一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器

摘要

一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器，包括有依次串联连接的：产生太赫兹LO信号的压控振荡器，用于进行分频的第一级注入锁定分频器和第二级注入锁定分频器，以及用于对达到设定的频率进行锁定的锁相环，所述锁相环的反馈输出端连接所述压控振荡器的反馈输入端。本发明的一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器，采用标准的CMOS工艺实现，有集成度高、成本低、易于大规模生产等优点。同时还克服了CMOS工艺截止频率附近工作性能差的限制，实现了太赫兹频率合成器的设计。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹频率合成器。特别是涉及一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器.

背景技术

近年来，高速无线通信系统正不断朝着更高频率、带宽、更高集成度以及更低成本等方向发展。太赫兹频段(300GHz-3THz)介于微波和红外线之间，是电磁波谱中唯一没有获得较全面研究并很好加以利用的最后一个波谱区间，在通信频带日益紧缺的今天，对太赫兹波通信技术的研究具有重要意义。太赫兹波通信技术广泛应用于生活的各个方面，由于其自身所具有的独特性质以及在光谱中的位置使太赫兹波在通信、电子对抗、雷达、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、环境监测及安全检查等领域存在着广泛的应用前景。

近年来，随着特征尺寸的不断减小，深亚微米CMOS工艺及其MOSFET的特征频率已经达到200GHz以上，使得利用CMOS工艺实现GHz频段的高频模拟电路成为可能。在硅CMOS、BiCMOS、双极工艺、GaAs MESFET、异质结双极晶体管(HBT)、GeSi器件等众多工艺中，虽然硅CMOS的高频性能和噪声性能不是最好，但由于它的工艺最为成熟、成本最低、功耗最小、应用也最为广泛，因此CMOS射频集成电路是近年来发展的趋势。随着射频识别技术的发展，世界各国的研究人员在CMOS射频集成电路的设计和制作方面进行了大量研究，使CMOS射频集成电路的性能不断提高。随着硅基工艺的进步，硅基工艺已能支持实现太赫兹通信集成电路，但高达几百GHz的工作频段使太赫兹通信集成电路的实现面临一系列挑战。

传统的数字CMOS工艺技术之所以没有在超高频电路(频率超过100GHz)应用方面被充分考虑，是因为CMOS振荡器电路受到器件的截止频率(f_T)和最大振荡频率(f_max)的限制。然而，工艺技术的发展使得器件尺寸不断缩小，器件的工作频率不断增加，使在CMOS工艺下能够使得场效应晶体管截止频率接近甚至达到太赫兹的频率范围，使得采用CMOS工艺实现在太赫兹波频段下工作的电路成为可能。

采用CMOS工艺实现的太赫兹波电路已有研究，但是因为CMOS工艺器件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种集成度高、成本低、易于大规模生产的采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器

本发明所采用的技术方案是：一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器，包括有依次串联连接的：产生太赫兹LO信号的压控振荡器，用于进行分频的第一级注入锁定分频器和第二级注入锁定分频器，以及用于对达到设定的频率进行锁定的锁相环，所述锁相环的反馈输出端连接所述压控振荡器的反馈输入端。

所述的压控振荡器包括有第一MOS管、第二MOS管、第一电阻以及第二电阻，其中，所述第一MOS管的栅极依次通过第三电感和第四电感连接第二MOS管的栅极，所述第一MOS管的栅极还通过第三电容与源极一起分别连接可变电容的一端及第五电感的一端，所述第一MOS管的漏极通过第一电感连接供电电源，以及通过第一电容至输出端正极连接第一级注入锁定分频器的输入端，所述第二MOS管的栅极还通过第四电容与源极一起分别连接可变电容的另一端及第六电感的一端，所述第二MOS管的漏极通过第二电感连接供电电源，以及通过第二电容至输出端负极连接第一级注入锁定分频器的输入端，所述第三电感和第四电感相连接端依次通过第一电阻和偏置电压接地，所述第五电感的另一端和第六电感的另一端连接第二电阻和第五电容的一端，所述第二电阻和第五电容的另一端接地。

