由2个NMOS管交叉耦合连接而成的负阻产生器；

（4）一对电平驱动管，用于与另一锁存器的输出耦合，产生正交信号；

（5）用来给有源器件提供偏置电流，且电流值可变的偏置电流源阵列；

同时，可以根据不同的需要来控制电流源阵列，当工作在较低频率的时候，关掉部分 电流源，以节省功耗。

更具体的，本发明的基于源极退化电容的宽锁定范围电流模锁存分频器，其特征在于， 其由两个相同结构的锁存器构成，每一个锁存器均包括：

（1）两个由PMOS管构成的可变负载；

（2）一个用来对分频器自谐振频率进行调谐的可变电容阵列；

（3）一个由2个NMOS管交叉耦合连接而成的负阻产生器；

（4）两个用来改变锁存器动态电平的驱动管；

（5）三个由外部差分时钟信号来驱动的开关管；

（6）用来给有源器件提供偏置电流，且电流值可变的偏置电流源阵列；

本发明中，电流模锁存分频器能根据外部的控制信号调整PMOS的栅极偏压而工作在 不同的频率范围。

本发明中，电流模锁存分频器通过控制可变电容阵列对分频器的自谐振范围进行仔细 的控制，能让分频器的输入敏感曲线在不同的控制电压下保证一定的交叠，从而实现较大 范围的分频。

本发明中，电流模锁存分频器具有线性化功能的可变电容阵列由偏置在三个偏置点的 累积型MOS电容组成，偏置均由大阻值电阻进行隔离。

本发明中，电流模锁存分频器通过驱动管的耦合来实现正交信号的输出。

本发明中，电流模锁存分频器其负阻管的偏置电流由电流源阵列组成，并用开关控制 其栅极电压来控制其通断。

本发明中，电流模锁存分频器其耦合管的偏置电流由电流源阵列组成，并用开关控制 其栅极电压来控制其通断。

本发明的优点有：

通过在分频器的交差耦合管源极引入电容阵列提高分频器的工作频率；通过改变负载 MOS管的栅极电压大小，实现分频器的负载变化；本发明的电流模锁存分频器可以实现 较高速以及较宽的工作频率范围，并具有一定的可重构性，且节省芯片的面积，适用于多 模可重构频率综合器。

附图说明

图1本发明的宽带源极退化电流模分频器的结构示意图；

图2具有线性化功能的可变电容结构；

图3引入源极退化电容的交叉耦合管结构示意图；

图4分频器输入敏感函数曲线；

图5分频器的正交输出波形；

图中标号：1为线性化可变电容阵列；图5中红色的线为分频器的输入信号波形，频 率为14GHz，幅度为150mV；红色的线为分频器的I路输出波形，频率为7GHz，幅度为 210mV；紫色的线为分频器的Q路输出波形，频率为7GHz，幅度为210mV。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，为本发明的宽带源极退化电流模分频器。源极退化电流模分频器是基于 传统的电流模分频器的结构的一种改进。由于源极退化电流模分频器包括两种调谐方式， 因此具体实施方式包括对负载电阻的调谐和对负载电容的调谐两个方面。下面分别从这两 个方面来具体描述。

所述的源极退化电流模分频器主要涉及三个方面：可变电容的使用；负阻管电流和栅 极偏压的控制；电阻可变PMOS负载的使用。首先，源极退化电流模分频器通过图1中的 改变负载PMOS管的栅极电压VTUNE调节其阻值，通过这种方法，可以使得分频器的负载 的RC常数改变，从而改变分频器的自振频率；另外，为了能更好地在源极退化电流模分频 器的性能和功耗间进行折中，源极退化电流模分频器中负阻管的电流受到尾电流源阵列的 控制，控制电流的大小能使源极退化电流模分频器在一个宽的调谐范围内始终工作在电流 合理的范围，而不至于由于高频时电流太小而导致输出幅度太小；最后，在分频器的锁存 管的源极引入电容，可以调节分频器负载的RC常数中的电容，从而改变分频器的自振频率。 可变电容的大小由V_ctrl控制，调谐曲线如图4所示。

与传统的电流模锁存分频器仅仅采用普通的交叉耦合管提供起振所需的负阻不同，本 发明中的两个锁存器中使用的源极退化电容的交叉耦合管不仅能提供负的电阻，而且能提 供负的电容。由于电容的引入还会对交叉耦合管跨导产生影响，可能导致分频器无法工作。 因此，本发明中的源极退化电容对交叉耦合对产生如下的作用：

分频器设计中的一个重要考虑是分频器的自激振荡频率，其工作范围在自激振荡频率 附近，电流模分频器的自激振荡频率为，

$f_{\mathrm{VCO},n}\propto \frac{1}{R_{\mathrm{Load}}{C}_{\mathrm{Load}}}---\left(1\right)$

其中，C_Load为谐振腔的总电容，且C_Load＝C_p+C_o，C_p为总寄生电容（主要受交叉耦 合管的尺寸影响），C_o为后级负载电容。

传统的电流模分频器均采用一个固定的交叉耦合对以及负载电阻实现分频的功能，对 于不同的频率范围需要采用不同的负载电阻以及不同尺寸的交叉耦合对，而且即便如此， 依靠电阻和交叉耦合对要实现较高的工作频率也是比较困难的，需要消耗大量的电流。那 么，如式（1）中所示，在后级负载不变的情况下，当谐振腔中总的容值C_Load小的时候， 即分频器的自激振荡频率高的时候，交叉耦合管的尺寸较小；当谐振腔中总的容值C_Load大 的时候，即分频器的振荡频率低的时候，交叉耦合管的尺寸较大；而交叉耦合管的尺寸变 小会带来一个问题，即在相同电流下，跨导值gm变小了，这会导致分频器可能无法自激振 荡，从而不能正常工作，这也就是电阻负载的分频器很难在高频工作的一个重要因素。

本发明采用了在负载管的源极加入电容的方法，结构如图3所示，由推导可以得到该 结构的电导：

$Y=-\frac{g_m}{2}·\frac{4C^2{\omega }^2}{g_m^2+4C^2{\omega }^2}-\mathrm{j\omega C}·\frac{g_m^2}{g_m^2+4C^2{\omega }^2}---\left(2\right)$

由（2）式所示，引入源极退化电容的交叉耦合管不仅能引入负阻来维持分频器的自 激振荡，而且也能引入一个负的电容从而提高分频器的自激振荡频率，在一定程度上克服 了需要通过减小交叉耦合管尺寸以及增大功耗才能提高分频器工作频率的问题。

并且，本发明中由于引入的电容是可变的，因此电容在控制电压V_ctrl的调节下能够在 一定范围内变化，不同的控制电压对应了分频器不同的自激振荡频率，这样一种调谐的方 式也能扩大分频器的工作范围（如图4所示），分频器所产生的正交信号如图5所示。