专利名称：注入锁定式除频器、相位锁定回路以及集成电路的制作方法
技术领域：
本发明一般是有关于一种电子电路，特别是有关于一种注入锁定式除频器。
背景技术：
毫米波(Millimeter Wave)在典型上是指频带在30至300吉赫兹(GHz)之间的波。在此频率范围内，电磁信号的波长很小。因为被动组件装置的尺寸通常是与波长成比例，操作于毫米波频率下的被动组件尺寸会被缩小，以使电路集成antegration)更有效率。目前，毫米波的应用包含60GHz的无线个人局域网络、77GHz的车用防撞雷达以及99GHz 的影像感测。毫米波除频器典型上是包含于高频相位锁定回路中。由于注入锁定式除频器具有高速操作能力和低功耗特性，注入锁定式除频器非常适合毫米波的操作。然而，毫米波注入锁定式除频器的分除率(Division Ratio)(通常为2)和锁定范围是受限于本性。因此，在此领域中，需要一种可改善已知注入锁定式除频器设计的注入锁定式除频器设计。
发明内容
本发明的一方面是在提供一种注入锁定式除频器以及应用此注入锁定式除频器的相位锁定回路和集成电路。此注入锁定式除频器可增加频率锁定范围。根据本发明的一实施例，此注入锁定式除频器包含差动直接注入对和震荡器。差动直接注入对是设置来接收和混合多个差动注入信号。震荡器是电性连接至差动直接注入对并基于被混合的差动注入信号来产生操作频率。根据本发明的另一实施例，此相位锁定回路包含相位频率侦测器、信号产生器、注入锁定式除频器以及除频器。相位频率侦测器具有输入端部和输出端部。相位频率侦测器的输入端部是设置来接收参考输入信号和回授信号，并侦测参考输入信号和回授信号间的相位差，相位频率侦测器是设置来基于相位差而产生误差信号，误差信号是产生于相位频率侦测器的输出端部。信号产生器具有输入端部和输出端部。信号产生器的输出入端部是设置来从相位频率侦测器接收误差信号，信号产生器是设置来基于误差信号而产生输出频率，输出频率是产生于信号产生器的输出端部。注入锁定式除频器是电性连接至信号产生器的输出端部并包含差动直接注入对和震荡器。差动直接注入对是设置来从信号产生器接收输出频率。震荡器是电性连接至差动直接注入对，并产生震荡频率，其中差动直接注入对是将震荡频率和输出频率混合，以产生注入锁定式除频器输出频率。除频器是用以接收注入锁定式除频器输出频率并产生回授信号至相位频率侦测器的输入端部。根据本发明的另一实施例，此集成电路包含相位频率侦测器、信号产生器、注入锁定式除频器以及除频器。相位频率侦测器具有输入端部和输出端部。相位频率侦测器的输入端部是设置来接收参考输入信号和回授信号，并侦测参考输入信号和回授信号间的相位差，相位频率侦测器是设置来基于相位差而产生误差信号，误差信号是产生于相位频率侦测器的输出端部。信号产生器具有输入端部和输出端部。信号产生器的输出入端部是设置来从相位频率侦测器接收误差信号，信号产生器是设置来基于误差信号而产生输出频率， 输出频率是产生于信号产生器的输出端部。注入锁定式除频器是电性连接至信号产生器的输出端部并包含差动直接注入对和震荡器。差动直接注入对是设置来从信号产生器接收该输出频率，其中差动直接注入对是以开关的方式来操作，以开启或关闭该注入锁定式除频器。震荡器是利用直接注入的方式来电性连接至差动直接注入对，并产生震荡频率，其中差动直接注入对是将震荡频率和输出频率混合，以产生注入锁定式除频器输出频率。除频器是用以接收注入锁定式除频器输出频率并产生回授信号至相位频率侦测器的输入端部。本发明的注入锁定式除频器可增加频率锁定范围。
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，上文特举一较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下图1是绘示根据本发明实施例的具有注入锁定式除频器的高频相位锁定回路的方块图；图2是绘示根据本揭露实施例的除3注入锁定式除频器的高阶方块图；图3是绘示根据本发明实施例的除3注入锁定式除频器的较详细方块图；图4是绘示根据本发明另一实施例的除3注入锁定式除频器的较详细方块图；图5和图6是绘示根据所揭露的实施例利用除3注入锁定式除频器所增加的锁定范围的图表。主要组件符号说明100 锁相回路电路110:电荷泵浦120:电压控制震荡器130:除频器205:震荡器215 震荡器305 电流源320、327 晶体管340、345 晶体管425 注入锁定式除频器fvco 频率Vdd 电压源Ibias 电流
