專利名稱：一種毫米波倍頻器及級聯(lián)倍頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻/毫米波集成電路技術(shù)領(lǐng)域，尤其是提供一種毫米波倍頻器及級 聯(lián)倍頻器。
背景技術(shù)：
毫米波是波長為1-10毫米(頻率30-300GHZ)的無線電波，毫米波技術(shù)可以廣 泛運(yùn)用于衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、遙感遙測、天文觀測等領(lǐng)域。近些年，隨著集成電路技術(shù)的飛速 發(fā)展，在半導(dǎo)體集成電路、乃至硅基CMOS集成電路上實(shí)現(xiàn)毫米波關(guān)鍵電路及系統(tǒng)成為了可 能，從而極大地拓展了毫米波技術(shù)在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用領(lǐng)域，如60GHz局域點(diǎn)對點(diǎn)超 高速無線通信、77GHz汽車導(dǎo)航與防碰撞雷達(dá)、94GHz微波成像與超高速無線通信等。在毫米波集成電路中，毫米波信號源是關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)方案采用VCO直接輸 出毫米波信號，然而這種方法由于直接使VCO工作在高頻(幾十到幾百GHz)，一方面對于 集成電路尤其是硅基BiCMOS或CMOS工藝而言設(shè)計(jì)難度很大，另一方面功耗水平很高。因 此，人們發(fā)展出了利用倍頻器的方案先通過一個(gè)工作在低頻的VCO產(chǎn)生較低頻率的信號， 然后通過倍頻器輸出高頻信號，這種思路極大的簡化了 VCO的設(shè)計(jì)難度和功耗。如圖1所 示的經(jīng)典倍頻器原理圖偏置Class-B狀態(tài)下的放大器產(chǎn)生二階非線性項(xiàng)，通過電感Ll和 電容Cl在二階頻率處諧振從而加強(qiáng)二階輸出，然后通過由電感、電容實(shí)現(xiàn)的帶通濾波器將 其他頻率分量濾除，最終實(shí)現(xiàn)倍頻功能；基于這種基本原理發(fā)展出來的倍頻器有很多，如文 獻(xiàn) Jung-HanChen,and Huei Wang,"A High Gain,High Power K-Band Frequency Doubler in 0. 18um CMOSProcess，，，IEEE Microwave and Wireless Components Letters, Vol. 20, No. 9，pp. 522-524，Sept. 2010闡述了上述原理實(shí)現(xiàn)的CMOS K-Band倍頻器。除此之外， 人們還發(fā)展出了其它倍頻器技術(shù)。如文獻(xiàn)Katsuji Kimura, "A Bipolar Four-Quadrant Analog Quarter-Square MultiplierConsisting of Unbalanced Emitter-Coupled Pairs and Expansions of Its Input Ranges，，，IEEEJournal of Solid-State Circuits, Vol. 29，No. 1，pp. 46-55，Jan. 1994報(bào)道了如圖2所示的基于非平衡差分對技術(shù)的倍頻器，
