實現(xiàn)環(huán)形振蕩器注入鎖定的方法及其電路的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于振蕩器技術領域，具體涉及一種實現(xiàn)環(huán)形振蕩器注入鎖定的方法及其 電路。
【背景技術】
[0002] 隨著現(xiàn)代信息技術的快速發(fā)展，對于高數(shù)據(jù)率和大帶寬的通信技術要求日益強 烈，使得高速混合信號集成電路的發(fā)展在近些年來得到了極大的關注。作為高速系統(tǒng)核心 部件之一的分頻器（frequency divider)在多工器、鎖相環(huán)和頻率合成器等電路中得到了 廣泛的應用。
[0003]目前，工作在數(shù)十吉赫茲的分頻器在芯片實現(xiàn)上主要采用三五族半導體工藝技 術，而采用傳統(tǒng)的CMOS工藝技術實現(xiàn)高速分頻器卻仍是一個挑戰(zhàn)，后者往往需要以高功耗 為代價來獲得高的工作頻率。在無線通信領域，低功耗設計已成為各種通信系統(tǒng)對電路設 計的必然要求。近年來，注入鎖定分頻器以其高速低功耗的特性，受到了廣泛關注與研究。
[0004] 注入鎖定（injection locking)是外界施加周期性射頻信號到自由振蕩的振蕩器 上引起串擾、而當串擾較強且外部周期性射頻信號的頻率非常接近振蕩器的固有頻率或該 固有頻率的某一諧波時，振蕩器頻率同步于該外部周期性射頻信號頻率的物理現(xiàn)象。假設 外部周期性射頻信號以％頻率被注入到自由振蕩頻率為ω ^的振蕩器，當ω ω ^差別 較大時，振蕩器的輸出包含兩頻率組成的差拍頻率（beat frequency)的信號。當ωι接近 ，差拍頻率隨之下降；當ωι進入鎖定范圍（locking range)時，差拍現(xiàn)象消失且振蕩器 將在％頻率進行振蕩。此外，當ω i接近ω ^的諧波或子諧波（即，ηω ^或l/ηω J時，也 會發(fā)生注入鎖定現(xiàn)象，注入鎖定分頻器就是利用該諧波鎖定原理來進行設計的。
[0005] 注入鎖定分頻器主要由注入鎖定振蕩器組成，注入鎖定振蕩器大致上可以分為兩 種，一種是LC注入鎖定振蕩器，另一種是RC負載注入鎖定環(huán)形振蕩器。LC注入鎖定振蕩器 能提供非常高的工作頻率和低的功耗，但是其鎖定范圍比較窄，而且由于LC儲能電路中片 上電感的存在，需要占據(jù)很大的芯片面積。相比較LC注入鎖定振蕩器，RC負載注入鎖定環(huán) 形振蕩器有更低的品質(zhì)因子Q值，因此RC負載注入鎖定環(huán)形振蕩器能提供比LC注入鎖定 振蕩器更寬的鎖定范圍。同時，RC負載注入鎖定環(huán)形振蕩器有較低的功耗和更小的芯片面 積，但是振蕩頻率卻比較低。
[0006] 寬鎖定范圍和高注入效率的注入鎖定振蕩器的設計已成為當前的研究熱點和難 點。在實際應用中，注入鎖定振蕩器需要足夠寬的注入鎖定范圍來減輕由芯片工藝制程、電 源電壓和溫度（PVT)的擾動所帶來的注入失效風險，同時使輸出相位噪聲最小化。如何提 高注入鎖定振蕩器的鎖定范圍和注入效率，關鍵在于如何實現(xiàn)外部周期性射頻信號注入的 注入技術（injection technique)。在注入鎖定環(huán)形振蕩器中，實現(xiàn)注入鎖定常用的兩種注 入技術是尾式注入（tail injection)和直接注入（direct injection)。
[0007] 圖1和圖2給出 了非專利文獻（Stefano Dal Toso，Marc Tiebout，VOL. 58, NO. 7, JULY2010)中對注入鎖定分頻器的兩種注入方式的示意圖。