具体实施例方式示范实施例的说明是辅以所附附图来进行阐述，所附附图视为完整文字说明的一部分。在此说明中，相对用语，例如“较低”、“较高”、“水平的”、“垂直的”、“上方”、“下方”、 “上”、“下”、“顶部”与“底部”以及其衍生词(例如“水平地”、“向下地”、“向上地”等等)应
105 相位频率侦测器 115 低通滤波器 125 注入锁定式除频器
210 注入锁定式除频器 220 注入锁定式除频器 310,315,405 电感 325 注入锁定式除频器 350,355 电容 500,600 图表 Vl+、V1-:差动注入信号 V。+、V。-:混合信号视为与随后所述或目前所讨论的附图中所示的方位有关。这些相对用语是用以方便说明， 而并非要求设备以特殊方位来进行建构或操作。相对用语是为了说明方便而使用且不需要在特定方向上来操作或建构装置。关于沟通、耦接及诸如此类的用语，例如“连接”和“内连接”，是指特征与另一特征直接或间接地透过居中的装置来沟通，除非另有特别的叙述。首先，请参照附图来讨论例示的系统。虽然这些系统被详细地描述，但此仅仅是为了说明方便而已，其它各式各样的变化也是可行的。图1是绘示一实施例的锁相回路电路100的方块图，锁相回路(Wiase-Locked Loop ；PLL)电路 100 具有注入锁定式除频器 Gnjection-Locked Frequency Divider ； ILFD) 125。频率锁相回路电路100可进行高频操作，例如包含大约介于30至300GHz的频率的操作。因为操作频率的关系，高频锁相回路电路100通常包含有注入锁定式除频器125， 这是因为注入锁定式除频器125具有高速处理和低功耗的特性。对于注入锁定式除频器125而言，考虑频率锁相回路电路100是有益的。锁相回路电路可利用数字或模拟电路来执行，注入锁定式除频器125 —般可应用至这两种电路， 而锁相回路电路则以此认知来说明。频率锁相回路电路100的说明可从相位频率侦测器 105开始。相位频率侦测器一般是比较两个输入信号(具有参考频率和回授频率的两信号)并产生与两输入信号的相位差成比例的误差信号。误差信号被送至电荷泵浦(charge bump) 110，电荷泵浦110是供应与测得的相位误差成比例的电荷。低通滤波器115是接收以电荷来重新表示的相位误差信号并过滤所接收的相位误差信号。经过过滤的信号是驱动电压控制震荡器(Voltage-ControlledOscillator ； VC0) 120，电压控制震荡器120是产生输出频率。输出频率是透过注入锁定式除频器125和具有计数器的除N除频器130来以负回授的方式回授至相位频率侦测器105的输入端。如果电压控制震荡器120的输出频率往上或往下漂移很大或很小的幅度，误差信号会据此来增加会减少并往相反的方向来驱动电压控制震荡器频率，以降低误差。因此，输出会被锁定在从晶体震荡器或其它来源(未绘示)所得到的参考频率。现请参照注入锁定式除频器125，输入信号的频率为震荡器120的自激震荡频率 (Free-Running Frequency) 0输入信号接着被注入锁定式除频器125进行除法处理。来自注入锁定式除频器125的已除频信号是由除N除频器130所接收。本发明是描述一种注入锁定式除频器，其是设计来增加锁定范围而不用任何的频率调整机制，不需使用频率调整机制为根据本发明所获得的优点，但对于本领域现有的注入锁定式除频器而言，不使用频率调整机制则为缺点。注入锁定式除频器125的其它优点和改良对于本领域具有通常知识者是相当明显的。注入锁定式除频器125在图2至图6中来讨论。除N除频器130是接收来自注入锁定式除频器125的已除频信号，并产生此已除频信号的整数数字。通过将回授路径中的简单除N计数器替换为可程序脉冲吞咽计数器 (Pulse Swallow Counter)，也可产生已除频信号的非整数数字。图2是比较除2注入锁定式除频器210的方块图与除3注入锁定式除频器220的方块图，这些方块图是绘示一些它们的基础特性。除2注入锁定式除频器210可被用来做为完成高频锁相回路电路100的部分组件。然而，除2注入锁定式除频器210在产生由电压控制震荡器120的输出频率而来的已除频信号方面会有困难，此是因为较高的自震频率(Self-Oscillation Frequency) 0再者，除2注入锁定式除频器210通常是接收来自电压控制震荡器120的单端注入负载(Single-Ended Injection Load)，如此将难以平衡电压控制震荡器120为差动注入信号源的地方。与除2注入锁定式除频器210进行比较的改良实施例为除3注入锁定式除频器 220，其可处理除2注入锁定式除频器210的缺点。