本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域,具體涉及一種數(shù)字正交調(diào)制器配置。本發(fā)明還涉及一種開關(guān)電容陣列配置。
背景技術(shù):
將數(shù)字同相(I)和正交(Q)信號直接轉(zhuǎn)換為同相/正交(I/Q)調(diào)制的模擬射頻(RF)功率的設(shè)備在當(dāng)今得到廣泛使用。該些設(shè)備在文獻(xiàn)中具有多種名稱和縮寫,諸如全數(shù)字正交發(fā)射器、直接數(shù)字射頻調(diào)制器(DDRM)、數(shù)字射頻轉(zhuǎn)換器(DRFC)和數(shù)字射頻振幅轉(zhuǎn)換器(DRAC,RF-DAC)。在本文中,該器件被稱為IQ-RF-DAC,意為IQ到射頻功率數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
一種現(xiàn)有技術(shù)中的IQ-RF-DAC性能可以通過開關(guān)陣列拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)。圖1示出了開關(guān)陣列IQ-RF-DAC 100的示例,參見Chao Lu等提出的文獻(xiàn)[1]。圖1所示的開關(guān)陣列IQ-RF-DAC 100是基于數(shù)字調(diào)制開關(guān)陣列的電導(dǎo)。使用邏輯“與”門,輸入數(shù)字基帶(BB)位控制本地振蕩器(LO)信號是否到達(dá)單元開關(guān)門。
對于圖1的IQ-RF-DAC 100,通過合并來自第一和第二開關(guān)陣列功率放大器,I-PA102和Q-PA 103的電流獲得射頻輸出RFout 101。變換器104用于合并I-PA 102和Q-PA 103的輸出到RFOut 101。I-PA 102和Q-PA 103是相同的,并分別響應(yīng)于同相(I)和正交(Q)信號。每一個(gè)均被分離成由基帶信號離散控制的多個(gè)功率單元105和106。該基帶信號以一種符號化的二元格式,由13位組成:用于同相信號的I-BB[12:0]107和用于正交信號的Q-BB[12:0]108。BB[12]指示符號信息,并且對剩余的位使用信號幅值編碼以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)數(shù)目的功率單元。符號位I-BB[12]109被饋送到復(fù)用器110,其還具有作為輸入的同相本地振蕩器信號I-LO111,符號位109確定正I-LO信號LO+112或者反相或相反的同相本地振蕩器信號LO-113是否用于切換I-PA 102的開關(guān)門。符號位Q-BB[12]116被饋送到復(fù)用器117,其還具有作為輸入的正交本地振蕩器信號Q-LO 118,符號位116確定正Q-LO信號LO+119或者反相或相反的正交本地振蕩器信號LO-120是否用于切換Q-PA103的開關(guān)門。I-PA和Q-PA的單位功率單元105、106由兩個(gè)“與”門114、115和121、122,開關(guān)對123、124和125、126及其緩沖器127、128和129、130構(gòu)成。I-BB[11:0]或Q-BB[11:0]的使能信號位EN 131、EN 132被用作“與”門114、115和121、122的輸入,而另一個(gè)輸入與帶符號的LO,即LO+112、119或LO-113、120連接。RF輸出RFOut 101傳送量化基帶信息,因此圖1所示的IQ-RF-DAC 100可用作數(shù)模轉(zhuǎn)換、調(diào)制和功率放大的合并。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種數(shù)字正交調(diào)制器,其包括一組或多組開關(guān)電容單元陣列。本發(fā)明的開關(guān)電容陣列非常適合于高容量CMOS工藝制造,可以替代現(xiàn)有技術(shù)中數(shù)字正交調(diào)制器的開關(guān)陣列拓?fù)?,從而提供一種解決方案,其可以應(yīng)用于具有CMOS生產(chǎn)規(guī)模優(yōu)勢的低成本RF解決方案中。
前述和其它目的可以通過獨(dú)立權(quán)利要求中的特征來實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步的實(shí)施方式通過從屬權(quán)利要求、說明書以及附圖顯而易見。
根據(jù)第一方面,提供了一種數(shù)字正交調(diào)制器,包括:本地振蕩器電路,其用于提供具有第一占空比的第一組本地振蕩器信號,其包括正極性同相本地振蕩器信號、反極性同相本地振蕩器信號(LOIM)、正極性正交本地振蕩器信號和反極性正交本地振蕩器信號;本地振蕩器極性邏輯電路,其用于根據(jù)同相數(shù)字控制字的符號位,在正極性和反極性同相本地振蕩器信號之間選擇同相本地振蕩器信號,并且根據(jù)正交數(shù)字控制字的符號位,在正極性和反極性正交本地振蕩器信號之間選擇正交本地振蕩器信號;多個(gè)本地振蕩器控制邏輯電路,每個(gè)都用于通過根據(jù)同相數(shù)字控制字的值和/或正交數(shù)字控制字的值選通選擇的本地振蕩器信號中的一個(gè)或兩個(gè)來生成條件信號;一組或多組開關(guān)電容單元,每個(gè)開關(guān)電容單元都具有由輸出電容提供的輸出,其中所述輸出電容的輸入側(cè)的信號由所述條件信號之一確定或控制;以及用于合并所述開關(guān)電容單元中的至少兩個(gè)輸出的公共節(jié)點(diǎn)。
開關(guān)電容單元的輸出電容具有輸入側(cè),該輸入側(cè)可以被連接或提供信號或電壓,其中輸入側(cè)上的信號或電壓由條件信號之一確定或控制。所述開關(guān)電容單元可以并聯(lián)布置以形成陣列,并且一組開關(guān)電容單元也可以被稱為開關(guān)電容陣列。
本地振蕩器控制電路的數(shù)量可以小于開關(guān)電容單元的數(shù)量。使用一個(gè)本地振蕩器控制電路的輸出來控制幾個(gè)開關(guān)電容單元可以減少物理布局的復(fù)雜性。
