一种高效率太赫兹压控振荡器及基于其的锁相环系统

1.本发明属于太赫兹通信领域，特别涉及一种压控振荡器。


背景技术：

2.太赫兹波所处的频谱位置位于亚毫米波和远红外线之间，其频率覆盖范围为0.1thz～10thz
3.(1thz＝10
12
hz)，是到目前为止还没有完全开发和应用的电磁波频段。太赫兹波频段位于光子学范畴与电子学范畴的交叠区域，这导致太赫兹波与其他频段电磁波相比具有许多独特的性质。太赫兹波具有宽带性好、穿透性强、安全性高等特性，因此在高速无线通信系统、公共安全检测、成像、生物医学、天文观测等领域具有十分广阔的应用场景。特别是在通信领域，由于太赫兹通信技术具有频谱资源宽、保密性好、数据传输能力强(》100gbit/s)、方向性好等众多优点，其将在未来高速无线通信中发挥重要作用。
4.压控振荡器(vco)是当代射频收发机的一个重要组成部分，压控振荡器无论是在发射机部分的上变频载波调制还是在接收机部分的下变频解调中都起着非常重要的作用，是整个通信系统的基础模块之一，其性能对于系统的通信质量有着非常重要的影响。因此高性能太赫兹通信系统的实现必定需要具有优良性能的太赫兹压控振荡器来支撑负责产生预期频率的信号以用于上、下变频。对于覆盖数百khz至数百ghz的宽频带的各种无线通信标准而言，开发宽频带调谐和低相位噪声的vco是一项具有挑战性的任务。
5.传统交叉耦合振荡器如图1所示，其由晶体管m
p
、mn，栅漏电容c
gdp
、c
gdn
，漏极电感l
dsp
、l
dsn
以及负载电阻r
lp
、r
ln
构成，各对称位置上的器件具有相同参数值。压控振荡器控制电压v
t
接晶体管衬底，v
t
直流电压的变化会引起晶体管漏极寄生电容的变化，从而改变压控振荡器的输出频率。压控振荡器的功率从v
op
及v
on
端输出至负载r
lp
及r
ln
。
6.图1所示的传统交叉耦合振荡器在拓扑结构上浅显易懂，但该结构无法使单个晶体管工作在输出最大功率状态，所以不能使得振荡器输出最大功率或最大转换效率。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本发明提出一种高效率太赫兹压控振荡器，本发明的振荡器可以输出最大功率或最大转换效率。
8.本发明采用的技术方案之一为：一种高效率太赫兹压控振荡器，包括：第一晶体管m
p
、第二晶体管mn、第一电感l
gg
、第二电感l
dsp
、第三电感l
dsn
、第一负载电阻r
lp
、第二负载电阻r
ln
、第一电容c
gdp
、第二电容c
gdn
；
9.第一晶体管m
p
栅极与第一电感l
gg
第一端相连，第一电感l
gg
第二端连接第二晶体管mn栅极；
10.第一晶体管m
p
栅极还包括依次通过第二电容c
gdn
、第二负载电阻r
ln
后接地；
11.第一晶体管m
p
漏极通过第二电感l
dsp
接电源v
dd
；第二晶体管mn漏极通过第三电感l
dsn
接电源v
dd
；
12.第一晶体管m
p
源极接地，第二晶体管mn源极接地。
13.压控振荡器控制电压v
t
分别接第一晶体管m
p
衬底、第二晶体管mn衬底。
14.本发明提供的技术方案之二为：基于本发明振荡器的锁相环系统，包括：驱动放大器、鉴频鉴相器、低通滤波器、高效率太赫兹压控振荡器、分频器、第三负载、第四负载；驱动放大器的输入为参考输入信号，驱动放大器的输出端接鉴频鉴相器的第一输入端，鉴频鉴相器的输出端接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接高效率太赫兹压控振荡器的输入端，高效率太赫兹压控振荡器的第一输出端接第三负载的第一端，第三负载的第二端接第四负载的第一端，第四负载的第二端接高效率太赫兹压控振荡器的第二输出端；高效率太赫兹压控振荡器的第一输出端还包括接分频器的第一输入端，高效率太赫兹压控振荡器的第二输出端还包括接分频器的第二输入端，分频器的输出端接鉴频鉴相器的第二输入端。
15.本发明的有益效果：本发明的差分结构高效率压控振荡器电路，由晶体管m
p
、mn，栅极电感l
gg
，栅漏电容c
gdp
、c
gdn
，漏极电感l
dsp
、l
dsn
以及负载电阻r
lp
、r
ln
构成，各对称位置上的器件具有相同参数值；压控振荡器控制电压v
t
接晶体管衬底，v
t
直流电压的变化会引起晶体管漏极寄生电容的变化，从而改变压控振荡器的输出频率。压控振荡器的功率从v
op
及v
on
