一種應用于生物成像的太赫茲波cmos注入鎖定倍頻器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于太赫茲波CMOS集成電路設計領域，具體為一種應用于生物成像的太赫茲波CMOS注入鎖定倍頻器。該電路由兩對雙推注入對管和一個交叉耦合振蕩器共用尾電流源組成。雙推注入對管的正交輸入采用電容交流方式耦合，柵極偏置電壓設置可調，通過調節(jié)雙推注入對管的偏置可以獲得最大的轉換增益和鎖定范圍。倍頻器工作中心頻率在100GHz左右。驅動容性負載時，該注入鎖定倍頻器能以較低功耗實現(xiàn)寬的頻率鎖定范圍和較高轉換增益，徹底克服工藝誤差、溫度漂移帶來的鎖定范圍變化，中心頻率浮動和輸出擺幅偏低等影響。
【專利說明】
一種應用于生物成像的太赫茲波CMOS注入鎖定倍頻器
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于太赫茲波CMOS集成電路技術領域，具體涉及應用于太赫茲波生物成像 系統(tǒng)的寬鎖定范圍、高增益低功耗注入鎖定倍頻器。
【背景技術】
[0002] 太赫茲波是頻率在0.1~ΙΟΤΗζ的電磁波，處于宏觀電子學向微觀光子學過渡的波 段。太赫茲檢測醫(yī)學是涉及醫(yī)學、生物學、生物醫(yī)學工程學、物理學、光學、計算機學、信息和 材料等多學科的綜合交叉前沿學科，是以生物醫(yī)學實驗診斷應用為目的，采用太赫茲(THz) 波技術無標記、無損檢測生物大分子、生物細胞和組織醫(yī)學和物理交叉的新學科。相較于現(xiàn) 有醫(yī)學成像技術，太赫茲波光譜成像技術具有更獨特、更適用的物理特征，由于太赫茲波具 有反映物質結構與性質的指紋特性，并且光子能量低，遠小于X射線能量，不會對生物大分 子、生物細胞和組織產(chǎn)生有害電離，輻射劑量幾乎為零，對人體傷害非常小，特別適合于對 生物組織進行活體檢查;與現(xiàn)有X光、核磁共振等檢測手段相比，太赫茲波的頻率很高，發(fā)出 脈沖的時間很短(皮秒量級），所以它具有很高的空間分辨率和時間分辨率，因此太赫茲波 能將檢測細致到細胞級別，為人體成像以及太赫茲波與人體組織相互作用研究提供了一種 新型可靠的技術方法。目前，國際眾多科研團隊都在對太赫茲波生物成像進行深入的應用 研究。
[0003] 得益于器件尺寸的降低和工藝的進一步發(fā)展，CMOS集成電路也已進入太赫茲頻 段，使基于CMOS的太赫茲波芯片設計成為可能。CMOS太赫茲芯片具有低成本、便于射頻/基 帶集成的特點。盡管如此，作為太赫茲芯片的關鍵模塊，太赫茲波本振已成為太赫茲波芯片 設計的最大難點和瓶頸。直接設計太赫茲波本振受限于CMOS片上無源器件的低品質因數(shù)， 其功耗大、調諧范圍窄且噪聲高。太赫茲倍頻器設計繞開了直接設計太赫茲波本振的困難， 通過倍頻的方式實現(xiàn)更高頻段的時鐘信號，大大降低了壓控振蕩器的設計難度，使高性能 低功耗的本振設計成為可能。盡管如此，尋找高效可靠的倍頻方式仍然是需要解決的難題。
[0004] 注入鎖定倍頻是太赫茲波CMOS倍頻器的主要研究熱點之一。它能以較低功耗實現(xiàn) 高的轉換增益，同時不會對前級電路帶來過大的負載。注入鎖定倍頻器的鎖定范圍和轉換 增益相互限制，所以設計寬鎖定范圍、高轉換增益的注入鎖定倍頻器是電路設計中重要課 題。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明旨在提供一種新的能以較低功耗實現(xiàn)寬鎖定范圍和高轉換增益的太赫茲 波CMOS注入鎖定倍頻器。