Eunyoung Seok, Changhua Cao, Dongha Shim, Daniel J. Arenas, David B. Tanner, Chin-Ming Hung, Kenneth K. 0,"A 41OGHz CMOS Push-Push Oscillator withan On-Chip Patch Antenna，，，IEEE ISSCC，pp. 472-473，F(xiàn)eb. 2008 闡述了如圖 3 所示的基于利用 VCO 二 階非線性實(shí)現(xiàn)的倍頻器。還有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)倍頻功能，一是通過混頻器實(shí)現(xiàn)，二是諧波 注入鎖定VCO實(shí)現(xiàn)。目前，現(xiàn)有的文獻(xiàn)和專利所述的倍頻器方案和技術(shù)，很多都沒有解決功耗太高的 問題，這就極大地限制了這些技術(shù)的應(yīng)用，如以電池供電的個(gè)人移動終端對低功耗的要求 很高；而有些雖然具備了低功耗的特征，但輸出頻譜不干凈、其他諧波成本太高，無法滿足 系統(tǒng)要求；輸出倍頻信號太弱，仍然需要高功耗的高頻放大器放大倍頻信號，這就喪失了低 功耗的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型的毫米波倍頻器及級聯(lián)倍頻器，尤其適用于集成 電路。具有可在硅基BiCMOS/CMOS工藝上單芯片集成、功耗低、輸出信號強(qiáng)、輸出頻譜純、諧 波抑制好的特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案為—種毫米波倍頻器，其特征在于包括偽差分房大器、LC并聯(lián)諧振腔、LC串聯(lián)諧振 腔；所述LC并聯(lián)諧振腔連接在所述偽差分放大器的輸出端與電源VDD之間，所述LC串聯(lián)諧 振腔連接在所述偽差分放大器的輸出端與地線之間，所述偽差分放大器的兩輸入端分別與 輸入基頻信號fo的正端、負(fù)端連接；其中，LC并聯(lián)諧振腔的諧振頻率為，LC串聯(lián)諧振腔 的諧振頻率為4&。進(jìn)一步的，所述偽差分放大器的偏置狀態(tài)為Class-B狀態(tài)；所述輸入基頻信號f； 為差分信號。進(jìn)一步的，所述偽差分放大器為偽差分共射放大器，其包括三極管Q0、三極管Ql ； 所述三極管Q0、三極管Ql的集電極相連作為所述偽差分放大器的輸出端；所述三極管Q0、 三極管Ql的發(fā)射極與地線連接；所述三極管Q0、三極管Ql的基極分別與輸入基頻信號fQ 的正端、負(fù)端連接。進(jìn)一步的，所述三極管QO的集電極與一三極管Q4的發(fā)射極連接，所述三極管Ql 的集電極與一三極管Q5的發(fā)射極連接，所述三極管Q4的集電極與所述三極管Q5的集電極 連接，組成所述偽差分共射放大器；其中，所述三極管Q4基極、三極管Q5基極與一參考電平 輸入端VB連接。進(jìn)一步的，所述偽差分放大器為偽差分共源放大器，其包括MOS管Q0、MOS管Ql ； 所述MOS管Q0、M0S管Ql的漏端相連作為所述偽差分放大器的輸出端；所述MOS管Q0、M0S 管Ql的源端與地線連接；所述MOS管Q0、M0S管Ql的柵端分別與輸入基頻信號&的正端、 負(fù)端連接。進(jìn)一步的，所述MOS管QO的漏端與一 MOS管Q4的源端連接，所述MOS管Ql的漏 端與一 MOS管Q5的源端連接，所述MOS管Q4的漏端與所述MOS管Q5的源端連接，組成所 述偽差分共源放大器，其中所述MOS管Q4柵端、MOS管Q5柵端與一參考電平輸入端VB連接。一種毫米波級聯(lián)倍頻器，其特征在于包括多個(gè)倍頻器，多個(gè)所述倍頻器依次通過 單轉(zhuǎn)雙的無源變壓器相連；其中，所述倍頻器包括偽差分放大器、LC并聯(lián)諧振腔、LC串聯(lián)諧 振腔，所述LC并聯(lián)諧振腔連接在所述偽差分放大器的輸出端與電源VDD之間，所述LC串聯(lián) 諧振腔連接在所述偽差分放大器的輸出端與地線之間，所述偽差分放大器的兩輸入端分別 與輸入基頻信號fo的正端、負(fù)端連接；所述LC并聯(lián)諧振腔的諧振頻率為，所述LC串聯(lián) 諧振腔的諧振頻率為4&。