一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器制造技术

一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器，包括有依次串联连接的：产生太赫兹LO信号的压控振荡器，用于进行分频的第一级注入锁定分频器和第二级注入锁定分频器，以及用于对达到设定的频率进行锁定的锁相环，所述锁相环的反馈输出端连接所述压控振荡器的反馈输入端。本发明专利技术的一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器，采用标准的CMOS工艺实现，有集成度高、成本低、易于大规模生产等优点。同时还克服了CMOS工艺截止频率附近工作性能差的限制，实现了太赫兹频率合成器的设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种太赫兹频率合成器。特别是涉及一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器.
技术介绍
近年来，高速无线通信系统正不断朝着更高频率、带宽、更高集成度以及更低成本等方向发展。太赫兹频段(300GHz-3THz)介于微波和红外线之间，是电磁波谱中唯一没有获得较全面研究并很好加以利用的最后一个波谱区间，在通信频带日益紧缺的今天，对太赫兹波通信技术的研究具有重要意义。太赫兹波通信技术广泛应用于生活的各个方面，由于其自身所具有的独特性质以及在光谱中的位置使太赫兹波在通信、电子对抗、雷达、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、环境监测及安全检查等领域存在着广泛的应用前景。近年来，随着特征尺寸的不断减小，深亚微米CMOS工艺及其MOSFET的特征频率已经达到200GHz以上，使得利用CMOS工艺实现GHz频段的高频模拟电路成为可能。在硅CMOS、BiCMOS、双极工艺、GaAsMESFET、异质结双极晶体管(HBT)、GeSi器件等众多工艺中，虽然硅CMOS的高频性能和噪声性能不是最好，但由于它的工艺最为成熟、成本最低、功耗最小、应用也最为广泛，因此CMOS射频集成电路是近年来发展的趋势。随着射频识别技术的发展，世界各国的研究人员在CMOS射频集成电路的设计和制作方面进行了大量研究，使CMOS射频集成电路的性能不断提高。随着硅基工艺的进步，硅基工艺已能支持实现太赫兹通信集成电路，但高达几百GHz的工作频段使太赫兹通信集成电路的实现面临一系列挑战。传统的数字CMOS工艺技术之所以没有在超高频电路(频率超过100GHz)应用方面被充分考虑，是因为CMOS振荡器电路受到器件的截止频率(fT)和最大振荡频率(fmax)的限制。然而，工艺技术的发展使得器件尺寸不断缩小，器件的工作频率不断增加，使在CMOS工艺下能够使得场效应晶体管截止频率接近甚至达到太赫兹的频率范围，使得采用CMOS工艺实现在太赫兹波频段下工作的电路成为可能。采用CMOS工艺实现的太赫兹波电路已有研究，但是因为CMOS工艺器件。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种集成度高、成本低、易于大规模生产的采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器本专利技术所采用的技术方案是：一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器，包括有依次串联连接的：产生太赫兹LO信号的压控振荡器，用于进行分频的第一级注入锁定分频器和第二级注入锁定分频器，以及用于对达到设定的频率进行锁定的锁相环，所述锁相环的反馈输出端连接所述压控振荡器的反馈输入端。所述的压控振荡器包括有第一MOS管、第二MOS管、第一电阻以及第二电阻，其中，所述第一MOS管的栅极依次通过第三电感和第四电感连接第二MOS管的栅极，所述第一MOS管的栅极还通过第三电容与源极一起分别连接可变电容的一端及第五电感的一端，所述第一MOS管的漏极通过第一电感连接供电电源，以及通过第一电容至输出端正极连接第一级注入锁定分频器的输入端，所述第二MOS管的栅极还通过第四电容与源极一起分别连接可变电容的另一端及第六电感的一端，所述第二MOS管的漏极通过第二电感连接供电电源，以及通过第二电容至输出端负极连接第一级注入锁定分频器的输入端，所述第三电感和第四电感相连接端依次通过第一电阻和偏置电压接地，所述第五电感的另一端和第六电感的另一端连接第二电阻和第五电容的一端，所述第二电阻和第五电容的另一端接地。所述的第一级注入锁定分频器包括有第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第六MOS管、第七MOS管和第八MOS管，其中，第三MOS管的栅极连接外部供电电源，第三MOS管的源极和漏极分别连接第九电感上的a抽头和c抽头，所述第四MOS管的栅极连接第九电感中部的b抽头，以及构成输入端(Prot1)连接所述的压控振荡器的输出端，第四MOS管的源极分别连接第九电感的一端、第五MOS管的栅极、第七MOS管的漏极，以及第八MOS管的栅极，第四MOS管的漏极分别连接第九电感的另一端、第六MOS管的栅极、第八MOS管的漏极，以及第七MOS管的栅极，第七MOS管和第八MOS管的源极通过第一电流源接地，所述第五MOS管和第六MOS管的源极通过第二电流源接地，第五MOS管的漏极通过第七电感连接供电电源，以及构成输出端连接第二级注入锁定分频器的输入端，所述第六MOS管的漏极通过第八电感连接供电电源。