端输出至负载r
lp
及r
ln
。本发明可以使单个晶体管工作在输出最大功率状态，从而使得振荡器输出最大功率或最大转换效率。
附图说明
16.图1为传统交叉耦合振荡器电路原理图；
17.图2为差分结构高效率压控振荡器电路原理图；
18.图3为本发明的振荡器晶体管最大功率附加效率仿真示意图；
19.图4为采用本发明振荡器的锁相环电路结构图；
20.图5为应用于锁相环电路的本发明高效率振荡器电路示意图；
21.图6为本发明高效率压控振荡器输出频率随控制电压v
t
变化仿真结果。
具体实施方式
22.为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
23.如图2所示为本发明所述差分结构高效率压控振荡器电路原理图，其由晶体管m
p
、mn，栅极电感l
gg
，栅漏电容c
gdp
、c
gdn
，漏极电感l
dsp
、l
dsn
以及负载电阻r
lp
、r
ln
构成，各对称位置上的器件具有相同参数值。压控振荡器控制电压v
t
接晶体管衬底，v
t
直流电压的变化会引起晶体管漏极寄生电容的变化，从而改变压控振荡器的输出频率。压控振荡器的功率从v
op
及v
on
端输出至负载r
lp
及r
ln
。
24.压控振荡器在给定直流工作状态情况下，其最大射频输出功率或直流至射频输出功率的转换效率与放大器中晶体管的最大功率附加效率类似。即如果要使得图2所示的振荡器输出最大功率或得到最大直流至射频转换效率，需将晶体管m
p
、mn工作到最大功率附加效率状态。因此，图2中各器件参数值计算步骤为：
25.(1)单独迭代仿真扫描图2中晶体管的栅极输入信号幅度v
am
及输出负载阻抗的实
部z
re
和虚部z
im
，得到晶体管最大功率附加效率状态下栅极和漏极的电压及电流值(v
gs_opt i
g_opt
)，(v
ds_opt i
d_opt
)，如图3所示。具体迭代仿真扫描步骤为：设置晶体管输入信号频率为所需振荡信号频率f
osc
，给定初始输入信号幅度v
am
以及输出端阻抗实部z
re
，扫描输出端阻抗虚部z
im
，得到晶体管在输入信号频率下的输出最大功率附加效率，其对应的输出阻抗虚部值为z
im_opt1
；固定输出阻抗虚部为z
im_opt1
，扫描输出阻抗实部z
re
，得到新的输出最大功率附加效率，其对应的输出阻抗实部值为z
re_opt1
；固定输出阻抗实部及虚部分别为z
re_opt1
及z
im_opt1
，扫描输入信号摆幅v
am
，得到新的输出最大功率附加效率，其对应的输入信号摆幅v
am_opt1
；重复以上过程，直到输入信号摆幅、输出负载阻抗及最大功率附加效率收敛至稳定值，从而可得到稳定后晶体管最大功率附加效率时对应的栅极和漏极的电压及电流复数值(v
gs_opt i
g_opt
)，(v
ds_opt i
d_opt
)。本实施例中当两次迭代得到的输入信号摆幅、输出负载阻抗及最大功率附加效率差值在1％以内时，则认为收敛至稳定值。
26.(2)为了使图2中晶体管工作在频率为f
osc
的最大功率附加效率状态，根据电流节点方程，图2中各无源器件参数需满足以下方程：
[0027][0028]
(3)使方程组(1)中实部与虚部分别相等，可将方程组(1)拆解为4个方程，带入(1)中晶体管最大功率附加效率时对应的栅极和漏极的电压及电流值，即可求解除图2中无源器件参数l
gg
，c
gdp
，c
gdn
，l
dsp
，l
dsn
,r
lp
,r
ln
。
[0029]
该结构可包含两个输出端口，当振荡器应用于锁相环等系统中时，此结构可一方面提供信号功率值至负载，另一方面同时提供信号功率至分频器等电路，如图4为锁相环结构示意图，图5为应用于锁相环系统时，本发明的高效率压控振荡器电路图，图5中r
div
表示分频器等效输入阻抗，其消耗的功耗表示振荡器输入端所需信号功率。因此，本发明所示高效率振荡器结构可省去多路输出所需高损耗的功分器等器件，从而节约锁相环整体功耗。
[0030]
如图6所示为本发明高效率压控振荡器输出频率随控制电压v
t
变化仿真结果。当v
t
电压从0v变至1v时，输出频率从112.2ghz变化值110.1ghz。当vt电压为0时，本发明振荡器消耗的直流功耗为7.5mw，输出功率为1.52mw，转换效率高达20.27％。
[0031]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