進(jìn)一步的，所述偽差分放大器的偏置狀態(tài)為Class-B狀態(tài)；所述輸入基頻信號f； 為差分信號。進(jìn)一步的，所述偽差分放大器為偽差分共射放大器，其包括三極管Q0、三極管Ql ； 所述三極管Q0、三極管Ql的集電極相連作為所述偽差分放大器的輸出端；所述三極管Q0、 三極管Ql的發(fā)射極與地線連接；所述三極管Q0、三極管Ql的基極分別與輸入基頻信號fQ的正端、負(fù)端連接。進(jìn)一步的，所述三極管QO的集電極與一三極管Q4的發(fā)射極連接，所述三極管Ql 的集電極與一三極管Q5的發(fā)射極連接，所述三極管Q4的集電極與所述三極管Q5的集電極 連接，組成所述偽差分共射放大器，其中所述三極管Q4基極、三極管Q5基極與一參考電平 輸入端VB連接。進(jìn)一步的，所述偽差分放大器為偽差分共源放大器，其包括MOS管Q0、MOS管Ql ； 所述MOS管Q0、M0S管Ql的漏端相連作為所述偽差分放大器的輸出端；所述MOS管Q0、M0S 管Ql的源端與地線連接；所述MOS管Q0、M0S管Ql的柵端分別與輸入基頻信號&的正端、 負(fù)端連接。進(jìn)一步的，所述MOS管QO的漏端與一 MOS管Q4的源端連接，所述MOS管Ql的漏 端與一 MOS管Q5的源端連接，所述MOS管Q4的漏端與所述MOS管Q5的漏端連接，組成所 述偽差分共源放大器，其中所述MOS管Q4、M0S管Q5的柵端與一參考電平輸入端VB連接。本發(fā)明的毫米波倍頻器，其結(jié)構(gòu)如圖4或圖5所示(1)三極管Q0/Q1 (或MOS管)形成偏置在Class-B狀態(tài)下的偽差分共射放大器 (對于BJT工藝而言)或共源放大器(對于CMOS工藝而言)；(2)基頻信號&的正端輸入到三極管QO基極(或MOS管的柵端)，對應(yīng)的信號頻 率為fo，信號相位為0度；(3)基頻信號fQ的負(fù)端輸入到三極管Ql基極(或MOS管的柵端)，對應(yīng)的信號頻 率為&，信號相位為180度；(4)三極管Q0/Q1的發(fā)射極(或MOS管的源端)連接到地GND，三極管Q0/Q1的集 電極(或MOS管的漏端)相連到輸出端；(5)電感Ll和電容Cl組成的LC并聯(lián)諧振腔連接在倍頻器(或放大器)輸出端和 電源VDD之間，其諧振頻率為2fQ ；(6)電感L2和電容C2組成的LC串聯(lián)諧振腔連接在倍頻器(或放大器)輸出端和 地GND之間，其諧振頻率為4 ；(7)倍頻器輸出端輸出倍頻信號，頻率為2f。。本發(fā)明的原理是(a)放大器偏置在Class-B狀態(tài)下，具有強(qiáng)烈的非線性，因此對于相位為φ的基頻 輸入信號fo而言，輸出信號頻譜中會有很強(qiáng)烈的二階非線性項(xiàng)，即頻率為的倍頻信號， 且相位為2φ。(b)放大器的輸出端有一個(gè)LC并聯(lián)諧振腔，諧振在處，因此輸出的倍頻信號 可以被諧振放大。(c)放大器的輸出端有一個(gè)LC串聯(lián)諧振腔，諧振在處，因此輸出的高階信號 4f0>8f0...可以被消除。(d)由于放大器為偽差分結(jié)構(gòu)，且基頻輸入信號&也為差分信號，對應(yīng)的頻率為 fo，對應(yīng)的相位分別為0度和180度。對于基頻信號4輸入正端(相位0度)而言，其在輸 出端的倍頻信號頻率為2‘相位為0度；對于基頻信號&輸入負(fù)端(相位180度)而言， 其在輸出端的倍頻信號頻率為，相位為360度；上述兩個(gè)倍頻輸出信號的相位分別為 0/360度，即相互加強(qiáng)的，因此輸出端可以輸出相互加強(qiáng)的倍頻信號。