根據(jù)第一方面,在該數(shù)字正交調(diào)制器的第一種可能的實(shí)施方式中,本地振蕩器電路還用于提供具有第二占空比的第二組本地振蕩器信號,其也包括正極性同相本地振蕩器信號、反極性同相本地振蕩器信號、正極性正交本地振蕩器信號和反極性正交本地振蕩器信號;所述本地振蕩器極性邏輯電路還用于根據(jù)所述同相數(shù)字控制字的符號位和所述正交數(shù)字控制字的符號位從所述提供的第二占空比本地振蕩器信號的組中選擇第二占空比本地振蕩器信號;并且至少部分所述本地振蕩器控制邏輯電路用于通過根據(jù)所述同相數(shù)字控制字的值和所述正交數(shù)字控制字的值選通選擇的第一占空比本地振蕩器信號和選擇的第二占空比本地振蕩器信號來生成所述條件信號。
根據(jù)第一方面的第一種實(shí)施方式,在該數(shù)字正交調(diào)制器的第二種可能的實(shí)施方式中,第二組本地振蕩器信號的第二占空比大于第一組本地振蕩器信號的第一占空比。
根據(jù)第一方面的第二種實(shí)施方式,在該數(shù)字正交調(diào)制器的第三種可能的實(shí)施方式中,第二組本地振蕩器信號的第二占空比為50%或約50%,第一組本地振蕩器信號的第一占空比為25%或約25%。
根據(jù)第一方面或第一方面的前述實(shí)施方式中的任意一種,在該數(shù)字正交調(diào)制器的第四種可能的實(shí)施方式中,開關(guān)電容單元中的至少兩個(gè)包括具有第一電容值的輸出電容,并且至少兩個(gè)具有第一電容輸出值的開關(guān)電容單元的輸出通過一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)電容彼此耦合,所述串聯(lián)電容具有等于或基本等于兩倍第一電容值的總第二電容值。其優(yōu)點(diǎn)是:可以形成C-2C開關(guān)電容陣列,并且增加數(shù)字正交調(diào)制器分辨率。
根據(jù)第一方面或第一方面的前述實(shí)施方式中的任意一種,在該數(shù)字正交調(diào)制器的第五種可能的實(shí)施方式中,所述開關(guān)電容單元的一部分或全部都是多電壓開關(guān)電容單元,其用于連接至少兩個(gè)電源電壓,兩個(gè)電源電壓中至少第二電源電壓高于第一電源電壓。其優(yōu)點(diǎn)是:可以形成具有多電壓開關(guān)電容單元的一個(gè)或多個(gè)開關(guān)電容陣列,并且可以提高數(shù)字正交調(diào)制器的回退功率附加效率PAE。
根據(jù)第一方面的第五種實(shí)施方式,在該數(shù)字正交調(diào)制器的第六種可能的實(shí)施方式中,數(shù)字正交調(diào)制器進(jìn)一步包括用于根據(jù)一個(gè)或多個(gè)接收到的電源電壓選擇信號選擇所述多電壓開關(guān)電容單元的電源電壓的電壓選擇電路。
根據(jù)第一方面或第一方面的前述實(shí)施方式中的任意一種,在該數(shù)字正交調(diào)制器的第七種可能的實(shí)施方式中,開關(guān)電容單元的一部分或全部均為關(guān)斷模式開關(guān)電容單元,其被配置為具有包括關(guān)斷模式、有源電壓切換模式和無源恒定輸入電壓模式的可控操作模式。在關(guān)斷模式中,輸出電容的輸入側(cè)以較小的寄生輸出電容進(jìn)行浮動(dòng),其可以被認(rèn)為接近零,而對于有源和無源模式,輸出電容等于所述開關(guān)電容單元的輸出電容的電容。關(guān)斷模式開關(guān)電容單元的應(yīng)用有助于調(diào)整數(shù)字正交調(diào)制器內(nèi)的開關(guān)電容陣列的總輸出電容。
根據(jù)第一方面的第七種實(shí)施方式,在該數(shù)字正交調(diào)制器的第八種可能的實(shí)施方式中,所述調(diào)制器還包括用于根據(jù)一個(gè)或多個(gè)操作模式控制信號控制關(guān)斷模式開關(guān)電容單元的操作模式的操作模式控制電路。
根據(jù)第一方面的第七種或第八種實(shí)施方式,在該數(shù)字正交調(diào)制器的第九種可能實(shí)施形式中,第一組關(guān)斷模式開關(guān)電容單元被配置為在處于所述有源模式時(shí),使輸出電容的輸入側(cè)在地面和第三電源電壓之間切換,并且第二組關(guān)斷模式開關(guān)電容單元被配置為在處于所述有源模式時(shí),使得輸出電容的輸入側(cè)在在地面和第四電源電壓之間切換,第四電壓電源高于第三電源電壓。
根據(jù)第一方面的第八種和第九種實(shí)施方式,在該數(shù)字正交調(diào)制器的第十種可能的實(shí)施方式中,所述操作模式控制電路用于控制第一組和第二組關(guān)斷模式開關(guān)電容單元的操作模式,使得當(dāng)多個(gè)第二組關(guān)斷模式開關(guān)電容單元的操作模式被控制為關(guān)斷模式時(shí),相等或更大數(shù)量的第一組關(guān)斷模式開關(guān)電容單元的操作模式被控制為無源或有源模式。
根據(jù)第一方面的第十種實(shí)施方式,在該數(shù)字正交調(diào)制器的第十一種可能的實(shí)施方式中,操作模式控制電路用于控制第一組和第二組關(guān)斷模式開關(guān)電容單元中的操作模式,使得當(dāng)多個(gè)第二組關(guān)斷模式開關(guān)電容單元的操作模式被控制成從關(guān)斷模式轉(zhuǎn)換到有源模式時(shí),相等數(shù)量的第一組關(guān)斷模式開關(guān)電容單元的操作模式被控制為從無源或有源模式轉(zhuǎn)換到關(guān)斷模式。
根據(jù)第一方面的第八種和第九種、第十種或第十一種實(shí)施方式中的任意一種,在該數(shù)字正交調(diào)制器的第十二種可能的實(shí)施方式中,所述操作模式控制電路用于控制第一組和第二組關(guān)斷模式開關(guān)電容單元的操作模式,使得當(dāng)多個(gè)第二組關(guān)斷模式開關(guān)電容單元的操作模式被控制為從有源模式切換到關(guān)斷模式時(shí),相等數(shù)量的第一組關(guān)斷模式開關(guān)電容單元的操作模式被控制為從關(guān)斷模式轉(zhuǎn)換到無源或有源模式。