[0006] 本發(fā)明提供的太赫茲波CMOS注入鎖定倍頻器，其電路結構由主要兩個雙推注入對 管、一個交叉耦合振蕩器和差分緩沖器構成;交叉耦合振蕩器共用尾電流源。其中： 四路正交輸入信號通過隔直電容交流耦合輸入到雙推注入對管，產(chǎn)生所需的2倍頻諧 波，注入到帶電感電容諧振腔的交叉耦合振蕩器中，使振蕩器振蕩頻率鎖定到注入頻率的2 倍頻上，通過調節(jié)雙推注入對管的偏置電壓可以獲得最大的轉換增益和寬的鎖定范圍；倍 頻器的差分輸出信號通過差分緩沖器輸出。
[0007] 本發(fā)明中，所述雙推注入對管由兩個NM0S管對(Ml和M2，M3和M4)漏極相連構成;柵 極偏置電壓可調，漏極相連以產(chǎn)生所需2倍頻諧波。
[0008] 本發(fā)明中，所述隔直電容由片上金屬-絕緣體-金屬電容器(MIM-cap)構成。
[0009] 本發(fā)明中，所述交叉耦合振蕩器由交叉耦合的NM0S管對、片上無源電感和器件寄 生電容構成，所選取的無源電感Q值曲線在鎖定頻段范圍內緩而平。對管M5和M6源極與尾電 流源相連，漏極連接差分電感，電感中間抽頭與電源相連接。
[0010]本發(fā)明中，所述尾電流源由單個柵極偏置電壓可調的NM0S管構成。
[0011] 本發(fā)明中，所述差分緩沖器由帶無源電感電容諧振腔的差分電路構成。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明注入鎖定倍頻器電路示意圖。
[0013] 圖2為差分緩沖器電路示意圖。
[0014] 圖3為驅動容性負載時，倍頻器最大輸出擺幅曲線和對應雙推注入對管偏置曲線 仿真示意圖。
【具體實施方式】
[0015] 下面結合附圖對發(fā)明中的注入鎖定振蕩器和鎖定范圍優(yōu)化方式做進一步說明。
[0016] 本發(fā)明的電路結構如附圖1所示，其中MTOS管M5、M6、M7和電感L1構成交叉耦合振 蕩器，對管M5、M6源極與M7漏極相連，M7源極接地，柵極接偏置電壓Vtai 1，對管M5、M6漏極分 別連接差分電感L1兩端，該電感中間抽頭連接電源，并且M5柵極與M6漏極連接，M6柵極與M5 漏極連接;匪0S管Ml和M2，M3和M4構成兩組雙推注入對管，雙推注入對管Ml、M2源極與微電 流源M7漏極相連接，Ml、M2漏極與M5漏極相連接，Ml柵極與電容C1連接，電容另一端為輸入 端VI +，M2柵極與電容C2連接，電容另一端為輸入端VI-，雙推注入對管M3、M4源極與微電流 源M7漏極相連接，M3、M4漏極與M6漏極相連接，M3柵極與電容C3連接，電容另一端為輸入端 VQ_，M4柵極與電容C4連接，電容另一端為輸入端VQ+，偏置電壓VB1通過電阻R1與Ml柵極相 連接，偏置電壓VB2通過電阻R2與M2柵極相連接，偏置電壓VB3通過電阻R3與M3柵極相連接， 偏置電壓VB4通過電阻R4與M4柵極相連接。
[0017] 振蕩器輸出的2倍頻信號最后通過差分緩沖器輸出，如附圖2所示，該差分緩沖器 由NM0S對管M8、M9,尾電流源M10,差分電感L2和電容C5、C6構成，對管M8、M9的源極與尾電流 源M10相連接，M10源極接地，柵極接偏置電壓Vtail，對管M8、M9漏極分別連接差分電感L2兩 端，該電感中間抽頭接電源，M8柵極與交叉耦合振蕩器其中一個輸出V+相連接，M9柵極與交 叉耦合振蕩器另一輸出V-相連接，電容C5兩端分別連接M8漏極和地，電容C6兩端分別連接 M9漏極和地。