(e)對于基頻信號fQ輸入正端(相位0度)而言，其在輸出端會存在基頻泄露信 號，頻率為fo，相位為0度；對于基頻信號f。輸入負(fù)端(相位0度)而言，其在輸出端會存 在基頻泄露信號，頻率為fo，相位為180度；上述兩個(gè)基頻泄露信號相位分別為0/180度，即 正好大小相等、符號相反，從而相互抵消；因此輸出端的基頻信號fo、以及奇數(shù)階信號3&、 5f0...可以被消除。(f)從而最終獲得了倍頻信號的加強(qiáng)輸出，且基頻泄露信號&和其它各階諧 波信號被消除，倍頻輸出信號強(qiáng)、頻譜純、諧波抑制好。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)功耗低由于工作在Class-B狀態(tài)，因此偏置電流低，電路的整體功耗很小，非 常適用于對低功耗要求高的系統(tǒng)，如移動終端系統(tǒng)等；(2)倍頻輸出信號頻譜純、諧波抑制好與傳統(tǒng)倍頻器技術(shù)相比，基頻泄露信號被 消除、各階諧波信號也被抑制，因此輸出信號質(zhì)量高、頻譜純，可以作為優(yōu)質(zhì)的信號源提供 給系統(tǒng)使用，如作為本振信號提供給接收機(jī)/發(fā)射機(jī)中的混頻器使用等；(3)倍頻輸出信號強(qiáng)從而省去了后級的高頻放大器，可以直接作為本振信號驅(qū) 動后面的混頻器，因此進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的功耗水平；(4)輸出頻率高輸出信號可以高于器件的本振頻率，從而可以產(chǎn)生上百GHz的輸 出信號；(5)可以在硅基工藝上單芯片集成，如硅基CMOS工藝、BiCMOS工藝、HBT工藝等； 可以作為一個(gè)模塊與其它電路和系統(tǒng)集成在單一芯片上，極大地提高了系統(tǒng)的集成度；(6)可以將該倍頻器多級級聯(lián)，從而產(chǎn)生很高的多倍頻信號。


圖1現(xiàn)有的利用Class-B放大器實(shí)現(xiàn)的經(jīng)典倍頻器原理圖；圖2現(xiàn)有的基于非平衡差分對技術(shù)的倍頻器原理圖；圖3現(xiàn)有的利用VCO 二階非線性實(shí)現(xiàn)的倍頻器原理圖；圖4是本發(fā)明所述的一種新型的倍頻器電路圖；圖5是本發(fā)明所述的基于MOS管實(shí)現(xiàn)的倍頻器電路圖；圖6是本發(fā)明的一個(gè)級聯(lián)倍頻器具體實(shí)施方式
示意圖。
具體實(shí)施例方式為了對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，現(xiàn)舉一個(gè)如下具體實(shí)施例本發(fā)明所述的新型倍頻器，可以通過Balim相級聯(lián)，形成多倍頻器。如圖6所示的 通過本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的一個(gè)四倍頻器案例，可以實(shí)現(xiàn)基頻信號到四倍頻信號的轉(zhuǎn)變，其包括 “倍頻器1”和“倍頻器2”。所述的“倍頻器1”包括三極管Q0/Q1和Q4/Q5、“LC并聯(lián)諧振腔1”、“LC串聯(lián)諧振 腔1”和“Balim 1”;所述的“倍頻器2”包括三極管Q2/Q3和Q6/Q7、“LC并聯(lián)諧振腔2”、“LC 串聯(lián)諧振腔2”和“Balim 2”。所述的“倍頻器1”，輸入信號為差分的基頻信號&，其正端連接Q0，負(fù)端連接Q1， 輸出信號為倍頻信號；所述的“倍頻器1”與發(fā)明原理圖(圖4或5)有所不同的是，在Q0/Q1之上多了共基管Q4/Q5 (或共柵管)，這可以進(jìn)一步增強(qiáng)倍頻器的反向隔離度，進(jìn)一步 降低基頻信號到輸出端的泄露；所述的“倍頻器1”與發(fā)明原理圖(圖4或幻有所不同的 是，在輸出端之后增加了一個(gè)單轉(zhuǎn)雙的無源變壓器Balim 1，可以將單端的倍頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)?差分的倍頻信號。所述的“倍頻器2”，輸入信號為“倍頻器1”的輸出信號，即差分的倍頻信號2f。