技术特征：
1.一种高效率太赫兹压控振荡器，其特征在于，包括：第一晶体管、第二晶体管、第一电感、第二电感、第三电感、第一负载电阻、第二负载电阻、第一电容、第二电容；第一晶体管栅极与第一电感第一端相连，第一电感第二端连接第二晶体管栅极；第一晶体管栅极还包括依次通过第二电容、第二负载电阻后接地；第一晶体管漏极通过第二电感接电源；第二晶体管漏极通过第三电感接电源；第一晶体管源极接地，第二晶体管源极接地。2.根据权利要求1所述的一种高效率太赫兹压控振荡器，其特征在于，压控振荡器控制电压v
t
分别接第一晶体管m
p
衬底、第二晶体管m
n
衬底。3.根据权利要求2所述的一种高效率太赫兹压控振荡器，其特征在于，所述压控振荡器为左右对称结构，第二电感的电感值等于第三电感的电感值，第一负载电阻的电阻值等于第二负载电阻的电阻值，第一电容的电容值等于第二电容的电容值。4.根据权利要求3所述的一种高效率太赫兹压控振荡器，其特征在于，记第一电感的电感值为l
gg
、第二电感的电感值为l
dsp
、第三电感的电感值为l
dsn
、第一负载电阻的电阻值为r
lp
、第二负载电阻的电阻值为r
ln
、第一电容的电容值为c
gdp
、第二电容的电容值为c
gdn
，根据压控振荡器呈左右对称结构的性质，l
gg
，c
gdp
，c
gdn
，l
dsp
，l
dsn
，r
lp
，r
ln
计算过程为：a1、单独迭代晶体管的栅极输入信号幅度v
am
及输出负载阻抗的实部z
re
和虚部z
im
，得到晶体管最大功率附加效率状态下栅极和漏极的电压及电流值(v
gs_opt i
g_opt
)，(v
ds_opt
i
d_opt
)；a2、l
gg
，c
gdp
，c
gdn
，l
dsp
，l
dsn
,r
lp
,r
ln
满足以下方程组：其中，c
gd
＝c
gdp
＝c
gdn
，l
ds
＝l
dsp
＝l
dsn
，r
l
＝r
lp
＝r
ln
；a3、使步骤a2中方程组实部与虚部分别相等，从而将步骤a2中方程组拆解为4个方程，将步骤a1中晶体管最大功率附加效率时对应的栅极和漏极的电压及电流值带入拆解得到的4个方程，即可求解得到l
gg
，c
gdp
，c
gdn
，l
dsp
，l
dsn
，r
lp
，r
ln
。5.一种基于权利要求4所述压控振荡器的锁相环系统，其特征在于，包括：驱动放大器、鉴频鉴相器、低通滤波器、高效率太赫兹压控振荡器、分频器、第三负载、第四负载；驱动放大器的输入为参考输入信号，驱动放大器的输出端接鉴频鉴相器的第一输入端，鉴频鉴相器的输出端接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接高效率太赫兹压控振荡器的输入端，高效率太赫兹压控振荡器的第一输出端接第三负载的第一端，第三负载的第二端接第四负载的第一端，第四负载的第二端接高效率太赫兹压控振荡器的第二输出端；高效率太赫兹压控振荡器的第一输出端还包括接分频器的第一输入端，高效率太赫兹压控振荡器的第二输出端还包括接分频器的第二输入端，分频器的输出端接鉴频鉴相器的第二输入端。

技术总结
本发明公开一种高效率太赫兹压控振荡器及基于其的锁相环系统，应用于太赫兹通信领域，针对现有技术还不能使振荡器输出最大功率或最大转换效率的问题；本发明在传统交叉耦合振荡器的基础上，在两晶体管栅级之间加了个栅极电感L


技术研发人员：丁川 张铁笛 刘耀光 张勇
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/24