專利名稱：注入鎖定分頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于一種分頻器，且特別是有關(guān)于一種注入鎖定分頻器。
背景技術(shù)：
分頻器(frequencydivider)在鎖相回路(phase locked loop, PLL)中，扮演著極為重要的角色，且在無線通訊系統(tǒng)中亦是關(guān)鍵電路?，F(xiàn)今分頻器的種類大致可分為三類， 其一為電流型邏輯(current mode logic, CML)分頻器，其二為注入式(injection)分頻器，而最后為再生式(regenerative)分頻器。一般而言，電流模態(tài)邏輯分頻器擁有不錯的靈敏度與頻寬，但其操作頻率因受限于組件的特性截止頻率(ft)而不高。再生式分頻器的工作頻率雖然比電流模態(tài)邏輯分頻器高，但其直流功率消耗較大。注入式分頻器同時擁有低功耗與操作頻率高的特性，但其注入鎖定范圍較窄，在現(xiàn)今訴求高傳輸數(shù)據(jù)量及低電壓低功耗的無線通訊系統(tǒng)當中應用有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種注入鎖定分頻器，包括注入晶體管、振蕩器、電流源，以及變壓器。 其中，注入晶體管用以接收一注入信號。振蕩器用以對所述注入信號進行分頻而產(chǎn)生一分頻信號。電流源耦接振蕩器，用以提供一電流給振蕩器。變壓器耦接于注入晶體管與振蕩器之間，用以提升注入晶體管的等效轉(zhuǎn)導。在本發(fā)明的一實施例中，該變壓器具有一一次側(cè)線圈、一第一二次側(cè)線圈與一第二二次側(cè)線圈，且該注入晶體管的柵極通過該一次側(cè)線圈接收該注入信號。在本發(fā)明的一實施例中，該振蕩器包括一第一電感，其第一端通過該第一二次側(cè)線圈而耦接至該注入晶體管的漏極，而其第二端則耦接該電流源以接收該電流；一第二電感，其第一端通過該第二二次側(cè)線圈而耦接至該注入晶體管的源極，而其第二端則耦接該電流源以接收該電流，其中該第一電感與該第二電感的第一端用以傳送該分頻信號；一第一晶體管，其柵極耦接該第二電感的第一端，其漏極耦接該第一電感的第一端，而其源極則耦接至一接地電位；以及一第二晶體管，其柵極耦接該第一電感的第一端，其漏極耦接該第二電感的第一端，而其源極則耦接至該接地電位。在本發(fā)明的一實施例中，該電流源包括一第三晶體管，其柵極用以接收一偏壓， 其源極用以接收一操作電壓，而其漏極則耦接該第一電感與該第二電感的第二端。在本發(fā)明的一實施例中，該注入晶體管、該第一晶體管與該第二晶體管為N型晶體管，而該第三晶體管為P型晶體管。在本發(fā)明的一實施例中，該一次側(cè)線圈與該第一二次側(cè)線圈間的耦合方式包括正耦合，且該正耦合表示該一次側(cè)線圈與該第一二次側(cè)線圈具有相同的極性。在本發(fā)明的一實施例中，該一次側(cè)線圈與該第二二次側(cè)線圈間的耦合方式包括正耦合，且該正耦合表示該一次側(cè)線圈與該第二二次側(cè)線圈具有相同的極性。
在本發(fā)明的一實施例中，該注入信號的頻率為該分頻信號的頻率的2倍。本發(fā)明提供另一種注入鎖定分頻器，包括注入晶體管、振蕩器、電流源，以及變壓器。其中，注入晶體管用以接收一注入信號。振蕩器用以對所述注入信號進行分頻而產(chǎn)生一分頻信號。電流源耦接振蕩器，用以提供一電流給振蕩器。變壓器耦接于注入晶體管與振蕩器之間，用以提升注入晶體管的等效轉(zhuǎn)導。其中，變壓器具有一次側(cè)線圈、第一二次側(cè)線圈與第二二次側(cè)線圈，且注入晶體管的柵極會通過一次側(cè)線圈接收所述注入信號，而振蕩器分別通過第一二次側(cè)線圈與第二二次側(cè)線圈而耦接至注入晶體管的漏極與源極。另外， 一次側(cè)線圈與第一二次側(cè)線圈間的耦合方式包括正耦合，而一次側(cè)線圈與第二二次側(cè)線圈間的耦合方式包括正耦合。應了解的是，上述一般描述及以下具體實施方式