根據(jù)第一方面的第八種、第九種、第十種、第十一種或第十二種實(shí)施方式中的任意一種,在該數(shù)字正交調(diào)制器的第十三可能的實(shí)施方式中,操作模式控制電路用于將多個(gè)關(guān)斷模式開關(guān)電容單元的操作模式設(shè)置為關(guān)斷模式,從而改變總輸出電容。
根據(jù)第二方面,提供了一種RF發(fā)射器,其包括第一方面的前述實(shí)施方式之一的數(shù)字正交調(diào)制器。
根據(jù)第二方面,在該RF發(fā)射器的第一種可能的實(shí)施方式中,RF發(fā)射器還包括用于用于接收合并輸出信號以及從其中產(chǎn)生濾波RF輸出的濾波器或匹配網(wǎng)絡(luò)。
根據(jù)第二方面或第二方面的第一種實(shí)施方式,在該RF發(fā)射器的第二種可能的實(shí)施方式中,RF發(fā)射器還包括用于接收合并輸出信號或?yàn)V波RF輸出并從其中產(chǎn)生放大輸出的功率放大器。
根據(jù)第三方面,提供了一種合并發(fā)射器,其包括多個(gè)第二方面的第一種實(shí)施方式的RF發(fā)射器,其中RF發(fā)射器輸出功率為合并的。
根據(jù)第四方面,提供了一種RF發(fā)射器,其包括一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)相位調(diào)制器,其中每個(gè)相位調(diào)制器均包括第一方面的前述實(shí)施方式之一的數(shù)字正交調(diào)制器。
同相數(shù)字控制字和正交數(shù)字控制字為符號化的數(shù)字字,其可以分別包含相應(yīng)同相輸出RF信號和相應(yīng)正交輸出RF信號的符號和幅值信息。簡單而言,數(shù)字控制字可為表示相應(yīng)輸出RF信號電平的數(shù)字的符號化的二元表達(dá)。但是數(shù)字控制字還可以包含更多的控制信息。例如:它可以包括有關(guān)單元編碼的信息,諸如考慮到一元和二元編碼單元,C-2C單元,以及控制信息,該控制信息用于操作模式控制電路的單元中,例如:具有關(guān)斷模式或若干可選電源電壓的單元。數(shù)字控制字的值意味著除了符號化的信息之外的單元控制信息。同相數(shù)字控制字和正交數(shù)字控制字是指同相和正交信號,但并非直接與I/Q基帶信號相關(guān)。通常在可以用于控制IQ-RF-DAC之前,I/Q基帶信號需要被進(jìn)行數(shù)字處理。典型的數(shù)字處理可以包括但不限于上采樣、數(shù)字濾波、預(yù)失真以及二元到一元的轉(zhuǎn)換。
附圖說明
圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中開關(guān)陣列IQ到RF功率DAC,IQ-RF-DAC的框圖;
圖2示出了包括開關(guān)電容單元的開關(guān)電容陣列;
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用開關(guān)電容數(shù)字正交調(diào)制器的第一類型IQ到RF功率DAC,IQ-RF-DAC的框圖;
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的開關(guān)電容數(shù)字正交調(diào)制器的電路圖;
圖5a和圖5b示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用數(shù)字正交調(diào)制器的第二類型開關(guān)電容IQ到RF功率DAC,IQ-RF-DAC實(shí)施例的框圖;
圖6a和圖6b示出了根據(jù)第二類型轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電容數(shù)字正交調(diào)制器實(shí)施例的電路圖;
圖7a和圖7b示出了用于差分IQ到RF功率DAC IQ-RF-DAC的兩個(gè)開關(guān)電容數(shù)字正交調(diào)制器的電路圖;
圖8a和圖8b示出了本地振蕩器信號的不同占空比;
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括具有兩個(gè)電源電壓的開關(guān)電容單元的開關(guān)電容陣列;
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括具有關(guān)斷狀態(tài)操作模式的開關(guān)電容單元的開關(guān)電容陣列;
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括具有關(guān)斷操作模式并且可在兩個(gè)電源電壓之間交換的開關(guān)電容單元的開關(guān)電容陣列;
圖12a和圖12b示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有兩個(gè)可選擇電源電壓的開關(guān)電容單元的電路圖;
圖13a和圖13b示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用關(guān)斷狀態(tài)模式下的開關(guān)電容單元調(diào)整開關(guān)電容陣列輸出電容的電路圖;
圖14a、圖14b和圖14c示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用關(guān)斷狀態(tài)模式下的可交換開關(guān)電容單元,以在兩個(gè)不同電源電壓的單元之間進(jìn)行交換的電路圖;
圖15示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的開關(guān)電容調(diào)制器的概略圖,該開關(guān)電容調(diào)制器包括具有單個(gè)電源電壓開關(guān)電容單元的陣列、兩個(gè)電源電壓開關(guān)電容單元和可交換開關(guān)電容單位對;
圖16示出了圖15所示調(diào)制器陣列的輸出電壓變化的電壓圖;以及
圖17示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例,使用C-2C開關(guān)電容單元來增加開關(guān)電容IQ到RF功率DAC,IQ-RF-DAC的分辨率的示意圖。
具體實(shí)施方式