使用除3注入锁定式除频器220的优点之一为电压控制震荡器120的输出被施加至平衡的差动负载，而不是不平衡的单端注入负载。再者，假设电压控制震荡器205或215是工作于一给定频率下，除3注入锁定式除频器 220是产生比除2注入锁定式除频器210更低的频率，而本案所要的即为此较低频的频率。 其余的揭露是呈现具有优点的除3注入锁定式除频器220的各种不同设计。图3是绘示一实施例的除3注入锁定式除频器325的示意图，除3注入锁定式除频器325是例如图2中所所绘示的除3注入锁定式除频器。除3注入锁定式除频器325是从电流源305接收电流Ibias，电流源305是由电压源VDD提供电流。除3注入锁定式除频器325包含由晶体管320、327构成的差动直接注入对，此差动直接注入对是设置来接收互补或差动注入信号V1+和V1-,信号V1+和V1-是操作于来自电压控制震荡器120 (图2)的频率fvco(图中的符号@是表示信号V1+和V1-是操作于频率fvJ。差动直接注入对可用N型金属氧化半导体(NMOQ晶体管320、327来实现。差动注入信号可包含射频信号，射频信号的频率可为除3注入锁定式除频器325的输出频率的3 倍。换句话说，此输出频率为来自电压控制震荡器120的除3互补或差动注入信号。射频信号一般是由信号产生器，例如电压控制震荡器120(图1)或差动震荡器(未绘示)来发送。除3注入锁定式除频器325还包含由电感310、电感315、电容350、电容355、晶体管340以及晶体管345所构成的震荡器(Oscillator)，此震荡器是电性连接至差动直接注入对并基于混合差动注入信号来产生输出频率。震荡器可包含由电感310、电感315、电容 350、电容355所构成的共振器(Resonator)以及由晶体管340以及晶体管345所构成的互耦晶体管对。在本例中，共振器是以电感310、电感315以及来自晶体管340、345、320、327 的寄生电容350、355来实现，而互耦晶体管340、345可以NMOS晶体管来实现。在差动输入信号注入至差动直接注入对的输出端的地方，差动直接注入对是以直接注入的方式来于电性连接至震荡器。差动直接注入对的可操作来做为开关，以开启或关闭除3注入锁定式除频器325。除频是发生于差动直接注入对将互补或差动注入信号V1+和V1-转换为差动电流之时，信号V1+和V1-是以互耦晶体管对来混合。除了基频以外，谐波会被电感电容槽(LC Tank)共振器滤除，此电感电容槽共振器是由电感310、电感315、电容350和电容355所形成。互耦晶体管对的偶次非线性(Even-Order Nonlinearity)可产生所需的混合信号ν。+ 和ν。-，此混合信号是对应至任何奇数的分除比率(Division Ratio)。在本例中，分除比率为3但比率可为5、7、9、11或任何其它的奇数。图4是绘示一实施例的除3注入锁定式除频器425的较详细方块图，除3注入锁定式除频器425是如图2所绘示的除3注入锁定式除频器。在本例中，图4的除3注入锁定式除频器425的架构是类似于如图3所述的除3注入锁定式除频器425。类似的特征是以相同的标号来标示，例如构成差动直接注入对的晶体管320、327以及构成震荡器的电感310、电感315、电容350、电容355、晶体管340、晶体管345。然而，除3注入锁定式除频器 425还包含与差动直接注入对串联的电感405。串联电感405减少存在于除3注入锁定式除频器425中的寄生电容，借此来强化除3注入锁定式除频器425的锁定范围。图5和图6是绘示图表500和600，其中图表500和600是表示分别利用如图3和图4所示的除3注入锁定式除频器325和425而增加的锁定范围。图表500和600为除3 注入锁定式除频器325和425操作在供应电压为1伏特、操作频率为70GHz左右的条件下的模拟结果。对于振幅为0. 6伏特的输入电压而言，除3注入锁定式除频器325的锁定范围为9. 78GHz,除3注入锁定式除频器425的锁定范围为13. 60GHz。值得注意的是，如本领域已知技术者所了解的是，图3和图4中的NMOS晶体管 320,327,340和345也可用P型金属氧化半导体(PM0Q或任何其它种类的晶体管来设计。 再者，除3注入锁定式除频器125、220、325、425和/或相位锁定回路电路100可实现于集成电路或其它的小型电子电路中。虽然本发明已以数个实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在本发明所属技术领域中任何具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。