[0008] 在圖1中，尾式注入方式作為傳統(tǒng)的注入方式，是將外部周期性射頻信號Vinj注 入到環(huán)形振蕩器某一級反相器單元的注入管即尾電流管Mtail的柵極，進行注入鎖定。在 很高的工作頻率下，外部周期性射頻信號經(jīng)注入管Mtail的跨導轉化成的注入電流Itail 將部分消失在該注入管Mtail的寄生電容中，顯著降低尾電流管Mtail注入的效率；而 且，尾電流管Mtail除了作為注入管還需要為該差分反相器單元提供偏置，因此其版圖尺 寸較大。為了緩解因注入管寄生電容而帶來的注入能量損耗，非專利文獻（Liang-Hung Lu，V0L. 15，N0. 10,0CT0BER2005)在注入管Mtail加上并聯(lián)電感Lshunt，利用該并聯(lián)電感和 注入管寄生電容在注入外部周期性射頻信號頻率附近的諧振來提高注入效率，但并聯(lián)電感 顯然會使尾式注入的尺寸大大增加。另外一種更為直接有效的注入方式如圖2所示，該直 接注入方式無需利用反相器單元的尾電流管作為注入管，而是另外增加一個晶體管Μιη]作 為注入管，直接將外部周期性射頻信號Vin]注入到新增注入管的柵極，經(jīng)注入管轉化成的注 入電流直接進入振蕩器的諧振腔。由于注入管Minj無需提供偏置功能，因此可以設計成較 小的尺寸。同時，由于更直接有效的注入方式，避免了寄生電容對注入效率的影響，鎖定范 圍也因此相對較大。
[0009] 更多的專利文獻和非專利文獻關注于環(huán)形振蕩器兩種注入技術之外的 延伸拓展，以期獲得更為理想的鎖定范圍與注入效率。非專利文獻（Liang-Hung Lu, VOL. 15, NO. 10, 0CT0BER2005)對比以前的單端型（single-ended)注入方式，采用 差模型（differential-mode)注入方式，將差模信號注入到環(huán)形振蕩器相鄰兩級反 相器的尾式注入管，獲得了更高的注入效率和更寬的鎖定范圍。非專利文獻（J.-C. Chien, L. -H. Lu, V0L. 42, N0. 9, SEPTEMBER 2007)和（A. Mirzaei, M. Heidari, R. Bagheri，A. Abidi，VOL. 43, NO. 3, MARCH 2008)將注入節(jié)點由單端型注入方式的單節(jié)點或差模型注 入方式的雙節(jié)點擴展至多節(jié)點，各節(jié)點都注入相同頻率和相同幅度的外部注入信號，且 相鄰兩節(jié)點的外部注入信號保持等相位差，這種注入方式稱為漸進相位多節(jié)點注入方式 (multiple-node injection in progressive phases)，其特點在于多節(jié)點注入和多相位注 入，能獲得很高的注入效率和很寬的注入鎖定范圍。然而，當多相位注入輸入的相位差偏離 其最佳值的情況下，漸進相位多節(jié)點注入方式的注入鎖定范圍將變小甚至比單端型注入方 式的還要小。同時，實現(xiàn)多節(jié)點注入需要多個信號輸入端進行注入，不利于環(huán)形振蕩器的集 成化和微型化。因此，非專利文獻（Xiang Yi，Chirn Chye Boon, Manh Anh Do, Kiat Seng Yeo, VOL. 21，NO. 10, OCTOBER 2011)引入對稱的注入電路結構，能將單節(jié)點上單相位輸入端 注入的信號轉化成多相位注入進行注入鎖定，實現(xiàn)了單節(jié)點多相位注入方式。對于N階環(huán) 形振蕩器，引入的對稱注入電路結構包含（Ν(Ν-1)/2)個注入晶體管，因此該技術是以增加 注入晶體管的數(shù)量為代價減少了多相位注入的輸入端，在一定程度上減小了尺寸，方便了 注入鎖定的應用。此外，專利文獻（CN 102356547 A)和非專利文獻（Supeng Liu, Yuanjin Zheng，V0L. 25, NO. 5, MAY 2015)采用了復合注入技術，該技術同時包含尾式注入和直接注 入兩種注入技術，以實現(xiàn)更理想的環(huán)形振蕩器注入鎖定。