為了降低RF產(chǎn)品成本,強(qiáng)烈嘗試使用高容量標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)來集成更多的RF發(fā)射器鏈中的部分。最符合條件的未來低成本RF解決方案得益于所述CMOS的生產(chǎn)規(guī)模。一個(gè)很好的例子是開關(guān)電容數(shù)字正交調(diào)制器功率放大器。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面,提供了一種開關(guān)電容數(shù)字正交調(diào)制器。本發(fā)明的調(diào)制器可以用在開關(guān)電容IQ-RF-DAC中。圖2示出了包括開關(guān)電容單元201的開關(guān)電容陣列200的概念。圖2中陣列200中的每個(gè)開關(guān)電容單元201都具有輸出電容202,輸出電容202的輸出203并聯(lián)連接。輸出電容201具有輸入側(cè)204,輸入側(cè)204可以在一頻率下,在電源Vsup和地面GND之間有源切換,該頻率可以是本地振蕩器L0頻率或固定到電源或地面的無源頻率。為了控制圖2所示開關(guān)電容單元200的開關(guān),開關(guān)門或反相器可以連接至輸出電容的輸入側(cè),并且門電路(可為“與”門)可以連接到開關(guān)門或反相器的輸入in1、in2、in3,由此到門電路或“與”門的輸入信號可以控制開關(guān)電容單元200的開關(guān)。
開關(guān)電容輸出電容202的輸入側(cè)204在物理上可以為底板,則電容202的輸出側(cè)203則可以為頂板,但是電容202的反向物理連接也是可能的,即輸入側(cè)204物理上是頂板,輸出側(cè)203物理上是底板?;蛘撸敵鲭娙?02也可以不具有明確的底板或頂板,比如共面電容。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用開關(guān)電容數(shù)字正交調(diào)制器的第一類型開關(guān)電容IQ到RF功率DAC,IQ-RF-DAC 300的高層框圖。圖3所示的轉(zhuǎn)換器具有振蕩器輸入317(2×LO),其為LO頻率的兩倍,接著是“除法器(除以2)”,以將頻率除以2,“除法器(除以2)”是用于提供同相本地振蕩器信號LOIP、反相或反極性同相本地振蕩器信號LOIM、正交本地振蕩器信號LOQP和反相或反極性正交本地振蕩器信號LOQM的本地振蕩器電路301的一部分。來自除法器301的輸出可為50%的占空比,并且如果需要用于LO頻率輸出、LOIM、LOIP、LOQP、LOQM的其他的占空比,比如20%的占空比,則占空比生成器318可以選擇性的被提供。
圖3所示轉(zhuǎn)換器的輸出302,OUT,響應(yīng)于數(shù)字同相(I)信號303和數(shù)字正交(Q)信號304。每個(gè)數(shù)字信號303,304,I和Q都由數(shù)字控制字構(gòu)成,該數(shù)字控制字分別經(jīng)過同相“單位編碼”電路305和正交“單位編碼”電路306。同相“單元編碼”電路305的輸出被饋送到同相邏輯電路或“與”端口307,以與同相本地振蕩器信號LOIP或LOIM一起被門控。同相“與”端口307的輸出為同相“開關(guān)電容單元”308的控制輸入。正交“單元編碼”電路306的輸出被饋送到正交邏輯電路或“與”端口309,以與正交本地振蕩器信號LOQP或LOQM一起被門控。正交“與”端口的輸出為正交“開關(guān)電容單元”310的控制輸入。同相信號I[sign]的一個(gè)位311為對應(yīng)的本地振蕩器信號LOIP、LOIM指示符號信息,且I[sign]位311被饋送到“LOI極性設(shè)置”電路312,用于確定LOIP或LOIM振蕩器信號是否被轉(zhuǎn)發(fā)到同相“與”端口307。正交信號Q[sign]的一個(gè)位313為對應(yīng)的本地振蕩器信號LOQP、LOQM指示符號信息,且Q[sign]位313被饋送到“LOQ極性設(shè)置”電路314,用于確定LOQP或LOQM振蕩器信號是否被轉(zhuǎn)發(fā)到正交“與”端口309。同相“開關(guān)電容單元”308的輸出并聯(lián)連接,而且還連接到正交“開關(guān)電容單元”310并聯(lián)連接的輸出上,以提供公共節(jié)點(diǎn)陣列輸出SC-OUT 315,其被饋送到“濾波器與阻抗匹配”電路316以提供轉(zhuǎn)換器輸出OUT 302。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的開關(guān)電容數(shù)字正交調(diào)制器400的簡化電路圖。圖4所示的調(diào)制器400被配置為應(yīng)用于圖3所示的開關(guān)電容IQ-RF-DAC 300。圖4左側(cè)示出了多個(gè)并聯(lián)連接的同相開關(guān)電容單元401,對應(yīng)于圖3所示的同相“開關(guān)電容單元”308,其中每個(gè)開關(guān)電容單元401都具有輸出電容402以及反相器403或互補(bǔ)D類放大器。多個(gè)對應(yīng)于圖3所示的同相“與”端口307的同相“與”門404驅(qū)動(dòng)同相開關(guān)電容單元401,每個(gè)同相“與”門404的使能輸入405均由同相信號位I[1B]、I[2B]等提供,其中I位信號可以由圖3所示的同相“單元編碼”電路305來編碼。同相符號位I[sign]406被饋送到同相極性選擇電路407,其可以包括兩個(gè)“與”門和反相器,且其可以對應(yīng)于圖3所示的同相“LOI極性設(shè)置”電路312。同相符號位406控制LOIP或LOIM振蕩器信號是否被轉(zhuǎn)發(fā)到同相“與”門404。