僅為例示性及闡釋性的，其并不能限制本發(fā)明所保護的范圍。


圖1為本揭露一范例實施例的注入鎖定分頻器的電路方塊示意圖。圖2A至圖2C分別為注入晶體管與變壓器的一、二次側(cè)線圈間的小信號模型的電路型態(tài)(circuit topology)示意圖。主要組件符號說明
100注入鎖定分頻器
101振蕩器
103電流源
105變壓器
Ml --M4 晶體管
Li、L2 λ Lp Λ Ls ^^ ^
Wp='一次側(cè)線圈
Wsl、Ws2 二次側(cè)線圈
S..注入信號
Sf::分頻信號
I 電流
* bias；偏壓
VDD操作電壓
GND接地電位
具體實施例方式現(xiàn)將詳細參考本揭露的示范性實施例，在附圖中說明所述示范性實施例的實例。 另外，在圖式及實施方式中使用相同標號的組件/構(gòu)件代表相同或類似部分。圖1為本發(fā)明的一范例實施例的注入鎖定分頻器(injection-locked frequency divider) 100的電路方塊示意圖。請參照圖1，注入鎖定分頻器100包括注入晶體管 (injection transistor)Ml、振蕩器(oscillator) 101、電流源(current source) 103,以及變壓器(transformer) 105。于本范例實施例中，注入晶體管Ml用以接收注入信號Sinj，而振蕩器101則用以對注入信號Siiy.進行分頻而產(chǎn)生分頻信號&。其中，注入信號Siiy.的頻率實質(zhì)上為分頻信號&的頻率的2倍。電流源103耦接振蕩器101，用以提供一穩(wěn)定電流I給振蕩器101。變壓器105耦接于注入晶體管Ml與振蕩器101之間，用以提升注入晶體管Ml的等效轉(zhuǎn)導(equivalent transconductance)，從而增加注入鎖定分頻器100的鎖定范圍(locking range)。更進一步來說，變壓器105具有一次側(cè)線圈(primary coil)Wp與兩個二次側(cè)線圈 (secondary coil) Wsl與Ws2，且注入晶體管Ml的柵極(gate)會通過一次側(cè)線圈Wp接收注入信號Siiu.。于本范例實施例中，一次側(cè)線圈Wp與二次側(cè)線圈Wsl之間的耦合方式為正耦合 (positive coupling)，亦即一次側(cè)線圈Wp與二次側(cè)線圈Wsl具有相同的極性(更清楚來說，一次側(cè)線圈Wp的電流會從有打點的線圈端流入，而二次側(cè)線圈Wsl的電流會從有打點的線圈端流出)；另外，一次側(cè)線圈Wp與二次側(cè)線圈Ws2之間的耦合方式也為正耦合，亦即一次側(cè)線圈Wp與二次側(cè)線圈Ws2具有相同的極性(更清楚來說，一次側(cè)線圈Wp的電流會從有打點的線圈端流入，而二次側(cè)線圈Ws2的電流會從有打點的線圈端流出)。后面再詳述一次側(cè)線圈Wp分別與二次側(cè)線圈Wsl、Ws2之間的耦合方式皆為正耦合的原因及理由。再者，所有線圈Wp、Wsl與Ws2的等效電感的電感值(亦即Lp、Ls1、Ls2)可以是任何倍數(shù)的關(guān)系。振蕩器101包括電感(inductor) Ll與L2，以及晶體管M2與M3。于本范例實施例中，電感Ll與L2，以及晶體管M2與M3的寄生電容(parasitic capacitance)會致使振蕩器101成為LC振蕩器。其中，電感Ll的第一端會通過二次側(cè)線圈Wsl而耦接至注入晶體管 Ml的漏極(drain)，而電感Ll的第二端則耦接電流源103以接收穩(wěn)定電流I。相似地，電感 L2的第一端會通過二次側(cè)線圈Ws2而耦接至注入晶體管Ml的源極(source)，而電感L2的第二端則耦接電流源103以接收穩(wěn)定電流I。