第三章 除頻電路
3.6 實作二 訊號再生式除二電路
3.6.1 研究動機
Master-Slave D-flip-flop （MS-D-FF）所組成除頻器最高操作頻率 fmax，有一限制： max 1
2 pd
f ≤ t ，tpd表示單一ECL 或CML gate delay，
而Regenerative frequency divider(RFD)只有一個tpd和feedback loop的 delay，所以fmax可大幅提升。此外，Mixer架構的電晶體數本來就比 MS-D-FF的電晶體數少，相對的功率消耗也較少，有利於應用在行動 通訊的電路上。在高除數的頻率合成器前端，先用低功率消耗高操作 頻率的RFD當前置除頻器將頻率降低，接下來再用寬頻的MS D-FF完 成所需的除數，如此可減低MS D-FF的功率消耗又可提升操作頻率。
3.6.2 電路架構
圖3.48為此次實作的電路圖，核心電路是用主動式Gilbert混頻 器，Gilbert混頻器為一個雙平衡混器，故RF port與LO port皆需要差動 訊號輸入。我們將輸出訊號經由一級source follower回授到RF port驅 動二個電流切換電晶體(M5、M6)，因為電晶體為負偏壓操作，所以 得利用電容當block把DC偏壓值分開。輸入單端訊號經過Marchand balun產生差動訊號注入到LO port(M1~M4)。RFD是寬頻的電路，故
我們選擇頻寬較寬的Marchand balun做為輸入端balun，Marchand balun的原理己在第二章做介紹。
圖3.48 RFD實作電路schematic
一般RFD 中混波器之後需求量要一個低通濾波器，但實際電路 設計上並不需要濾波器，因為主動式混頻器本身的轉換增益的頻率響 應就是低通的形式，所以單一混頻器就包含了混頻與低通濾波的功 能。若設計主動式混波器本身提供足夠的增益來補償訊號在迴路的消 耗，為了電路簡化與功率消耗考量，放大器也可以從迴路中去除，最 後，迴路中只需一個主動式混頻器便可達到訊號的混頻、濾波與放大 的三個功用，電路簡單而有利於高頻的操作。在輸出級部分，經過一 級source follower 後才拉出來量測。
3.6.3 實測結果
(1) Min.Incident Frequency=7GHz, output freq=3.5GHz,-4.83dBm
圖3.49 RFD 輸入7GHz 頻譜圖
Max. Incident Frequency=19GHz, output freq=9.5GHz,-16.59dBm
圖3.50 RFD 輸入19GHz 頻譜圖
(2) Input sensitivity and dynamic range
6 8 10 12 14 16 18 20
0 5 10 15 20 25
Input Power (dBm)
Input Frequency (GHz)
Mim. Input Power Max. Input Power Dynamic Range Sensitivity
圖3.51 RFD input sensitivity
(3) Phase noise
圖3.52 RFD input and output phase noise
Die photo
Input
Output
6 P in DC Pad
DC
圖3.53 RFD Die photo
Chip performance
Item Spec Technology Win 0.15µm PHEMT
Supply Voltage 8 V
Supply Current (core) 27.9 mA Supply Current (output buffer) 12.23mA
Operation Frequency 7GHz~19GHz Input Sensitivity 0dBm~20dBm
Output Power -5.7dBm~-17.7 dBm Supply Power(core) 223.2mW
Die size 1500 μm × μ1000 m 表3.4 RFD performance summary
3.6.4 結論與討論
我們發現輸入靈敏度需要大於0dBm，因為在注入訊號端為被動 的Marchand balun，訊號經過分波後輸出二端的訊號會降低，由EM模 擬發現約降低4dB，且balun輸入端的阻抗匹配沒設計好；除此之外，
PHEMT需要的pumping power本來就比較高，所以輸入靈敏度較高。
操作頻率受限於模擬上電晶體大小的選擇，必需選用特定大小以 上的元件才能模擬，導致電晶體的寄生電容效應很大，使得低通濾波 器的通過截止頻帶往低頻偏；操作頻寬（最高頻率與最低頻率比值）
大概為2.7倍頻，與理論操作頻寬3倍頻很接近，頻寬較小的原因可能 是在高頻處，整個迴路訊號損耗較大，使得電路無法正常正作。輸出 相位雜訊比輸入訊號的相位雜訊經過除2電路的壓抑後，降低約6dB，
與理論相符。