一种全差分微波毫米波倍频器的制造方法
【专利摘要】一种高转换增益的全差分倍频器，设有倍频单元、两个相同的传输线单元和负阻增强单元。倍频单元采用互补推-推结构，传输线单元采用共面波导结构，负阻增强单元采用互补交叉耦合结构，倍频单元实现输入信号的倍频，采用一个PMOS推-推倍频器和一个NMOS管推-推倍频器并联，利用传输线单元实现直流供电和阻隔输出交流信号，通过负阻增强单元对交流输出信号进行增强，最终电路通过电容输出倍频后的差分电压信号。
【专利说明】—种全差分微波毫米波倍频器
【技术领域】
[0001]本发明涉及微波及毫米波电路中的倍频器，尤其是一种全差分微波毫米波倍频器，采用CMOS工艺，在微波及毫米波电路中具有较大优势，设计结构简单，在提供全差分输出信号的同时，可将转换增益大幅度提高。
【背景技术】
[0002]倍频器是微波及毫米波电路中的常用器件，其作用是将输入信号的频率提高，按照提高的倍数可以分为二倍频器、三倍频器等。倍频器的产生是因为在高频应用时，由于电感、电容等无源器件的Q值比较低，振荡器需要消耗较大的电流才能起振，振荡器的相位噪声也会因此恶化。所以需要先生成一个中间频率，然后再利用倍频器得到目标的频率。设计一款低功耗、高转换增益的倍频器电路IP核具有较为广泛的应用前景和应用价值。
[0003]微波毫米波一般指30GHz到300GHz的频段。该频段的波长在Icm以内，对于集成电路和PCB设计来讲，信号线的长度已经与波长相近或超过波长，需要考虑传输线效应。
[0004]推-推结构倍频器广泛应用于倍频器的设计中，主要原因是其具有简单的电路结构，传统的推-推倍频器电路如图1所示，其工作原理如图2所示。两个MOS管偏置电压均设置在开启电压处，假设有一组周期为T的差分信号Vin送入倍频器的输入端，如图2 (a)所示，在信号的正半周(O?T/2)内丽I导通，丽2关断；在信号的负半周(T/2?T)内丽2导通，丽I关断。因此会在M点处形成如图2 (b)中所示的波形，再经过电感、电容以及寄生电容的滤波，高频分量被滤除，直流分量被隔离，最终形成如2 (c)所示的输出信号波形，此时输出信号的周期变为T/2，电路实现了倍频功能。
[0005]传统的推-推结构倍频器具有以下缺点:第一是转换增益低。传统推-推结构倍频器转换增益一般在-1OdB以下。这是由于电路的结构所决定的。由于MOS管的偏置被置于开启电压的位置，因此限制了 MOS管的放大作用，导致输出信号幅度受限，且即使增加电路功耗也不会有显著收益。
[0006]第二是输入信号为差分，输出信号为单端，输入输出信号的端口数不匹配。如图1所示，传统推-推结构倍频器将两个MOS管的漏极相连，并引出输出信号，因此只有单端输出信号。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是为克服传统的推-推结构倍频器的不足，提出一种全差分微波毫米波倍频器，能在保证全差分输入输出的基础上，大幅度提高电路转换增益。
[0008]本发明采取的技术方案如下:一种全差分微波毫米波倍频器，其特征在于:设有倍频单元、负阻增强单元和两个相同的传输线单元，差分射频输入信号vin+、vin_分别连接倍频单元的正输入端1-1n+和负输入端1-1rT,倍频单元的输出端1-Out+和l_0ut_分别连接负阻增强单元的正输入端3-1n+和负输入端3-1n_，同时，倍频单元的输出端1-Out+和Ι-Out—各连接一个传输线单元，两个传输线单元的另一端分别连接电源和地线，负阻增强单元的正输出端3-Out+和负输出端3-0ut_输出差分射频信号Vout ;其中:
[0009]倍频单元设有一对差分输入端口 1-1n+和1-1n_，一对偏置输入端口 Vbias p和Vbias—N，一对差分输出端口 1-Out+和1-Out^包括PMOS管MPl、MP2，NMOS管MNl、MN2，隔直电容CP1、CP2、CN1、CN2，偏置电阻RP1、RP2、RN1、RN2，输入匹配电感LI和L2，差分输入端口 1-1n+连接差分射频输入信号Vin+和电感LI的一端，电感LI的另一端连接隔直电容CPl和CNl的一端，隔直电容CPl的另一端连接PMOS管MPl的栅极和偏置电阻RPl的一端，隔直电容CNl的另一端连接PMOS管MNl的栅极和偏置电阻RNl的一端；相应地，差分输入端口 1-1n-连接差分射频输入信号Vin_和电感L2的一端，电感L2的另一端连接隔直电容CP2和CN2的一端，隔直电容CP2的另一端连接PMOS管MP2的栅极和偏置电阻RP2的一端，隔直电容CN2的另一端连接PMOS管丽2的栅极和偏置电阻RN2的一端；偏置电阻RPl和RP2的另一端共同连接偏置输入端口 Vbias—p，偏置电阻RNl和RN2的另一端共同连接偏置输入端口 Vbias—N，PMOS管MPl的源极与MP2的源极、NMOS管丽I的漏极和丽2的漏极连接在一起，作为倍频单元的差分输出端口 1-Out+，PMOS管MPl的漏极与MP2的漏极、NMOS管丽I的源极和丽2的源极连接在一起，作为倍频单元的差分输出端口 Ι-Out—；
[0010]负阻增强单元设有一对差分输入端口 3-1n+和3-1n_，一对差分输出端口 3_0ut+和3-0ut、包括 PMOS 管 MP3、MP4, NMOS 管 MN3、MN4,电感 L3，电容 C3、C4、C5、C6 ；PM0S 管 MP3和MP4的源极互连并连接电源VDD，NMOS管丽3和MN4的源极互连并接地，PMOS管MP3的漏极与PMOS管MP4的栅极、电容C3、C5的一端、电感L3的一端以及NMOS管丽3的漏极和NMOS管MN4的栅极连接在一起，电容C3的另一端连接倍频单元的差分输出端口 l_0ut+，电容C5的另一端为负阻增强单元的输出差分射频信号Vout+，PMOS管MP3的栅极与PMOS管MP4的漏极、电容C4、C6的一端、电感L3的另一端以及NMOS管丽3的栅极和NMOS管MN4的漏极连接在一起，电容C4的另一端连接倍频单元的差分输出端口 l_0ut_，电容C6的另一端为负阻增强单元的输出差分射频 信号Vout_ ；
[0011]两个传输线单元均设有一条传输线，其长度为输出频率的四分之一，其中一个传输线单元的传输线的一端连接电源VDD，另一端连接倍频单元的差分输出端口 Ι-Out+，另一个传输线单元的传输线的一端接地，另一端连接倍频单元的差分输出端口 l_0ut_。
[0012]所说传输线单元中的传输线包括共面波导传输线、微带传输线或其它用于微波及毫米波的传输线。
[0013]可以将倍频单元和负阻增强单元中的NMOS管替换成NPN型三极管，PMOS管替换成PNP型三极管。
[0014]本发明的优点及显著效果(以下仿真结果均在25GHz输入、50GHz输出的频段下进行，通过调整元件参数，本发明结构可以应用于其他各频段):
[0015](I)全差分输出。如图1所示，传统的推-推倍频器由于结构原因只能在MOS管的漏极生成单端输出信号，在一些使用差分信号的场合下需要另外加入巴伦(Balun)来获得差分信号。而巴伦又会使输出信号的幅度降低。本发明采用互补推-推结构，能够得到幅度较为均衡的差分输出信号。
[0016](2)高转换增益。传统推-推结构倍频器中，由于MOS管的偏置被置于开启电压的位置，因此限制了 MOS管的放大作用，导致输出信号幅度较低。本发明采用负阻增强技术，能够大幅度提高输出信号的功率。【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是传统推-推结构倍频器的电路原理图；
[0018]图2是传统推-推结构倍频器的工作原理图；
[0019]图3是本发明倍频器的电路框图；
[0020]图4是本发明倍频器的电路原理图；
[0021]图5是本发明倍频器中倍频单元的等效工作原理图；
[0022]图6是本发明倍频器中负阻增强单元的等效工作原理图；
[0023]图7是采用双极型器件的本发明倍频器的电路原理图。
【具体实施方式】