圖4右側(cè)示出了多個(gè)并聯(lián)連接的正交開關(guān)電容單元408,其對應(yīng)于圖3所示的正交“開關(guān)電容單元”310,其中每個(gè)開關(guān)電容單元408都具有輸出電容409以及反相器410或D類放大器。多個(gè)對應(yīng)于圖3所示的正交“與”端口309的正交“與”門411驅(qū)動(dòng)正交開關(guān)電容單元408,每個(gè)正交“與”門411的使能輸入412均由正交信號位Q[1B]、Q[2B]等提供,其中Q位信號可以由圖4所示的正交“單元編碼”電路306來編碼。正交符號位Q[sign]413被饋送到正交極性選擇電路414,其可以包括兩個(gè)“與”門和反相器,且可以對應(yīng)于圖3所示的正交“LOQ極性設(shè)置”電路314。正交符號位413控制LOQP或LOQM振蕩器信號是否被轉(zhuǎn)發(fā)到正交“與”門411。同相開關(guān)電容單元401并聯(lián)連接的輸出被進(jìn)一步連接到正交開關(guān)電容單元408并聯(lián)連接的輸出,并且組合的輸出被饋送到濾波器和阻抗匹配電路415以提供轉(zhuǎn)換器輸出OUT 416。
對于圖4所示電路400,僅示出四個(gè)LSB位和符號位,其中1B、2B......是指第一和第二最低有效位(LSB)??刂崎_關(guān)電容單元的同相和正交控制字可以用不同的方式編碼。例如:所有或部分單元可以使用一元編碼(熱編碼)替代二元編碼。I和Q的數(shù)字信號的符號控制同相LO信號LOI和正交LO信號LOQ的極性。
對于圖3和4的開關(guān)電容陣列308、309和401、408,其具有并聯(lián)連接的開關(guān)電容單元,那么理想情況下,無論開關(guān)電容單元是切換的還是固定的,開關(guān)電容單元電容都是相同的,這使得開關(guān)電容陣列的有效電容不取決于編碼,且其基本的線性和正交性都非常好。而且,對于生產(chǎn)工藝的變化,單元電容中單元到單元的匹配和溫度不變性較現(xiàn)有技術(shù)的開關(guān)陣列IQ-RF-DAC中使用的單元ON電阻明顯更好,例如參考文獻(xiàn)[1]中圖1所表現(xiàn)的。
圖3和圖4所示的開關(guān)電容單元401、408被劃分為具有單獨(dú)輸入的兩個(gè)組或者兩個(gè)陣列,第一組為同相開關(guān)電容單元401,其對應(yīng)于圖3所示的同相“開關(guān)電容單元”308;第二組為正交開關(guān)電容單元408,其對應(yīng)于圖3所示的正交“開關(guān)電容單元”310。然而,開關(guān)電容單元不需要被專用于同相LOI或正交LOQ。相反,如果全部或大多數(shù)開關(guān)電容單元被配置為利用LOI時(shí)鐘或LOQ時(shí)鐘進(jìn)行開關(guān),則可以從相同的開關(guān)電容陣列獲得更高的峰值輸出功率和更少的功率回退。結(jié)合圖5和圖6,對具有開關(guān)電容單元的轉(zhuǎn)換器示例進(jìn)行了描述,該開關(guān)電容單元由同相和正交本地振蕩器信號進(jìn)行計(jì)時(shí)。
圖5a和圖5b示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用數(shù)字正交調(diào)制器的第二類型開關(guān)電容IQ到RF功率DAC,IQ-RF-DAC,500a、500b的高層框圖。圖5a和圖5b所示轉(zhuǎn)換器的輸入-輸出信號類似于圖3和4所示轉(zhuǎn)換器的輸入-輸出信號。圖5a和圖5b所示的轉(zhuǎn)換器具有振蕩器輸入501a、501b(2xLO),其為LO頻率的2倍,接著是除法器(除以2)本地振蕩器電路502a、502b,其用于提供同相本地振蕩器信號LOIP、反相或反極性同相本地振蕩器信號LOIM、正交本地振蕩器信號LOQP和反相或反極性同相本地振蕩器信號LOQM。來自除法器502a、502b的輸出可為50%的占空比,并且如果需要用于LO頻率輸出、LOIM、LOIP、LOQP、LOQM的其他的占空比(比如20%的占空比),則占空比生成器512a、512b可以選擇性的被提供。
在圖5a中,LOIM和LOIP信號被饋送到“LOI極性設(shè)置”電路513a,并且LOQM和LOQP信號被饋送到“LOQ極性設(shè)置”電路514a。所選的LOI和LOQ輸出頻率信號分別從電路513a和514a饋送到“LO控制邏輯”電路503a。
在圖5b中,占空比生成器512b不是可選的,并且50%和25%占空比LO頻率輸出LOIM、LOIP、LOQP、LOQM都被饋送到“基于符號位的LO信號選擇”電路513b。兩個(gè)25%占空比輸出頻率信號LOQ 25%和LOI 25%從電路513b被饋送到“LO控制邏輯”電路503b,并且一個(gè)50%占空比輸出頻率信號LO50%從電路513b被饋送到“LO控制邏輯”電路503b。
對于圖5a和圖5b轉(zhuǎn)換器而言,同相基帶信號I(digital)504a、504b經(jīng)過同相“單元編碼”電路505a、505b,且來自同相“單元編碼”電路的輸出被饋送到“LO控制邏輯”電路503a、503b。對于“單元編碼”電路505a而言,符號位I[sign]515a被饋送到“LOI極性設(shè)置”電路513a。類似地,正交基帶信號Q(digital)506a、506b經(jīng)過正交“單元編碼”電路507a、507b,且來自正交“單元編碼”電路507a、507b的輸出被饋送到“LO控制邏輯”電路503a、503b。對于“單元編碼”電路507a而言,符號位Q[sign]516a被饋送到“LOQ極性設(shè)置”電路514a。符號位515a和516a控制饋送到“LO控制邏輯”503a的LOI和LOQ頻率信號的極性。
對于“單元編碼”電路505b和507b,符號位I[sign]515b和Q[sign]516b均被饋送到“基于符號位的LO信號選擇”電路513b。符號位515b和516b控制被饋送到“LO控制邏輯”503b的LOI 25%和LOQ 25%頻率信號的極性,并且進(jìn)一步控制哪個(gè)50%占空比LOIM、LOIP、LOQP、LOQM信號作為LO50%被饋送到電路503b。
“LO控制邏輯”電路503a、503b的輸出被用作并聯(lián)連接的開關(guān)電容單元508a、508b陣列的輸入?!伴_關(guān)電容單元”508a、508b并聯(lián)連接單元的輸出為公共節(jié)點(diǎn)陣列輸出SC-OUT 509a、509b,其被饋送到“濾波器與阻抗匹配”電路510a、510b以提供轉(zhuǎn)換器輸出OUT 511a、511b。
