[实用新型]基于环形结构的双推-推压控振荡器

说明书

技术领域

本实用新型属于微电子学技术领域，涉及一种基于环形结构的双推-推压控振荡器。

背景技术

太赫兹(TeraHertz, THz)波是指频率在0.1～10THz(波长0.03-3mm)范围内的电磁波，其波段介于微波与远红外光之间，是电磁波频谱中有待研究的最后一个频谱窗口。太赫兹波结合了微波和红外光波的诸多优点，具有很多特殊的性质，如瞬态性、宽带性、相干性和很好的穿透性等，因此太赫兹频段在医学成像、高速无线通信、雷达遥感探测、反恐缉毒等领域具有重大的应用前景和独特的优势。太赫兹源是实现太赫兹应用的瓶颈，也是太赫兹研究中最基本和最急迫的问题。基于光子学和真空电子学的太赫兹源具有输出波长短、辐射功率高等优点，在远距离成像和非破坏高穿透波普研究等领域得到应用；但存在所需设备的体积庞大、能耗高、输出稳定性差等缺点，应用领域受到限制。随着半导体工艺的进步和器件性能的快速提高，太赫兹单片集成电路(TeraHertz Monolithic Integrated Circuits, TMIC)成为实现高稳定、可调谐、小型化太赫兹源的有效方式。相对GaAs、InP等III-IV族化合物工艺，硅基CMOS工艺更具有成本低、集成度高、功耗低等优势。因此，对硅基CMOS太赫兹信号源展开研究具有重要的科学意义和广阔的应用前景。

    压控振荡器是实现太赫兹信号源的关键电路，压控振荡器的性能决定着太赫兹信号源的输出频率、输出功率和功耗等。其中，对CMOS工艺实现的太赫兹信号源而言，由于有源器件截止频率的限制，压控振荡器的输出频率受限，目前已报到的基于CMOS工艺实现的振荡器的最高输出频率小于400GHz。为了在给定工艺下实现更高频率的输出，可以采用推-推的方式抽取振荡器输出信号中的二次谐波分量，如图1所示。在这种结构中，振荡器中的有源器件工作在输出信号频率的1/2处，因此在相同的工艺情况下振荡器的输出频率可以提高两倍。另一种产生更高频率震荡信号的电路为双推-推压控振荡器，如图2所示。该振荡器抽取振荡器输出信号中的四次谐波分量，振荡器中的有源器件工作在输出信号频率的1/4处，因此在相同的工艺情况下振荡器的输出频率可以提高四倍。但上述推-推压控振荡器或双推-推压控振荡器的缺点是只能输出单端信号，在需要差分信号的场合不适用。另一方面，CMOS器件较低的击穿电压、衬底损耗等也导致CMOS太赫兹信号源的输出功率较低。对推-推压控振荡器来说，由于输出信号为震荡信号的二次谐波，输出信号功率很低；对双推-推压控振荡器，其输出信号的功率更低。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于环形结构的双推-推压控振荡器。利用四级反相放大器构成的环形振荡器中输出信号之间的相位关系、结合谐波选择元件抽取各输出信号中的四次谐波，再把其中同相的信号两两功率合成后形成差分输出，构建差分输出的双推-推压控振荡器；

本实用新型一种基于环形结构的双推-推压控振荡器包括四级延迟单元和两个谐波选择单元，第一级延迟单元的第一输出端连接第二级延迟单元的同相输入端，第一级延迟单元的第二输出端连接第二级延迟单元的反相输入端；第二级延迟单元的第一输出端连接第三级延迟单元的同相输入端，第二级延迟单元的第二输出端连接第三级延迟单元的反相输入端；第三级延迟单元的第一输出端连接第四级延迟单元的同相输入端，第三级延迟单元的第二输出端连接第四级延迟单元的反相输入端；第四级延迟单元的第一输出端连接第一级延迟单元的反相输入端，第四级延迟单元的第二输出端连接第一级延迟单元的同相输入端；第一级延迟单元的外部电压控制端、第二级延迟单元的外部电压控制端、第三级延迟单元的外部电压控制端、第四级延迟单元的外部电压控制端连接，作为双推-推压控振荡器的电压控制端；第一级延迟单元的第三输出端连接第一谐波选择单元的第一输入端；第二级延迟单元的第三输出端连接第二谐波选择单元的第二输入端；第三级延迟单元的第三输出端连接第一谐波选择单元的第二输入端；第四级延迟单元的第三输出端连接第二谐波选择单元的第一输入端。第一谐波选择单元的第三输入端、第二谐波选择单元的第三输入端接电源VDD。