[0010] 然而，上述現(xiàn)有技術存在了如下問題：
[0011] (1)現(xiàn)有技術需要引入額外的注入信號輸入端，將外部周期性射頻信號通過該注 入信號輸入端注入到環(huán)形振蕩器注入管的柵極，特別是多節(jié)點注入技術需要引入多個額外 的注入信號輸入端，不利于注入鎖定環(huán)形振蕩器的集成化與微型化；
[0012] (2)現(xiàn)有技術大多需要在原環(huán)形振蕩器中加入額外設計的由注入管等器件組成的 注入電路，用于注入路徑的改善等，以此提高注入效率與鎖定范圍。因此，現(xiàn)有技術存在的 介入性特點，導致無法對已流片的環(huán)形振蕩器添加注入電路，進行注入鎖定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 為了解決上述問題，本發(fā)明的第一目的是提供一種非介入性的實現(xiàn)環(huán)形振蕩器注 入鎖定的方法，無需引入額外的注入電路和額外的信號輸入引腳就可以實現(xiàn)注入鎖定。
[0014] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明按以下技術方案予以實現(xiàn)的：
[0015] 本發(fā)明所述的實現(xiàn)環(huán)形振蕩器注入鎖定的方法，將外部周期性射頻信號耦合到環(huán) 形振蕩器單元的電源引腳；其中，所述外部周期性射頻信號的注入頻率ωιη]與環(huán)形振蕩器 自由振蕩頻率ω。的注入范圍關系為：〇. 9 ω?！?ω inj/n〈 ω。，其中，η為正整數(shù)，表不尚次諧波 的次數(shù)；所述外部周期性射頻信號的注入強度Αιη]的范圍是：0〈A in]〈0. 5VDD，其中VDD為無干 擾時環(huán)形振蕩器的電源電壓。
[0016] 進一步地，所述電源引腳為注入信號輸入端。
[0017] 為了解決上述問題，本發(fā)明的第二目的是提供一種注入鎖定的環(huán)形振蕩器電路， 具有簡單、便捷地實現(xiàn)注入鎖定的特點，無需另外額外設置輸入信號的輸入端，從而保證了 集成化和微型化的特點。
[0018] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明按以下技術方案予以實現(xiàn)的：
[0019] 本發(fā)明所述的注入鎖定的環(huán)形振蕩器電路，包括串聯(lián)連接的環(huán)形振蕩器單元，所 述環(huán)形振蕩器單元的電源引腳處耦合有外部周期性射頻信號源；所述外部周期性射頻信號 的注入頻率ω inj與環(huán)形振蕩器自由振蕩頻率ω。的注入范圍關系為：〇. 9 ω?！?ω inj/n〈 ω。， 其中，η為正整數(shù)，表示高次諧波的次數(shù)；所述外部周期性射頻信號的注入強度Αιη]的范圍 是：0〈Ainj〈0. 5VDD，其中VDD為無干擾時環(huán)形振蕩器的電源電壓。
[0020] 進一步地，所述環(huán)形振蕩器單元為奇數(shù)個反相器通過級聯(lián)形成的回路。
[0021] 進一步地，所述環(huán)形振蕩器單元包括串聯(lián)連接的反相器回路和輸出緩沖電路；所 述反相器回路是由奇數(shù)個反相器通過級聯(lián)形成的回路。
[0022] 進一步地，所述反相器為單端信號型反相器。
[0023] 進一步地，所述單端信號型反相器由N溝道金屬氧化物半導體型晶體管和P溝道 金屬氧化物半導體型晶體管組成。
[0024] 進一步地，所述環(huán)形振蕩器單元為環(huán)形振蕩器、可配置邏輯塊和可編程開關矩陣 組成的FPGA可編程芯片。
[0025] 進一步地，所述環(huán)形振蕩器單元為環(huán)形振蕩器組成的ASIC專用集成電路芯片。<