振蕩電路中的注入鎖定(Injection Lock)

最近連續幾次被人問起關于注入鎖定(Injection Lock)的問題，下面就簡單介紹一下。本篇的主要內容來自于UCLA大學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，簡單的說就是一個振蕩源如果受到一個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。這種現象在射頻收發(tranceiver)電路中有時會引起意想不到的錯誤；但是，也有一些基于此現象的高速電路設計。

注入鎖定并不是在電路中獨有，而是在自然界中普遍存在。17世紀的時候就有人發現兩個靠得很近的掛鐘的鐘擺能同步振蕩(通過墻壁傳遞震動信號)。而人類每天周而復始的睡眠和清醒也是一種生物振蕩。如果把人關在一個封閉的環境里，可以測出人體作息的“自由振蕩周期”大約為25小時。但在日常環境中，我們受晝夜變化的影響而把作息周期鎖定在了24小時。(p.s. 我想，這就是為什么我們愛睡懶覺吧... 我們應該去火星，那里晝夜好像是25小時)

對于注入鎖定的原理，Razavi的論文中用相位補償的方式進行解釋。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，振蕩環路的相移為360度或其倍數。當信號偏離自由振蕩頻率時，環路的相移也應該偏離一定的角度，本不能引起振蕩。但是當有一個外界信號注入，正好補償了這個角度，則振蕩器就能穩定在這個頻率上。由于外界信號與振蕩信號是矢量相加，所以只要這兩個信號的相位差合適，兩者之和總能達到360度相移或其倍數。除非是注入信號太弱，滿足不了相位補償的條件；或者注入頻率與自由振蕩頻率差得太遠，在此頻率上振蕩器的品質因數Q降得太低，以至于無法振蕩。

在無線收發電路的設計中，注入鎖定有時會引起一些很難預見到的麻煩：因為通常上行信號頻率與下行信號頻率不會差很遠，而兩路信號都需要各自的VCO產生時鐘信號。這兩個信號能通過芯片的襯底(對于射頻芯片設計而言)或不合理的布線(對于芯片和電路板設計而言)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：利用諧波的鎖定實現倍頻或分頻。而事實上確實已經有不少關于注入鎖定分頻器(ILFD: Injection-Lock Frequency Divider)的研究。相對于基于觸發器的常規靜態分頻器，ILFD的功耗通常要小得多，而且在相同的技術條件下，ILFD具有更高的工作頻率和分頻數；但是，ILFD的工作頻率范圍有限，不象靜態分頻器可以從DC到最高工作頻率全帶寬工作。