所述的第一级注入锁定分频器包括有第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管和第八MOS管，其中，第三MOS管的栅极连接外部供电电源，第三MOS管的源极和漏极分别连接第九电感上的a抽头和c抽头，所述第四MOS管的栅极连接第九电感中部的b抽头，以及构成输入端(Prot1)连接所述的压控振荡器的输出端，第四MOS管的源极分别连接第九电感的一端、第五MOS管的栅极、第七MOS管的漏极，以及第八MOS管的栅极，第四MOS管的漏极分别连接第九电感的另一端、第六MOS管的栅极、第八MOS管的漏极，以及第七MOS管的栅极，第七MOS管和第八MOS管的源极通过第一电流源接地，所述第五MOS管和第六MOS管的源极通过第二电流源接地，第五MOS管的漏极通过第七电感连接供电电源，以及构成输出端连接第二级注入锁定分频器的输入端，所述第六MOS管的漏极通过第八电感连接供电电源。

所述的第二级注入锁定分频器包括有第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管和变压器，其中，所述第十一MOS管的栅极构成输入端连接所述第一级注入锁定分频器的输出端，所述第十一MOS管的源极和漏极分别连接变压器初级线圈的两端，所述变压器次级线圈的一端构成输出端的正极或负极连接所述锁相环的输入端，该端还分别连接第九MOS管的漏极和第十MOS管的栅极，所述变压器次级线圈的另一端构成输出端的负极或正极连接所述锁相环的输入端，该端还分别连接第十MOS管的漏极和第九MOS管的栅极，所述第九MOS管和第十MOS管的源极接地。

本发明的一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器，采用标准的CMOS工艺实现，有集成度高、成本低、易于大规模生产等优点。同时还克服了CMOS工艺截止频率附近工作性能差的限制，实现了太赫兹频率合成器的设计。本发明具有如下优点：

1.THz波的波长处于微波及红外光之间，它和物质的相互作用具有独特的物理机制，并呈现出很多新的特点。由于0.3THz-10THz频段的太赫兹波能够很强的穿透像塑料、纸、木料、人体、大气等一类物质，因此它可以广泛应用于安保扫描、射电天文、生物遥感、生产监控等领域，具体分类可以包括邮件扫描、纸类生产、塑料焊接检测、古画分析、人体透视、食品质量检测、皮肤癌分类等。

2.该频率合成器能工作在太赫兹频率下，能够克服由于频率接近器件截止频率带来的频率限制，使得输出频率提高到器件实际工作频率之上。

3.该设计的功耗、尺寸相对于传统电路有明显改善。

综上所述，本发明提出的功率放大器结构和实施方法具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器的构成框图；

图2是本发明中压控振荡器的电路原理图；

图3是本发明中第一级注入锁定分频器的电路原理图；

图4是本发明中第二级注入锁定分频器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器做出详细说明。

本发明的一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器，是由太赫兹压控振荡器和ILFDs以及分频器链组成。其中压控振荡器用于得到满足太赫兹频率的输出信号；随后的ILFDs(injection locking frequency dividers)和分频器链将信号调整至合适频率。其后端由锁相环进行单独的频率以及相位锁定。

由于CMOS工艺的截止频率和最大振荡频率的限制，决定了在接近或超过截止频率的频率下，有源器件性能极大地恶化或无法正常工作。而太赫兹频段仍然处于CMOS工艺的截止频率之上，因此CMOS工艺的集成电路中的有源器件不能直接应用于太赫兹频段。本发明采用基频信号经过功率分离，多路信号路径分别经过功率放大器，产生的功率放大后的信号经过无源器件倍频，倍频之后不再通过有源器件，将得到偶次谐波频率的信号直接进行功率合成与阻抗变换，从而避免了有源器件在过高工作频率下性能的恶化，最终得到太赫兹频段内的输出信号。

如图1所示，本发明的一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器，包括有依次串联连接的：产生太赫兹LO信号的压控振荡器1，用于进行分频的第一级注入锁定分频器2和第二级注入锁定分频器3，以及用于对达到设定的频率进行锁定的锁相环4，所述锁相环4的反馈输出端连接所述压控振荡器1的反馈输入端。

首先由压控振荡器产生太赫兹LO信号，振荡器输出的可调频率范围为118.6GHz～121GHz。随后信号进入第一级注入锁定分频器和第二级注入锁定分频器以及分频器链进行分频，最后进入锁相环对达到所希望的频率进行锁定。本发明最终实现频率为21GHz，在1MHz处的相位噪声为-74dBc/Hz，直流功耗为174mW。