本發(fā)明還涉及僅將一部分開關(guān)電容單元的輸出合并在公共節(jié)點(diǎn)(例如315、509a、509b傳中的實(shí)施例,并且由濾波器或匹配網(wǎng)絡(luò)(例如316、415、510a、510b)進(jìn)行接收。這里,剩余的開關(guān)電容單元輸出可以與濾波器或匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出(例如302、416、511a、511b)合并。
圖6a和圖6b示出了根據(jù)第二類型轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電容數(shù)字正交調(diào)制器實(shí)施例的電路圖,其中圖6a對應(yīng)于圖5a所示的框圖,圖6b對應(yīng)于圖5b所示的框圖。
圖6所示的調(diào)制器600a為圖5中“LO控制邏輯”電路503a、“開關(guān)電容單元”電路508a和“濾波器和阻抗匹配”電路510a的一個(gè)示例。圖6a所示的電路圖示出了3位SC-IQ-RF-DAC的簡化實(shí)施例,其中輸入基帶信號I和Q中除了LSB位之外的所有的位均可以用于LOI或LOQ。圖6a示出了具有兩個(gè)“與”門和反相器的同相極性選擇電路601a,其中同相符號位I[sign]602a控制LOIP或LOIM振蕩器信號是否被轉(zhuǎn)發(fā)到多個(gè)同相“與”門603a中的每一個(gè)。每個(gè)同相“與”門603a都與具有輸出電容的開關(guān)電容單元的輸入相連接。圖6a還包含具有兩個(gè)“與”門和反相器的正交極性選擇電路604a,其中正交符號位Q[sign]605a控制LOQP或LOQM振蕩器信號是否被轉(zhuǎn)發(fā)到多個(gè)正交“與”門606a。每個(gè)正交“與”門606a都與具有輸出電容的開關(guān)電容單元的輸入相連接。開關(guān)電容單元607a中的一個(gè)由一個(gè)同相“與”門603aa進(jìn)行控制,其除了同相振蕩器信號LOIM或LOIP之外,還具有作為輸入的同相基帶信號第一位I[1B]。類似地,開關(guān)電容單元608a中的一個(gè)由一個(gè)正交“與”門606aa控制,除了正交振蕩器信號LOQM或LOQP之外,還具有作為輸入的正交基帶信號的第一位Q[1B]。對于其余的每個(gè)開關(guān)電容單元,開關(guān)電容單元與LO控制邏輯電路進(jìn)行連接,LO控制邏輯電路包括同相“與”門603a,其具有作為輸入的同相信號的第二位I[2B]或第三位I[3B],以及正交“與”門606a,其具有作為輸入的正交信號的第二位Q[2B]或第三位Q[3B]。并聯(lián)連接的開關(guān)電容單元SC-OUT的輸出609a被饋送到“濾波器和阻抗匹配”電路610a以提供轉(zhuǎn)換器輸出OUT 611a。同時(shí)連接到同相“與”門603a和正交“與”門606a的開關(guān)電容單元不能同時(shí)連接到同相振蕩器信號LOI或正交振蕩器信號LOQ,因此二元編碼可能限制共享開關(guān)電容單元的實(shí)際數(shù)量,但在實(shí)際中,可以對MSB位進(jìn)行一元編碼以避免毛刺,從而顯著減少I和Q的控制重疊。
圖6b示出了調(diào)制器600b,其具有“基于符號位的LO信號選擇”電路613b、“LO控制邏輯”電路603b、“開關(guān)電容陣列”608b以及輸出SC-OUT 609b,輸出SC-OUT 609b被饋送到“濾波器與阻抗匹配”電路610b以提供轉(zhuǎn)換器輸出OUT 611b。此部分分別對應(yīng)于圖5b的513b、503b、508b、509b、510b和511b。
調(diào)制器600b的電路613b具有同相極性選擇電路,即“LOI極性設(shè)置”電路601b,其帶有來自512b的25%占空比輸入LOIP25%和LOIM25%,以及控制輸出信號LOI25%的符號位I[sign],以及正交極性選擇電路,即“LOQ極性設(shè)置”電路604b,其帶有來自512b的25%占空比輸入LOQP25%和LOQM25%,以及控制輸出信號LOQ 25%的符號位Q[sign]。電路613b還具有“LO極性設(shè)置”電路617b。電路617b具有來自512b的50%占空比輸入LOIM50%、LOIP50%、LOQM50%、LOQP50%,以及控制輸出信號LO50%的符號位I[sign]和Q[sign]。
如圖6b所示,“LO控制邏輯”電路603b包括三個(gè)“LO控制邏輯電路”單元,每個(gè)“LO控制邏輯電路”單元控制一個(gè)開關(guān)電容單元。電路603b具有用于控制陣列608b的開關(guān)電容單元618b、619b和620b的開關(guān)的控制邏輯。對于單元618b,LO控制邏輯電路具有作為輸入的第一位基帶信號,其表示同相信號I[1B]和正交信號Q[1B],以及LO50%、LOI 25%和LOQ 25%本地振蕩器信號。對于每個(gè)單元619b和620b,LO控制邏輯電路具有作為輸入的第二位基帶信號,其表示同相信號I[2B]和正交信號Q[2B],以及LO50%、LOI 25%和LOQ 25%本地振蕩器信號。
LOI極性電路601b和LOQ極性電路604b分別根據(jù)I[sign]和Q[sign]輸出25%占空比本地振蕩器信號LOI 25%和LOQ 25%。LO50%電路617b根據(jù)I[sign]和Q[sign]選擇一個(gè)50%占空比本地振蕩器信號。然后,LO控制邏輯電路603b使用50%占空比和25%占空比本地振蕩器信號LO50%、LOI 25%、LOQ 25%,然后根據(jù)數(shù)字基帶字從這三個(gè)選項(xiàng)中選擇最佳的一個(gè)。為每個(gè)開關(guān)電容單元選擇的最佳信號稱為條件信號。優(yōu)點(diǎn)是:利用任意的I和Q信號字,有最多數(shù)量的開關(guān)電容單元可以利用最佳50%占空比進(jìn)行操作,并且在輸出沒有信號被消除的現(xiàn)象。
如圖6b所示,本地振蕩器LO極性邏輯電路包括LOI極性邏輯電路、LOQ極性邏輯電路和LO極性邏輯電路,其分別示為“LOI極性設(shè)置”601b、“LOQ極性設(shè)置”604b和“LO極性設(shè)置”617b。LOI極性邏輯電路601b用于根據(jù)同相數(shù)字控制字I的符號,在具有第一占空比的LOIP和LOIM信號之間選擇同相本地振蕩器LOI信號。LOQ極性邏輯電路604b用于根據(jù)正交數(shù)字控制字Q的符號,在具有第一占空比的LOQP和LOQM信號之間選擇正交本地振蕩器LOQ信號。LO控制邏輯電路617b用于根據(jù)同相數(shù)字控制字I的符號和正交數(shù)字控制字Q的符號,在具有第二占空比的LO信號之中選擇LO信號。