于本范例實施例中，電感Ll與L2的第一端用以傳送分頻信號&。晶體管M2的柵極耦接電感L2的第一端；晶體管M2的漏極耦接電感Ll的第一端； 而晶體管M2的源極則耦接至接地電位GND。晶體管M3的柵極耦接電感Ll的第一端；晶體管M3的漏極耦接電感L2的第一端；而晶體管M3的源極則耦接至接地電位GND。于本范例實施例中，晶體管M2與M3通過交錯耦接(cross-couple)的型態(tài)來提供負電阻，藉以補償。 振蕩器101中的共振槽(resonator)的損耗。于此，晶體管M2與M3所提供的負電阻是為了要抵消振蕩器101中的共振腔的寄生電阻(parasitic resistance)，并且致使振蕩器101 可以維持穩(wěn)定振蕩。電流源103包括晶體管M4。晶體管M4的柵極用以接收一偏壓Vbias ；晶體管M4的源極用以接收一操作電壓Vdd ；而晶體管M4的漏極則耦接電感Ll與L2的第二端，藉以輸出穩(wěn)定電流I給振蕩器101。于此值得注意的是，晶體管Ml M3分別為一 N型晶體管(例如 NMOS晶體管，但并不限制于此)，而晶體管M4則為一 P型晶體管(例如PMOS晶體管，但并不限制于此)?；谏鲜觯诋a(chǎn)生分頻信號&的過程中，注入鎖定分頻器100會通過一次側(cè)線圈Wp 接收注入信號Siiy.以傳導至注入晶體管Ml的柵極。于此，先將注入信號Siiy.的頻率表示為 Finjo當振蕩器101的振蕩頻率接近0. 5倍的頻率Fiiy.時，注入鎖定分頻器100就會處在鎖定的狀態(tài)，并且通過電感Ll與L2的第一端傳送出分頻信號&。一般而言，注入鎖定分頻器100的注入鎖定范圍(injection locking range)跟其回路増益(loop gain)有關(guān)。因此，若能有效地提升注入鎖定分頻器100的回路増益，就可以增加注入鎖定分頻器100的鎖定范圍。有鑒于此，為了要增加注入鎖定分頻器100的回路増益，本范例實施例采用了轉(zhuǎn)導提升的技巧，藉以致使注入鎖定分頻器100可以具有較為寬廣的注入鎖定范圍。于此，若將注入鎖定分頻器100的注入鎖定范圍表示為A的話，則注入鎖定分頻器 100的注入鎖定范圍通常可以表示成如下公式Α = 2ω02Ι^。其中，Oci為振蕩角頻率(rad/S) ；L為振蕩器101的共振腔的等效電感的電感值； 而S11為注入晶體管Ml的等效轉(zhuǎn)導。由上列公式可以得知，若想要增加注入鎖定范圍A的話，則可以通過增加電感L或轉(zhuǎn)導8111來實現(xiàn)。然而，由于電感L通常是決定振蕩器101的振蕩頻率的主要因素，所以電感 L不能為任意值。也亦因如此，本范例實施例才會采用轉(zhuǎn)導提升的技巧，藉以提升注入晶體管Ml的等效轉(zhuǎn)導，從而增加注入鎖定分頻器100的注入鎖定范圍。換言之，提升注入晶體管Ml的等效轉(zhuǎn)導即可讓注入鎖定分頻器100具有較寬的注入鎖定范圍。有鑒于此，本范例實施例利用電路設(shè)計與系統(tǒng)仿真軟件(例如Agilent ADS)來模擬圖2A至圖2C所示的三種電路型態(tài)(circuit topology)的小信號模型，藉以推導出晶體管Ml在這三種電路型態(tài)各別的等效轉(zhuǎn)導gm。于此，圖2A 圖2C所示的Lp為一次側(cè)線圈Wp的等效電感，而Ls為二次側(cè)線圈Wsl/ Ws2的等效電感(亦即Ls1/LS2)。圖2A所示的電路型態(tài)并不考慮一次側(cè)線圈Wp與二次側(cè)線圈Ws之間極性的問題。 經(jīng)由AGILENT ADS來仿真圖2A所示的電路型態(tài)后，可以推導出注入晶體管Ml的等效轉(zhuǎn)導 gm并不會改變。