， 其正端連接Q2，負(fù)端連接Q3，輸出信號為四倍頻信號；所述的“倍頻器2”與發(fā)明原理圖 (圖4或幻有所不同的是，在Q2/Q3之上多了共基管Q6/Q7 (或共柵管)，這可以進(jìn)一步增 強(qiáng)倍頻器的反向隔離度，進(jìn)一步降低基頻信號到輸出端的泄露；所述的“倍頻器2”與發(fā)明 原理圖(圖4或5)有所不同的是，在輸出端之后增加了一個(gè)單轉(zhuǎn)雙的無源變壓器Balim 2， 可以將單端的四倍頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘值乃谋额l信號。上述實(shí)施案例提供了一種基于三極管實(shí)現(xiàn)的四倍頻器技術(shù)及電路，與之對應(yīng)的， 也可以采用MOS管實(shí)現(xiàn)四倍頻器技術(shù)及電路。上述實(shí)施案例提供了基于本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的一種四倍頻器技術(shù)及集成電路，也可以通 過級聯(lián)多個(gè)倍頻器實(shí)現(xiàn)更高倍數(shù)的多倍頻器技術(shù)及電路。以上通過詳細(xì)實(shí)施案例描述了本發(fā)明所提供的一種毫米波倍頻器技術(shù)及集成電 路，本領(lǐng)域的研究人員和技術(shù)人員可以根據(jù)上述的步驟作出形式或內(nèi)容方面的非實(shí)質(zhì)性的 改變而不偏離本發(fā)明實(shí)質(zhì)保護(hù)的范圍，因此，本發(fā)明不局限于實(shí)施例中所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種毫米波倍頻器，其特征在于包括偽差分房大器、LC并聯(lián)諧振腔、LC串聯(lián)諧振 腔；所述LC并聯(lián)諧振腔連接在所述偽差分放大器的輸出端與電源VDD之間，所述LC串聯(lián)諧 振腔連接在所述偽差分放大器的輸出端與地線之間，所述偽差分放大器的兩輸入端分別與 輸入基頻信號fo的正端、負(fù)端連接；其中，LC并聯(lián)諧振腔的諧振頻率為，LC串聯(lián)諧振腔 的諧振頻率為4&。
2.如權(quán)利要求1所述的倍頻器，其特征在于所述偽差分放大器的偏置狀態(tài)為Class-B 狀態(tài)；所述輸入基頻信號&為差分信號。
3.如權(quán)利要求1或2所述的倍頻器，其特征在于所述偽差分放大器為偽差分共射放大 器，其包括三極管Q0、三極管Ql ；所述三極管Q0、三極管Ql的集電極相連作為所述偽差分 放大器的輸出端；所述三極管Q0、三極管Ql的發(fā)射極與地線連接；所述三極管Q0、三極管 Ql的基極分別與輸入基頻信號&的正端、負(fù)端連接。
4.如權(quán)利要求3所述的倍頻器，其特征在于所述三極管QO的集電極與一三極管Q4的 發(fā)射極連接，所述三極管Ql的集電極與一三極管Q5的發(fā)射極連接，所述三極管Q4的集電 極與所述三極管Q5的集電極連接，組成所述偽差分共射放大器；其中，所述三極管Q4基極、 三極管Q5基極與一參考電平輸入端VB連接。
5.如權(quán)利要求1或2所述的倍頻器，其特征在于所述偽差分放大器為偽差分共源放大 器，其包括MOS管Q0、M0S管Ql ；所述MOS管Q0、M0S管Ql的漏端相連作為所述偽差分放大 器的輸出端；所述MOS管Q0、MOS管Ql的源端與地線連接；所述MOS管Q0、MOS管Ql的柵 端分別與輸入基頻信號&的正端、負(fù)端連接。
6.如權(quán)利要求5所述的倍頻器，其特征在于所述MOS管QO的漏端與一MOS管Q4的源 端連接，所述MOS管Ql的漏端與一 MOS管Q5的源端連接，所述MOS管Q4的漏端與所述MOS 管Q5的源端連接，組成所述偽差分共源放大器，其中所述MOS管Q4柵端、MOS管Q5柵端與 一參考電平輸入端VB連接。