所述的第二级注入锁定分频器包括有第九MOS管、第十MOS管、第十一MOS管和变压器，其中，所述第十一MOS管的栅极构成输入端连接所述第一级注入锁定分频器的输出端，所述第十一MOS管的源极和漏极分别连接变压器初级线圈的两端，所述变压器次级线圈的一端构成输出端的正极或负极连接所述锁相环的输入端，该端还分别连接第九MOS管的漏极和第十MOS管的栅极，所述变压器次级线圈的另一端构成输出端的负极或正极连接所述锁相环的输入端，该端还分别连接第十MOS管的漏极和第九MOS管的栅极，所述第九MOS管和第十MOS管的源极接地。本专利技术的一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器，采用标准的CMOS工艺实现，有集成度高、成本低、易于大规模生产等优点。同时还克服了CMOS工艺截止频率附近工作性能差的限制，实现了太赫兹频率合成器的设计。本专利技术具有如下优点：1.THz波的波长处于微波及红外光之间，它和物质的相互作用具有独特的物理机制，并呈现出很多新的特点。由于0.3THz-10THz频段的太赫兹波能够很强的穿透像塑料、纸、木料、人体、大气等一类物质，因此它可以广泛应用于安保扫描、射电天文、生物遥感、生产监控等领域，具体分类可以包括邮件扫描、纸类生产、塑料焊接检测、古画分析、人体透视、食品质量检测、皮肤癌分类等。2.该频率合成器能工作在太赫兹频率下，能够克服由于频率接近器件截止频率带来的频率限制，使得输出频率提高到器件实际工作频率之上。3.该设计的功耗、尺寸相对于传统电路有明显改善。综上所述，本专利技术提出的功率放大器结构和实施方法具有良好的应用前景。附图说明图1是本专利技术一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器的构成框图；图2是本专利技术中压控振荡器的电路原理图；图3是本专利技术中第一级注入锁定分频器的电路原理图；图4是本专利技术中第二级注入锁定分频器的电路原理图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术的一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器做出详细说明。本专利技术的一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器，是由太赫兹压控振荡器和ILFDs以及分频器链组成。其中压控振荡器用于得到满足太赫兹频率的输出信号；随后的ILFDs(injectionlockingfrequencydividers)和分频器链将信号调整至合适频率。其后端由锁相环进行单独的频率以及相位锁定。由于CMOS工艺的截止频率和最大振荡频率的限制，决定了在接近或超过截止频率的频率下，有源器件性能极大地恶化或无法正常工作。而太赫兹频段仍然处于CMOS工艺的截止频率之上，因此CMOS工艺的集成电路中的有源器件不能直接应用于太赫兹频段。本专利技术采用基频信号经过功率分离，多路信号路径分别经过功率放大器，产生的功率放大后的信号经过无源器件倍频，倍频之后不再通过有源器件，将得到偶次谐波频率的信号直接进行功率合成与阻抗变换，从而避免了有源器件在过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器，其特征在于，包括有依次串联连接的：产生太赫兹LO信号的压控振荡器(1)，用于进行分频的第一级注入锁定分频器(2)和第二级注入锁定分频器(3)，以及用于对达到设定的频率进行锁定的锁相环(4)，所述锁相环(4)的反馈输出端连接所述压控振荡器(1)的反馈输入端。

【技术特征摘要】
1.一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器，其特征在于，包括有依次串联连接的：产生太赫兹LO信号的压控振荡器(1)，用于进行分频的第一级注入锁定分频器(2)和第二级注入锁定分频器(3)，以及用于对达到设定的频率进行锁定的锁相环(4)，所述锁相环(4)的反馈输出端连接所述压控振荡器(1)的反馈输入端。2.根据权利要求1所述的一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器，其特征在于，所述的压控振荡器(1)包括有第一MOS管(M1)、第二MOS管(M2)、第一电阻(R1)以及第二电阻(R2)，其中，所述第一MOS管(M1)的栅极依次通过第三电感(L3)和第四电感(L4)连接第二MOS管(M2)的栅极，所述第一MOS管(M1)的栅极还通过第三电容(C3)与源极一起分别连接可变电容(C6)的一端及第五电感(L5)的一端，所述第一MOS管(M1)的漏极通过第一电感(L1)连接供电电源(VDD)，以及通过第一电容(C1)至输出端正极(Prot1)连接第一级注入锁定分频器(2)的输入端，所述第二MOS管(M2)的栅极还通过第四电容(C4)与源极一起分别连接可变电容(C6)的另一端及第六电感(L6)的一端，所述第二MOS管(M2)的漏极通过第二电感(L2)连接供电电源(VDD)，以及通过第二电容(C2)至输出端负极(Prot1)连接第一级注入锁定分频器(2)的输入端，所述第三电感(L3)和第四电感(L4)相连接端依次通过第一电阻(R1)和偏置电压(V1)接地，所述第五电感(L5)的另一端和第六电感(L6)的另一端连接第二电阻(R2)和第五电容(C5)的一端，所述第二电阻(R2)和第五电容(C5)的另一端接地。3.根据权利要求1所述的一种采用CMOS工艺实现的太赫兹频率合成器，其特征在于，所述的第一级注入锁定分频器(2)包括有第三MOS管(M3)、第四MOS管(M4)、第五MOS管(M5)、第六MOS管(M6)、第七MOS管(M7)和第八MOS管(M8)，其中，第三MOS管(M3...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛陆虹，王阳，谢生，肖谧，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12