[0024]参看图3，本发明设有倍频单元1、两个相同的传输线单元2以及负阻增强单元3。差分射频输入信号Vin+、vin_分别连接倍频单元I的正输入端1-1n+和负输入端1-1n_，倍频单元I的输出端1-Out+和l-0ut_分别连接负阻增强单元3的正输入端3-1n+和负输入端3-1n_,同时,倍频单元I的输出端1-Out+和1_0111:_各连接一个传输线单元2,负阻增强单元3的正输出端3-0ut+和负输出端3-0ut_输出差分射频信号Vout。两个传输线单元2的一端分别接电源和地线，另一端分别连接倍频单元I的输出端1-Out+和l-0ut_。
[0025]参看图4，倍频单元I包括PMOS管MP1、MP2，NM0S管MN1、MN2，隔直电容CP1、CP2、CNU CN2，偏置电阻RP1、RP2、RNU RN2，输入匹配电感LI和L2。传输线单元2包括传输线TL。负阻增强单元3的包括PMOS管MP3、MP4, NMOS管MN3、MN4，电感L3，电容C3、C4、C5、C6。电路的连接关系如下:
[0026]倍频单元I的差分输出端分别接两个相同的传输线单元2，同时接入负阻增强单元3的差分输入。两个传输线单元2的另一端分别接电源和地线。传输线单元2由一条共面波导传输线组成，传输线长度为输出频率的四分之一波长。
[0027]倍频单元I采用了 PMOS和NMOS互补的改进型推-推结构，其工作原理如图5所示。PMOS管MPl和MP2的源极和漏极分别连接在一起，构成一个推_推结构倍频器，两个连接点作为差分输出，如图5 (a)所示。但由于MOS管源极和漏极的放大能力不同，该差分输出信号的幅度存在较大的偏差。NMOS管丽1、丽2构建另一个推-推结构倍频器，如图5(b)所示。使两个倍频器并连，如图5 (c)所示，并通过调整PMOS和NMOS的偏置电压以获得较为平衡的差分信号。在实际使用中，需要通过电感L1、L2来实现输入阻抗匹配，通过电阻RP1、RP2、RNl、RN2分别对MP1、MP2、MN1、MN2的栅极加入偏置电压，并通过电容CP1、CP2、CNU CN2来隔离直流电平。
[0028]传输线单兀2由一条传输线构成,其长度为输出频率的四分之一。根据传输线的阻抗变换原理，该段传输线一端接直流电源或接地时，另一端口对于输出频率呈高阻，可以有效的阻隔交流信号，使信号传输向负阻增强单元3。传输线可以用任意结构的微波及毫米波传输线来实现，如共面波导、微带线等，只需保证其长度为输出波长的四分之一即可。
[0029]负阻增强单元3的电路原理如图6 (a)所示，使用互补交叉耦合结构构建负阻，图中的电感起到调谐负阻的工作频率的作用。负阻增强技术的工作原理如图6 (b)所示，节点I和2为一对差分信号输出点，Rli和Rlj2为差分输出的负载电阻，V1和V2为对应的差分输出电压，I1和“为对应的差分输出电流。在差分输出信号的中间接入一个负阻_R，当输出电压^>2时，负阻将产生一个从2流向I的电流iMg，该电流会对输出电流进行增强，最终负载上的电流会变为iuii+lg和iL2=i2_ineg。
[0030]本发明在传统推-推结构倍频器的基础上进行改进，实现了全差分输入输出，并且利用负阻增强技术提高了转换增益。倍频单元I采用互补推-推结构，传输线单元2采用共面波导结构，负阻增强单元3采用互补交叉耦合结构，倍频单元I实现输入信号的倍频，采用一个PMOS推-推倍频器和一个NMOS管推-推倍频器并联，利用传输线单元2实现直流供电和阻隔输出交流信号，通过负阻增强单元3对交流输出信号进行增强，最终电路通过电容输出倍频后的差分电压信号。
[0031]虽然本发明中给出的是25GHz输入频段的仿真结果，但通过调整本发明的元件参数，本发明同样适用于其他频段。例如，调节L1、L2的电感值，使输入匹配在输入频率上；调节传输线单元2中的传输线长度，使其等于输出频率的四分之一波长；调节L3的电感值，使负阻增强单元3在输出频率上呈负阻。
[0032]本发明结构除了可以用场效应管实现，也可以用双极型晶体管实现。用双极型晶体管实现时，只需要将NMOS管替换成NPN型三极管，PMOS管替换成PNP型三极管即可。具体实施方案如图 7所示。