圖2B所示的電路型態(tài)為一次側(cè)線圈 與二次側(cè)線圈Wsl/Ws22間具有相異的極性， 亦即一次側(cè)線圈Wp與二次側(cè)線圈Wsl/Ws2之間的耦合方式為負耦合(negative coupling). 經(jīng)由AGILENT ADS來仿真圖2B所示的電路型態(tài)后，可以推導出注入晶體管Ml的等效轉(zhuǎn)導gm 會下降(l-k/η)倍，亦即gm*(l-k/n)。其中，k為變壓器105的耦接系數(shù)(coupling factor)， 而η等干4L·/Lp。圖2C所示的電路型態(tài)為一次側(cè)線圈^與二次側(cè)線圈Wsl/Ws22間具有相同的極性， 亦即一次側(cè)線圈Wp與二次側(cè)線圈Wsl/Ws2之間的耦合方式為正耦合。經(jīng)由AGILENTADS來仿真圖2C所示的電路型態(tài)后，可以推導出晶體管Ml的等效轉(zhuǎn)導^11會提升(l+k/η)倍，亦即 s^d+k/n)。由此可知，將一次側(cè)線圈Wp與二次側(cè)線圈Wsl/Ws2之間設(shè)計成具有相同的極性的條件下，可以有效地提升注入晶體管Ml的等效轉(zhuǎn)導。也亦因如此，本范例實施例才會將一次側(cè)線圈Wp與二次側(cè)線圈Wsl/Ws2之間的耦合方式設(shè)計成正耦合。由于晶體管Ml的等效轉(zhuǎn)導得以被有效地提升，所以基于上列公式(亦即A = 2 ω/LgJ的條件下，注入鎖定分頻器100的注入鎖定范圍也得以被有效地增加。于此，值得一提的是，若各別針對具有變壓器105的注入鎖定分頻器100與移除變壓器105后的注入鎖定分頻器100進行電路特性仿真的話，即可獲知具有變壓器105的注入鎖定分頻器100 的注入鎖定范圍比移除變壓器105后的注入鎖定分頻器100的注入鎖定范圍多了將近30%左右，甚至可以更高。綜上所述，本發(fā)明所提出的注入鎖定分頻器基于采用轉(zhuǎn)導提升的技巧以得到寬帶的注入鎖定范圍，而且運用此技術(shù)并不需要額外的直流功率消耗，所以本發(fā)明所提出的注入鎖定分頻器將有利應用于無線通訊系統(tǒng)中，特別是應用在無線通訊的行動裝置的收發(fā)機模塊上。此外，本發(fā)明所提出的注入鎖定分頻器基于其寬帶的特性，也可應用在其它不同系統(tǒng)規(guī)格所規(guī)劃的頻率需求，例如汽車雷達系統(tǒng)、微波及毫米波電路系統(tǒng)等規(guī)格，并且更可以配合低成本硅基制造方法實現(xiàn)此電路，從而增加其實用性。雖然本發(fā)明已以實施例揭露如上，然其并非用以限定本揭露，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本揭露的精神和范圍內(nèi)，當可作出任何更動與潤飾，故本發(fā)明的保護范圍當以權(quán)利要求書為準。
權(quán)利要求
1.一種注入鎖定分頻器，其特征在于，包括 一注入晶體管，用以接收一注入信號；一振蕩器，用以對該注入信號進行分頻而產(chǎn)生一分頻信號；一電流源，耦接該振蕩器，用以提供一電流給該振蕩器；以及一變壓器，耦接于該注入晶體管與該振蕩器之間，用以提升該注入晶體管的等效轉(zhuǎn)導。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的注入鎖定分頻器，其特征在于，該變壓器具有一一次側(cè)線圈、 