一種應用于高速鎖相環的寬鎖定范圍注入鎖定分頻器

邢子哲

(天津大學 天津市成像與感知微電子技術重點實驗室，天津 300072)

分頻器是毫米波鎖相環電路中的核心模塊之一，常用于壓控振蕩器輸出信號的分頻，可與參考信號比較完成鎖相，最終使鎖相環電路產生穩定的本振信號[1]。相較于電流模邏輯靜態分頻器與密勒分頻器，注入鎖定分頻器具有工作頻率高、功耗低的優勢，更適于作為鎖相環系統中的第一級分頻器[2]。為了避免工藝偏差造成的影響，并滿足毫米波通信系統對寬帶或多帶工作的需求，注入鎖定分頻器應在保證功耗較低、面積較小的同時，達到更寬的鎖定范圍[3]。目前，已有多種擴展鎖定范圍的技巧被應用于注入鎖定分頻器的設計中。文獻[4]采用峰化電感(Inductive-peaking)與變壓器反饋(Transformer feedback)的技巧設計了一個基于0.13 um CMOS工藝的注入鎖定分頻器，峰化電感能夠與寄生電容諧振從而增大注入管源漏極的電壓擺幅，導致注入效率降低，鎖定范圍無法大幅擴展。文獻[5]利用可變電容管設計了一個基于65 nm CMOS工藝的分頻器，通過改變自諧振頻率來增大鎖定范圍，但在鎖相環系統中需要加入控制電路來同時對壓控振蕩器與分頻器進行調節，這會增大鎖相環系統的功耗與復雜度。文獻[6]提出一個基于65 nm CMOS的頻率跟蹤(Frequency-tracking)分頻器，但是引入的無源器件會令芯片面積變大。

在對傳統注入鎖定分頻器電路結構與性能指標的分析基礎上，提出一種基于55 nm CMOS工藝的寬鎖定范圍注入鎖定分頻器。采用變壓器作為高階LC諧振腔，并利用分布式差分直接注入，有效地擴大鎖定范圍，達到了較好的整體性能。……