[0018] 片上差分電感和器件的寄生電容構成了無源電感電容諧振腔，交叉耦合管M5、M6 為振蕩器震蕩提供了所需的負阻抗。輸入信號通過隔直電容后輸入到雙推注入對管(M1-4) 的柵極在共漏極產(chǎn)生較強的2倍頻諧波，并注入到振蕩器中，當2倍頻諧波頻率滿足鎖定要 求時，振蕩器震蕩頻率便穩(wěn)定在2倍頻諧波頻率上。雙推注入對管的直流偏置電壓通過偏置 電阻連接到雙推注入對管柵極并設置可調，以獲取最寬的鎖定范圍。尾電流源M7的柵極偏 置電壓根據(jù)需要選取合適的值，控制電路整體功耗。
[0019] 本發(fā)明通過四路正交信號（Vi +、vi - , vq. +νη.-)輸入雙推注入對管 產(chǎn)生一對差分2倍頻信號實現(xiàn)了較強的2倍頻諧波注入，所選取的無源電感電容諧振腔Q值 曲線在鎖定頻段范圍內緩而平，所以既實現(xiàn)了強的注入比，又保證了足夠的轉換增益。同 時，通過調節(jié)雙推注入對管的柵極偏置電壓，動態(tài)控制流入雙推注入對管和交叉耦合振蕩 器的靜態(tài)電流：當注入頻率接近中心頻率時降低注入對管偏置電壓使轉換增益最大；當注 入頻率遠離中心頻率時提高注入對管偏置電壓以拓寬鎖定范圍并保證最大的輸出振幅，從 而實現(xiàn)最優(yōu)的倍頻性能。鎖定的倍頻信號通過差分緩沖器輸出。附圖3為驅動容性負載時， 倍頻器最大輸出擺幅曲線V0+和對應雙推注入對管偏置曲線VB仿真示意圖。
【主權項】
1. 一種應用于生物成像的太赫茲波CMOS注入鎖定倍頻器，其特征在于：電路結構主要 由兩個雙推注入對管、一個帶電感電容諧振腔的交叉耦合振蕩器和差分緩沖器構成;兩個 雙推注入對管和交叉耦合振蕩器共用尾電流源;其中： 四路正交輸入信號通過隔直電容交流耦合輸入到雙推注入對管，產(chǎn)生所需的2倍頻諧 波，注入到帶電感電容諧振腔的交叉耦合振蕩器中，使振蕩器振蕩頻率鎖定到注入頻率的2 倍頻上，通過調節(jié)雙推注入對管的偏置電壓獲得最大的轉換增益和寬的鎖定范圍；倍頻器 的差分輸出信號通過差分緩沖器輸出。2. 根據(jù)權利要求書1所述的應用于生物成像的太赫茲波CMOS注入鎖定倍頻器，其特征 在于:所述的雙推注入對管由兩個NM0S管對漏極相連構成;柵極偏置電壓可調，漏極相連以 產(chǎn)生所需2倍頻諧波。3. 根據(jù)權利要求書1所述的應用于生物成像的太赫茲波CMOS注入鎖定倍頻器，其特征 在于:所述的交叉耦合振蕩器由交叉耦合的NM0S管對、片上無源電感和器件寄生電容構 成，所選取的無源電感Q值曲線在鎖定頻段范圍內緩而平;具有緩而平品質因數(shù)曲線的片上 電感和器件寄生電容構成無源電感電容諧振腔。4. 根據(jù)權利要求書1所述的應用于生物成像的太赫茲波CMOS注入鎖定倍頻器，其特征 在于:所述的尾電流源由單個柵極偏置電壓可調的NM0S管構成，兩個雙推注入對管和交叉 耦合振蕩器共用此尾電流源。5. 根據(jù)權利要求書1所述的應用于生物成像的太赫茲波CMOS注入鎖定倍頻器，其特征 在于:所述的差分緩沖器由帶無源電感電容諧振腔的差分電路構成。
【文檔編號】H03B19/14GK106026924SQ201610309967
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】任俊彥, 陳汧, 馬順利, 魏東
【申請人】復旦大學