权利要求
1.一种注入锁定式除频器，其特征在于，包含一差动直接注入对，设置来接收和混合多个差动注入信号；以及一第一震荡器，电性连接至该差动直接注入对并基于被混合的该些差动注入信号来产生一操作频率。
2.根据权利要求1所述的注入锁定式除频器，其特征在于，该差动直接注入对是以直接注入的方式来电性连接至该第一震荡器。
3.根据权利要求1所述的注入锁定式除频器，其特征在于，该差动直接注入对包含N型金属氧化半导体晶体管或P型金属氧化半导体晶体管。
4.根据权利要求1所述的注入锁定式除频器，其特征在于，该差动直接注入对是以开关的方式来操作，以开启或关闭该注入锁定式除频器。
5.根据权利要求1所述的注入锁定式除频器，其特征在于，该些差动输入信号包含多个射频信号，该些射频信号是操作于一频率下，该频率为该操作频率的三倍，该些射频信号是由一信号产生器所发送，该信号产生器包含一第二震荡器和一电压控制震荡器中的至少 “"者 ο
6.一种相位锁定回路，其特征在于，包含一相位频率侦测器，具有一输入端部和一输出端部，该相位频率侦测器的该输入端部是设置来接收一参考输入信号和一回授信号，并侦测该参考输入信号和该回授信号间的一相位差，该相位频率侦测器是设置来基于该相位差而产生一误差信号，该误差信号是产生于该相位频率侦测器的该输出端部；一信号产生器，具有一输入端部和一输出端部，该信号产生器的该输出入端部是设置来从该相位频率侦测器接收该误差信号，该信号产生器是设置来基于该误差信号而产生一输出频率，该输出频率是产生于该信号产生器的该输出端部；一注入锁定式除频器，电性连接至该信号产生器的该输出端部并包含一差动直接注入对，设置来从该信号产生器接收该输出频率；以及一第一震荡器，电性连接至该差动直接注入对，并产生一震荡频率，其中该差动直接注入对是将该震荡频率和该输出频率混合，以产生一注入锁定式除频器输出频率；以及一除频器，用以接收该注入锁定式除频器输出频率并产生该回授信号至该相位频率侦测器的该输入端部。
7.根据权利要求6所述的相位锁定回路，其特征在于，该差动直接注入对是以直接注入的方式来电性连接至该第一震荡器。
8.根据权利要求6所述的相位锁定回路，其特征在于，该信号产生器的该输出频率包含多个射频信号，该些射频信号是操作于一频率下，该频率为该操作频率的三倍，该信号产生器包含一第二震荡器、一差动震荡器以及一电压控制震荡器中的至少一者。
9.根据权利要求6所述的相位锁定回路，其特征在于，该第一震荡器包含一共振器和一互耦晶体管对，该共振器为电感电容槽共震器。
10.一种集成电路，其特征在于，包含一相位频率侦测器，具有一输入端部和一输出端部，该相位频率侦测器的该输入端部是设置来接收一参考输入信号和一回授信号，并侦测该参考输入信号和该回授信号间的一相位差，该相位频率侦测器是设置来基于该相位差而产生一误差信号，该误差信号是产生于该相位频率侦测器的该输出端部；一信号产生器，具有一输入端部和一输出端部，该信号产生器的该输出入端部是设置来从该相位频率侦测器接收该误差信号，该信号产生器是设置来基于该误差信号而产生一输出频率，该输出频率是产生于该信号产生器的该输出端部；一注入锁定式除频器，电性连接至该信号产生器的该输出端部并包含 一差动直接注入对，设置来从该信号产生器接收该输出频率，且包含N型金属氧化半导体晶体管或P型金属氧化半导体晶体管，其中该差动直接注入对是以开关的方式来操作，以开启或关闭该注入锁定式除频器；以及一震荡器，利用直接注入的方式来电性连接至该差动直接注入对，并产生一震荡频率， 其中该差动直接注入对是将该震荡频率和该输出频率混合，以产生一注入锁定式除频器输出频率；以及一除频器，用以接收该注入锁定式除频器输出频率并产生该回授信号至该相位频率侦测器的该输入端部。
全文摘要
本发明揭露一种注入锁定式除频器、相位锁定回路以及集成电路。集成电路和相位锁定回路分别包含前述的注入锁定式除频器、相位频率侦测器、信号产生器以及除频器。注入锁定式除频器包含差动直接注入对和震荡器。差动直接注入对是设置来接收和混合多个差动注入信号。震荡器是电性连接至差动直接注入对并基于被混合的差动注入信号来产生操作频率。
文档编号H03L7/08GK102412832SQ201110073490
公开日2012年4月11日 申请日期2011年3月22日 优先权日2010年9月22日
发明者周淳朴, 薛福隆, 谢协宏 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司