7.一種毫米波級聯(lián)倍頻器，其特征在于包括多個(gè)倍頻器，多個(gè)所述倍頻器依次通過單 轉(zhuǎn)雙的無源變壓器相連；其中，所述倍頻器包括偽差分放大器、LC并聯(lián)諧振腔、LC串聯(lián)諧振 腔，所述LC并聯(lián)諧振腔連接在所述偽差分放大器的輸出端與電源VDD之間，所述LC串聯(lián)諧 振腔連接在所述偽差分放大器的輸出端與地線之間，所述偽差分放大器的兩輸入端分別與 輸入基頻信號fo的正端、負(fù)端連接；所述LC并聯(lián)諧振腔的諧振頻率為，所述LC串聯(lián)諧 振腔的諧振頻率為4&。
8.如權(quán)利要求7所述的級聯(lián)倍頻器，其特征在于所述偽差分放大器的偏置狀態(tài)為 Class-B狀態(tài)；所述輸入基頻信號f；為差分信號。
9.如權(quán)利要求7或8所述的級聯(lián)倍頻器，其特征在于所述偽差分放大器為偽差分共射 放大器，其包括三極管Q0、三極管Ql ；所述三極管Q0、三極管Ql的集電極相連作為所述偽 差分放大器的輸出端；所述三極管Q0、三極管Ql的發(fā)射極與地線連接；所述三極管Q0、三 極管Ql的基極分別與輸入基頻信號fo的正端、負(fù)端連接。
10.如權(quán)利要求9所述的級聯(lián)倍頻器，其特征在于所述三極管QO的集電極與一三極管 Q4的發(fā)射極連接，所述三極管Ql的集電極與一三極管Q5的發(fā)射極連接，所述三極管Q4的 集電極與所述三極管Q5的集電極連接，組成所述偽差分共射放大器，其中所述三極管Q4基 極、三極管Q5基極與一參考電平輸入端VB連接。
11.如權(quán)利要求7或8所述的級聯(lián)倍頻器，其特征在于所述偽差分放大器為偽差分共 源放大器，其包括MOS管Q0、M0S管Ql ；所述MOS管Q0、M0S管Ql的漏端相連作為所述偽差 分放大器的輸出端；所述MOS管Q0、M0S管Ql的源端與地線連接；所述MOS管Q0、M0S管Ql 的柵端分別與輸入基頻信號&的正端、負(fù)端連接。
12.如權(quán)利要求11所述的級聯(lián)倍頻器，其特征在于所述MOS管QO的漏端與一MOS管 Q4的源端連接，所述MOS管Ql的漏端與一 MOS管Q5的源端連接，所述MOS管Q4的漏端與 所述MOS管Q5的漏端連接，組成所述偽差分共源放大器，其中所述MOS管Q4、MOS管Q5的 柵端與一參考電平輸入端VB連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種毫米波倍頻器及級聯(lián)倍頻器，屬于射頻/毫米波集成電路技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的倍頻器包括偽差分房大器、LC并聯(lián)諧振腔、LC串聯(lián)諧振腔；所述LC并聯(lián)諧振腔連接在所述偽差分放大器的輸出端與電源VDD之間，所述LC串聯(lián)諧振腔連接在所述偽差分放大器的輸出端與地線之間，所述偽差分放大器的兩輸入端分別與輸入基頻信號f0的正端、負(fù)端連接；其中，LC并聯(lián)諧振腔的諧振頻率為2f0，LC串聯(lián)諧振腔的諧振頻率為4f0。本發(fā)明的級聯(lián)倍頻器包括多個(gè)上述倍頻器，多個(gè)所述倍頻器依次通過單轉(zhuǎn)雙的無源變壓器相連。本發(fā)明具有功耗低、倍頻輸出信號頻譜純、諧波抑制好，輸出信號強(qiáng)、頻率高，易于在硅基工藝上單芯片集成的特點(diǎn)。
文檔編號H03B19/00GK102104362SQ20111004932
公開日2011年6月22日 申請日期2011年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月1日
發(fā)明者葉樂, 廖懷林, 王逸瀟, 黃如 申請人:北京大學(xué)