【权利要求】
1.一种全差分微波毫米波倍频器，其特征在于:设有倍频单元、负阻增强单元和两个相同的传输线单元，差分射频输入信号vin+、Vin_分别连接倍频单元的正输入端1-1n+和负输入端1-1n_，倍频单元的输出端1-Out+和l_0ut_分别连接负阻增强单元的正输入端3-1n+和负输入端3-1n_，同时，倍频单元的输出端1-Out+和l-0ut_各连接一个传输线单元，两个传输线单元的另一端分别连接电源和地线，负阻增强单元的正输出端3-Out+和负输出端3-0ut_输出差分射频信号Vout ;其中: 倍频单元设有一对差分输入端口 1-1n+和1-1n_，一对偏置输入端口 Vbias—P和Vbias—N，一对差分输出端口 1-Out+和1-Out、包括PMOS管MP1、MP2，NMOS管MN1、MN2，隔直电容CPl、CP2、CN1、CN2，偏置电阻RP1、RP2、RN1、RN2，输入匹配电感LI和L2，差分输入端口 1-1n+连接差分射频输入信号Vin+和电感LI的一端，电感LI的另一端连接隔直电容CPl和CNl的一端，隔直电容CPl的另一端连接PMOS管MPl的栅极和偏置电阻RPl的一端，隔直电容CNl的另一端连接PMOS管丽I的栅极和偏置电阻RNl的一端；相应地，差分输入端口 1-1n-连接差分射频输入信号Vin_和电感L2的一端，电感L2的另一端连接隔直电容CP2和CN2的一端，隔直电容CP2的另一端连接PMOS管MP2的栅极和偏置电阻RP2的一端，隔直电容CN2的另一端连接PMOS管丽2的栅极和偏置电阻RN2的一端；偏置电阻RPl和RP2的另一端共同连接偏置输入端口 Vbias—p，偏置电阻RNl和RN2的另一端共同连接偏置输入端口 Vbias—N，PMOS管MPl的源极与MP2的源极、NMOS管丽I的漏极和丽2的漏极连接在一起，作为倍频单元的差分输出端口 1-Out+，PMOS管MPl的漏极与MP2的漏极、NMOS管丽I的源极和丽2的源极连接在一起，作为倍频单元的差分输出端口 Ι-Out—； 负阻增强单元设有一对差分输入端口 3-1n+和3-1n_，一对差分输出端口 3_0ut+和3-0ut、包括 PMOS 管 MP3、MP4, NMOS 管 MN3、MN4,电感 L3，电容 C3、C4、C5、C6 ；PM0S 管 MP3和MP4的源极互连并连接电源VDD，NMOS管丽3和MN4的源极互连并接地，PMOS管MP3的漏极与PMOS管MP4的栅极、电容C3、C5的一端、电感L3的一端以及NMOS管丽3的漏极和NMOS管MN4的栅极连接在一起，电容C3的另一端连接倍频单元的差分输出端口 l_0ut+，电容C5的另一端为负阻增强单元的输出差分射频信号Vout+，PMOS管MP3的栅极与PMOS管MP4的漏极、电容C4、C6的一端、电感L3的另一端以及NMOS管丽3的栅极和NMOS管MN4的漏极连接在一起，电容C4的另一端连接倍频单元的差分输出端口 l_0ut_，电容C6的另一端为负阻增强单元的输出差分射频信号Vout_ ； 两个传输线单元均设有一条传输线，其长度为输出频率的四分之一，其中一个传输线单元的传输线的一端连接电源VDD，另一端连接倍频单元的差分输出端口 Ι-Out+，另一个传输线单元的传输线的一端接地，另一端连接倍频单元的差分输出端口 l_0ut_。
2.根据权利要求1所述的全差分微波毫米波倍频器，其特征在于:所说传输线单元中的传输线包括共面波导传输线、微带传输线。
3.根据权利要求1所述的全差分微波毫米波倍频器，其特征在于:将倍频单元和负阻增强单元中的NMOS管替换成NPN型三极管，PMOS管替换成PNP型三极管。
【文档编号】H03B19/00GK103731103SQ201410023534
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】李智群, 刘扬, 李芹, 王志功 申请人:东南大学