振蕩電路中的注入鎖定(Injection Lock)

最近連續(xù)幾次被人問起關(guān)于注入鎖定(Injection Lock)的問題，下面就簡單介紹一下。本篇的主要內(nèi)容來自于UCLA大學(xué)Behzad Razavi的一篇論文。具體的可以參考原文：
A study of injection locking and pulling in oscillators
Razavi, B.;
Solid-State Circuits, IEEE Journal of
Volume 39, Issue 9, Sept. 2004 Page(s):1415 - 1424

注入鎖定，簡單的說就是一個(gè)振蕩源如果受到一個(gè)頻率很接近自己的干擾信號的影響，它的輸出頻率會鎖定在干擾信號的頻率上，而不是自身的自由振蕩頻率上。這種現(xiàn)象在射頻收發(fā)(tranceiver)電路中有時(shí)會引起意想不到的錯(cuò)誤；但是，也有一些基于此現(xiàn)象的高速電路設(shè)計(jì)。

注入鎖定并不是在電路中獨(dú)有，而是在自然界中普遍存在。17世紀(jì)的時(shí)候就有人發(fā)現(xiàn)兩個(gè)靠得很近的掛鐘的鐘擺能同步振蕩(通過墻壁傳遞震動(dòng)信號)。而人類每天周而復(fù)始的睡眠和清醒也是一種生物振蕩。如果把人關(guān)在一個(gè)封閉的環(huán)境里，可以測出人體作息的“自由振蕩周期”大約為25小時(shí)。但在日常環(huán)境中，我們受晝夜變化的影響而把作息周期鎖定在了24小時(shí)。(p.s. 我想，這就是為什么我們愛睡懶覺吧... 我們應(yīng)該去火星，那里晝夜好像是25小時(shí))

對于注入鎖定的原理，Razavi的論文中用相位補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行解釋。具體的大家可以去看原文，這里就簡要的說一下：振蕩器在自由振蕩頻率上，振蕩環(huán)路的相移為360度或其倍數(shù)。當(dāng)信號偏離自由振蕩頻率時(shí)，環(huán)路的相移也應(yīng)該偏離一定的角度，本不能引起振蕩。但是當(dāng)有一個(gè)外界信號注入，正好補(bǔ)償了這個(gè)角度，則振蕩器就能穩(wěn)定在這個(gè)頻率上。由于外界信號與振蕩信號是矢量相加，所以只要這兩個(gè)信號的相位差合適，兩者之和總能達(dá)到360度相移或其倍數(shù)。除非是注入信號太弱，滿足不了相位補(bǔ)償?shù)臈l件；或者注入頻率與自由振蕩頻率差得太遠(yuǎn)，在此頻率上振蕩器的品質(zhì)因數(shù)Q降得太低，以至于無法振蕩。

在無線收發(fā)電路的設(shè)計(jì)中，注入鎖定有時(shí)會引起一些很難預(yù)見到的麻煩：因?yàn)橥ǔＩ闲行盘栴l率與下行信號頻率不會差很遠(yuǎn)，而兩路信號都需要各自的VCO產(chǎn)生時(shí)鐘信號。這兩個(gè)信號能通過芯片的襯底(對于射頻芯片設(shè)計(jì)而言)或不合理的布線(對于芯片和電路板設(shè)計(jì)而言)互相影響、耦合，使其輸出偏離你所需要的頻率上。

注入鎖定可以是基頻的鎖定，也可以是高次諧波的鎖定。這就提供了這樣一種可能性：利用諧波的鎖定實(shí)現(xiàn)倍頻或分頻。而事實(shí)上確實(shí)已經(jīng)有不少關(guān)于注入鎖定分頻器(ILFD: Injection-Lock Frequency Divider)的研究。相對于基于觸發(fā)器的常規(guī)靜態(tài)分頻器，ILFD的功耗通常要小得多，而且在相同的技術(shù)條件下，ILFD具有更高的工作頻率和分頻數(shù)；但是，ILFD的工作頻率范圍有限，不象靜態(tài)分頻器可以從DC到最高工作頻率全帶寬工作。