如图2所示，所述的压控振荡器1包括有第一MOS管M1、第二MOS管M2、第一电阻R1以及第二电阻R2，其中，所述第一MOS管M1的栅极依次通过第三电感L3和第四电感L4连接第二MOS管M2的栅极，所述第一MOS管M1的栅极还通过第三电容C3与源极一起分别连接可变电容C6的一端及第五电感L5的一端，所述第一MOS管M1的漏极通过第一电感L1连接供电电源VDD，以及通过第一电容C1至输出端正极Prot1连接第一级注入锁定分频器2的输入端，所述第二MOS管M2的栅极还通过第四电容C4与源极一起分别连接可变电容C6的另一端及第六电感L6的一端，所述第二MOS管M2的漏极通过第二电感L2连接供电电源VDD，以及通过第二电容C2至输出端负极Prot1连接第一级注入锁定分频器2的输入端，所述第三电感L3和第四电感L4相连接端依次通过第一电阻R1和偏置电压V1接地，所述第五电感L5的另一端和第六电感L6的另一端连接第二电阻R2和第五电容C5的一端，所述第二电阻R2和第五电容C5的另一端接地。

直流偏置主要由第一MOS管M1、第二MOS管M2、第一电阻R1、第二电阻R2和偏置电压V1以及电阻R2确定，第一电阻R1的值应该尽可能的小，一方面可以减小电压波动，另一方面这个电阻可以看做是与电感串联的电阻，较大的阻值会恶化电感的Q值，影响电路的相位噪声性能，第二电阻R2的作用相当于一个电流源，它一方面要建立起直流偏置，同时要保证其引入的噪声不能过大，因此第二电阻R2阻值的选取也需要根据性能要求进行折衷。经过设计仿真第一电阻R1和第二电阻R2应分别为20Ω和52Ω。与传统的设计相比，这种方法能在预定的基本频率上获得更宽的调谐范围，并能减少品质因子Q的恶化。

前一部分的压控振荡器可能产生直流电压失配，因此需要加入第一级注入锁定分频器2和第二级注入锁定分频器3解决这一问题。

如图3所示，所述的第一级注入锁定分频器2包括有第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6、第七MOS管M7和第八MOS管M8，其中，第三MOS管M3的栅极连接外部供电电源Vsw2，第三MOS管M3的源极和漏极分别连接第九电感L9上的a抽头和c抽头，所述第四MOS管M4的栅极连接第九电感L9中部的b抽头，以及构成输入端Prot1连接所述的压控振荡器1的输出端，第四MOS管M4的源极分别连接第九电感L9的一端、第五MOS管M5的栅极、第七MOS管M7的漏极，以及第八MOS管M8的栅极，第四MOS管M4的漏极分别连接第九电感L9的另一端、第六MOS管M6的栅极、第八MOS管M8的漏极，以及第七MOS管M7的栅极，第七MOS管M7和第八MOS管M8的源极通过第一电流源I1接地，所述第五MOS管M5和第六MOS管M6的源极通过第二电流源I2接地，第五MOS管M5的漏极通过第七电感L7连接供电电源VDD，以及构成输出端Prot2连接第二级注入锁定分频器3的输入端，所述第六MOS管M6的漏极通过第八电感L8连接供电电源VDD。

第一级注入锁定分频器2接收前面的压控振荡器给出的输出，其中谐振电感L9将频率的误差控制在1GHz以内，由于分频器的工作频率较低(94GHz)，因此谐振电感L9的电感值应控制在120pH，品质因子Q也需要控制在可接受的范围。

如图4所示，所述的第二级注入锁定分频器3包括有第九MOS管M9、第十MOS管M10、第十一MOS管M11和变压器T，其中，所述第十一MOS管M11的栅极构成输入端Prot2连接所述第一级注入锁定分频器2的输出端，所述第十一MOS管M11的源极和漏极分别连接变压器T初级线圈的两端，所述变压器T次级线圈的一端构成输出端Prot3的正极或负极连接所述锁相环4的输入端，该端还分别连接第九MOS管M9的漏极和第十MOS管M10的栅极，所述变压器T次级线圈的另一端构成输出端Prot3的负极或正极连接所述锁相环4的输入端，该端还分别连接第十MOS管M10的漏极和第九MOS管M9的栅极，所述第九MOS管M9和第十MOS管M10的源极接地。

第二级注入锁定分频器3用于将第一级注入锁定分频器2输出的太赫兹信号进行1/12分频。