振荡电路中的注入锁定(Injection Lock)

最近连续几次被人问起关于注入锁定(Injection Lock)的问题，下面就简单介绍一下。本篇的主要内容来自于UCLA大学Behzad Razavi的一篇论文。具体的可以参考原文：
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

注入锁定，简单的说就是一个振荡源如果受到一个频率很接近自己的干扰信号的影响，它的输出频率会锁定在干扰信号的频率上，而不是自身的自由振荡频率上。这种现象在射频收发(tranceiver)电路中有时会引起意想不到的错误；但是，也有一些基于此现象的高速电路设计。

注入锁定并不是在电路中独有，而是在自然界中普遍存在。17世纪的时候就有人发现两个靠得很近的挂钟的钟摆能同步振荡(通过墙壁传递震动信号)。而人类每天周而复始的睡眠和清醒也是一种生物振荡。如果把人关在一个封闭的环境里，可以测出人体作息的“自由振荡周期”大约为25小时。但在日常环境中，我们受昼夜变化的影响而把作息周期锁定在了24小时。(p.s. 我想，这就是为什么我们爱睡懒觉吧... 我们应该去火星，那里昼夜好像是25小时)

对于注入锁定的原理，Razavi的论文中用相位补偿的方式进行解释。具体的大家可以去看原文，这里就简要的说一下：振荡器在自由振荡频率上，振荡环路的相移为360度或其倍数。当信号偏离自由振荡频率时，环路的相移也应该偏离一定的角度，本不能引起振荡。但是当有一个外界信号注入，正好补偿了这个角度，则振荡器就能稳定在这个频率上。由于外界信号与振荡信号是矢量相加，所以只要这两个信号的相位差合适，两者之和总能达到360度相移或其倍数。除非是注入信号太弱，满足不了相位补偿的条件；或者注入频率与自由振荡频率差得太远，在此频率上振荡器的品质因数Q降得太低，以至于无法振荡。

在无线收发电路的设计中，注入锁定有时会引起一些很难预见到的麻烦：因为通常上行信号频率与下行信号频率不会差很远，而两路信号都需要各自的VCO产生时钟信号。这两个信号能通过芯片的衬底(对于射频芯片设计而言)或不合理的布线(对于芯片和电路板设计而言)互相影响、耦合，使其输出偏离你所需要的频率上。

注入锁定可以是基频的锁定，也可以是高次谐波的锁定。这就提供了这样一种可能性：利用谐波的锁定实现倍频或分频。而事实上确实已经有不少关于注入锁定分频器(ILFD: Injection-Lock Frequency Divider)的研究。相对于基于触发器的常规静态分频器，ILFD的功耗通常要小得多，而且在相同的技术条件下，ILFD具有更高的工作频率和分频数；但是，ILFD的工作频率范围有限，不象静态分频器可以从DC到最高工作频率全带宽工作。