一第一二次側(cè)線圈與一第二二次側(cè)線圈，且該注入晶體管的柵極通過該一次側(cè)線圈接收該注入信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的注入鎖定分頻器，其特征在于，該振蕩器包括一第一電感，其第一端通過該第一二次側(cè)線圈而耦接至該注入晶體管的漏極，而其第二端則耦接該電流源以接收該電流；一第二電感，其第一端通過該第二二次側(cè)線圈而耦接至該注入晶體管的源極，而其第二端則耦接該電流源以接收該電流，其中該第一電感與該第二電感的第一端用以傳送該分頻信號；一第一晶體管，其柵極耦接該第二電感的第一端，其漏極耦接該第一電感的第一端，而其源極則耦接至一接地電位；以及一第二晶體管，其柵極耦接該第一電感的第一端，其漏極耦接該第二電感的第一端，而其源極則耦接至該接地電位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的注入鎖定分頻器，其特征在于，該電流源包括一第三晶體管，其柵極用以接收一偏壓，其源極用以接收一操作電壓，而其漏極則耦接該第一電感與該第二電感的第二端。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的注入鎖定分頻器，其特征在于，該注入晶體管、該第一晶體管與該第二晶體管為N型晶體管，而該第三晶體管為P型晶體管。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的注入鎖定分頻器，其特征在于，該一次側(cè)線圈與該第一二次側(cè)線圈間的耦合方式包括正耦合，且該正耦合表示該一次側(cè)線圈與該第一二次側(cè)線圈具有相同的極性。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的注入鎖定分頻器，其特征在于，該一次側(cè)線圈與該第二二次側(cè)線圈間的耦合方式包括正耦合，且該正耦合表示該一次側(cè)線圈與該第二二次側(cè)線圈具有相同的極性。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的注入鎖定分頻器，其特征在于，該注入信號的頻率為該分頻信號的頻率的2倍。
9.一種注入鎖定分頻器，其特征在于，包括 一注入晶體管，用以接收一注入信號；一振蕩器，用以對該注入信號進行分頻而產(chǎn)生一分頻信號； 一電流源，耦接該振蕩器，用以提供一電流給該振蕩器；以及一變壓器，耦接于該注入晶體管與該振蕩器之間，用以提升該注入晶體管的等效轉(zhuǎn)導， 其中，該變壓器具有一一次側(cè)線圈、一第一二次側(cè)線圈與一第二二次側(cè)線圈，且該注入晶體管的柵極通過該一次側(cè)線圈接收該注入信號，而該振蕩器分別通過該第一二次側(cè)線圈與該第二二次側(cè)線圈而耦接至該注入晶體管的漏極與源極，其中，該一次側(cè)線圈與該第一二次側(cè)線圈間的耦合方式包括正耦合，而該一次側(cè)線圈與該第二二次側(cè)線圈間的耦合方式包括正耦合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的注入鎖定分頻器，其特征在于，該注入信號的頻率為該分頻信號的頻率的2倍；該一次側(cè)線圈與該第一二次側(cè)線圈間的該正耦合表示該一次側(cè)線圈與該第一二次側(cè)線圈具有相同的極性；以及該一次側(cè)線圈與該第二二次側(cè)線圈間的該正耦合表示該一次側(cè)線圈與該第二二次側(cè)線圈具有相同的極性。
全文摘要
一種注入鎖定分頻器，包括注入晶體管、振蕩器、電流源，以及變壓器。其中，注入晶體管用以接收一注入信號。振蕩器用以對所述注入信號進行分頻而產(chǎn)生一分頻信號。電流源耦接振蕩器，用以提供一電流給振蕩器。變壓器耦接于注入晶體管與振蕩器之間，用以提升注入晶體管的等效轉(zhuǎn)導，從而增加注入鎖定分頻器的鎖定范圍。
文檔編號H03L7/18GK102386915SQ20101027491
公開日2012年3月21日 申請日期2010年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月6日
發(fā)明者葉彥良, 張家宏, 張鴻埜, 陳俊仁 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院