分別如圖4、圖6a和圖6b所示,每個(gè)本地振蕩器控制邏輯電路都可以基于具有第一占空比的LOI信號和同相數(shù)字控制字I的值來生成條件信號,或者基于具有第一占空比的LOQ信號和正交數(shù)字控制字Q的值來生成條件信號;或者基于具有第一占空比的LOI信號、具有第一占空比的LOQ信號,以及同相數(shù)字控制字I的值、正交數(shù)字控制字Q的值來生成條件信號;或者基于具有第一占空比的LOI信號、具有第一占空比的LOI信號、具有第二占空比或恒定電壓的LO信號,以及同相數(shù)字控制字I的值和正交數(shù)字控制字Q的值來生成條件信號。
圖5b和圖6b中所描述的數(shù)字正交調(diào)制器可以應(yīng)用于其他輸出拓?fù)渲?,比如開關(guān)陣列輸出拓?fù)渲?,所述?shù)字正交調(diào)制器允許使用單個(gè)開關(guān)電容陣列來替代專用的I和Q陣列。在這種情況下,508b和608b中的開關(guān)電容陣列將為開關(guān)陣列,而條件信號將控制單元開關(guān)門。
在本發(fā)明范圍內(nèi)還提供了一種開關(guān)電容差分IQ到RF功率DAC,IQ-RF-DAC。圖7a和圖7b示出了用于差分IQ到RF功率DAC,IQ-RF-DAC的兩個(gè)開關(guān)電容數(shù)字正交調(diào)制器700a、700b。圖7a的調(diào)制器700a與圖4的調(diào)制器400相同,并且為差分轉(zhuǎn)換器提供了第一正輸出信號OUTP 701a。圖7b的調(diào)制器700b也與圖4的調(diào)制器400相同,但以下兩種情況除外:LOIP和LOIM振蕩器輸入信號被輸入到同相極性選擇電路707b并被切換,所述同相極性選擇電路707b對應(yīng)于圖4所示調(diào)制器400的電路407;LOQP和LOQM振蕩器輸入信號被輸入到正交極性選擇電路714b并被切換,所述正交極性選擇電路714b對應(yīng)于圖4所示調(diào)制器400的電路414。由此,圖7b的調(diào)制器為差分轉(zhuǎn)換器提供了第二反極性輸出信號OUTM 701b。
可以使用任何的LO占空比,例如50%或25%。具有不同占空比的本地振蕩器信號LOIP、LOIM、LOQP、LOQM作為時(shí)間函數(shù)示于圖8a和圖8b中。圖8a的信號具有50%的重疊占空比,其中LOIP信號與LOQM信號重疊,LOIM信號與LOQP信號重疊,圖8b的信號具有約25%的非重疊占空比,從而使LO信號LOIM、LOIP、LOQM和LOQP都不重疊。
通過應(yīng)用具有可選電源電壓的開關(guān)電容單元可以進(jìn)一步改進(jìn)回退功率附加效率PAE。具有用于同一開關(guān)電容單元的幾個(gè)可選電源電壓可能損害開關(guān)電容單元的效率,因?yàn)闀?huì)不可避免地稍微增加ON電阻和寄生電容。但是可以至少實(shí)現(xiàn)兩個(gè)可選電源電壓,而不過多地增加寄生電容。
圖9示出了包括具有兩個(gè)電源電壓的開關(guān)電容單元901的開關(guān)電容陣列900其。圖9中,每個(gè)開關(guān)電容單元都包括帶有輸出903和輸入側(cè)904的輸出電容902,并且輸出電容902的輸入側(cè)904可以由第一輸入控制信號in1V1、in2V1和第二輸入控制信號in1V2、in2V2控制,從而在第一電源電壓Vsup1和地面GND之間有源切換,或者在第二電源電壓Vsup2和地面GND之間的有源切換,或者電容的輸入側(cè)可以無源地固定至第一電源Vsup1、第二電源Vsup2或地面GND。
為了增加SC-IQ-RF-DAC的輸出功率而進(jìn)一步在阻抗變換網(wǎng)絡(luò)中沒有太大損耗,更高壓的開關(guān)電容單元,如基于3V厚氧化物IO設(shè)備或堆疊薄氧化物器件將是非常有效的。當(dāng)開關(guān)電容的最大部分進(jìn)行開關(guān)時(shí),可以獲得最佳RF功率附加效率PAE,因此,通過使用附加關(guān)斷模式,3V單元可以與2V單元交換,以代替附加的3V開關(guān)電容單元。在關(guān)斷模式中從輸出得到的電容的理想值為零,但實(shí)際上存在一些來自電容本身和來自晶體管漏極的接地寄生電容。來自關(guān)斷單元的附加電容可以稍微衰減輸出。具有關(guān)斷模式的開關(guān)電容單元也可用于調(diào)整開關(guān)電容陣列的總輸出電容,因此調(diào)整中心頻率。此外,通過補(bǔ)償不需要的的與代碼相關(guān)的總輸出電容的變化,可將關(guān)斷模式電容用于IQ-RF-DAC的線性化。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括具有關(guān)斷狀態(tài)操作模式的開關(guān)電容單元1001的開關(guān)電容陣列1000。在圖10中,每個(gè)開關(guān)電容單元1001包括具有輸出1003和輸入1004的輸出電容1002,并且輸出電容1002的輸入側(cè)1004可以由第一輸入控制信號in1、in2、in3和第二輸入控制信號in1off、in2off、in3off控制,以在電源電壓Vsup1和地面GND之間有源切換,或者電容的輸入側(cè)可以無源地固定至第一電源Vsup1或地面GND。進(jìn)一步地,輸入側(cè)1004可以進(jìn)入浮動(dòng)關(guān)斷模式。當(dāng)處于有源模式或無源模式時(shí),輸出電容基本等于輸出電容1002的電容,并且當(dāng)處于關(guān)斷模式時(shí),輸出電容大體上是以接近零的較小寄生輸出電容進(jìn)行浮動(dòng)的。
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的開關(guān)電容陣列1100,其包括具有關(guān)斷狀態(tài)操作模式且可在兩個(gè)電源電壓Vsup1和Vsup2之間切換的開關(guān)電容單元1101、1106。單元1101包括兩個(gè)如圖10所示類型的開關(guān)電容單元。第一關(guān)斷模式單元1102具有第一電源電壓Vsup1、第一輸出電容1104和第一輸入控制信號in1V1和第二輸入控制信號in1V1off。第二關(guān)斷模式單元1103具有第二電源電壓Vsup2、與電容1104大小相等的第二輸出電容1105、以及第一輸入控制信號in1V2和第二輸入控制信號in1V2off。單元1101的總輸出電容由第一和第二關(guān)斷模式單元1102和1103的操作模式確定。圖11所示的單元1106類似于單元1101,并且具有第一關(guān)斷模式單元和第二關(guān)斷模式單元,第一關(guān)斷模式單元具有第一輸入控制信號in2V1和第二輸入控制信號in2V1off,第二關(guān)斷模式單元具有第一輸入控制信號in2V2和第二輸入控制信號in2V2off。
如果關(guān)斷模式單元1102和1103中的一個(gè)處于關(guān)斷模式,并且另一個(gè)單元處于有源或無源模式,則輸出電容基本等于輸出電容1104或1105其中之一的電容。如果關(guān)斷模式單元1102和1103都處于有源或無源模式,則單元1101的輸出電容基本為輸出電容1104或1105其中之一電容的兩倍,并且如果兩個(gè)關(guān)斷模式單元都處于關(guān)斷模式,則單元1101的輸出電容為浮動(dòng)的并接近零。
圖12a和圖12b示出了結(jié)合圖9描述類型的多電壓開關(guān)電容單元1200a、1200b的電路圖,其具有兩個(gè)可選電源電壓。在圖12a中,單元1200a被控制以在第二電源電壓2V和地面之間切換;在圖12b中,單元1200b被控制以在第一電源電壓1V和地面之間切換。開關(guān)電容單元1200a、1200b被用作1V/2V G類供電單元。
開關(guān)電容單元1200a、1200b包括具有邏輯元件1201a、1201b、1202a、1202b、1203a、1203b、1204a和1204b的輸入選擇電路。單元1200a、1200b還包括具有開關(guān)元件1205a、1205b、1206a、1206b、1207a、1207b、1208a、1208b、1209a、1209b、1210a和1210b和開關(guān)驅(qū)動(dòng)元件1211a、1211b、1212a、1212b、1213a和1213b的開關(guān)電路。單元1200a、1200b還包括電壓電平移位器1214a、1214b和1215a、1215b和輸出電容CSC 1216a、1216b。
為了在本發(fā)明的調(diào)制器或轉(zhuǎn)換器中使用開關(guān)電容單元1200a、1200b,調(diào)制器或轉(zhuǎn)換器可以包括電壓選擇電路,其用于根據(jù)一個(gè)或多個(gè)接收的電源電壓選擇多電壓電容單元1200a、1200b的電源電壓。如圖12a、12b所示,其中電路圖包括具有輸入到邏輯元件1202a、1202b和1204a、1204b的電壓選擇信號Q_1V2V[N]1218a、1218b的電壓選擇電路1217a、1217b,其中1202a、1202b連接到電平移位器1214a、1214b、1203a、1203b連接到電平移位器1215a、1215b。電壓選擇電路1217a、1217b還提供輸入到邏輯“與”門1201a、1201b的基帶信號1219a、1219b,其中另一輸入1201a、1201b的是本地振蕩器信號LOQM/LOQP 1219a、1219b。信號1219a、1219b確定開關(guān)電容單元1200a、1200b是否能被以本地振蕩器頻率來切換,并且信號1218a、1218b確定單元1200a、1200b是否在2V和地面之間或1V和地面之間切換。在圖12a中,1218a和1219a均為高,單元1200a在2V和地面之間切換。在圖12b中,信號1218a為低,而1219a為高,單元1200b在1V和地面之間切換。
圖13a、13b示出了使用處于關(guān)斷狀態(tài)模式下開關(guān)電容單元1301a和1301b以調(diào)整開關(guān)電容陣列輸出電容的電路圖。單元1301a和1301b為如圖10所示的關(guān)斷模式類型,但被配置為在2V電源電壓下進(jìn)行操作,所述2V電源電壓為正常1V電源電壓的兩倍。每個(gè)開關(guān)電容單元1301a、1301b包括輸入選擇電路,該輸入選擇電路具有邏輯元件1302a、1302b、1303a、1303b、1304a、1304b、1305a和1305b。單元1301a、1301b還包括開關(guān)電路,該開關(guān)電路具有開關(guān)元件1306a、1306b、1307a、1307b、1308a、1308b、1309a、1309b以及開關(guān)驅(qū)動(dòng)元件1310a、1310b、1311a、1311b。單元1301a、1301b還包括用于在2V電源電壓下操作的電壓電平移位器1312a、1312b,以及輸出電容CSC 1313a、1313b。
為了在本發(fā)明的調(diào)制器或轉(zhuǎn)換器中使用開關(guān)電容單元1301a和1301b,調(diào)制器或轉(zhuǎn)換器可以包括操作模式控制電路,其用于控制關(guān)斷模式電容單元1301a、1301b的操作模式。在圖13a、13b中,電路圖包括操作模式控制電路1314,其具有用于單元1301a的關(guān)斷模式控制信號Q_OFF[N]1315以及用于單元1301b的關(guān)斷模式控制信號Q_OFF[M]1316。操作模式控制電路1314還提供輸入到單元1301a的邏輯“與”門1303a中的基帶信號Q[N]1317,1301a的1303a中的另一個(gè)輸入是本地振蕩器信號LOQM/LOQP 1318。操作模式控制電路1314還提供輸入到單元1301b的邏輯“與”門1303b中的基帶信號Q[M]1319,1301b的1303b中的另一個(gè)輸入是本地振蕩器信號LOQM/LOQP 1320。關(guān)斷模式控制信號1315、1316和基帶信號1317、1319確定單元1301a、1301b是否處于關(guān)斷模式、有源模式或無源模式。
在圖13a中,信號1315為低,而信號1317為高,因此單元1301a處于有源模式。信號1316為低,信號1319也為低,因此單元1301b處于無源模式。雖然單元1301a和1301b都不處于關(guān)斷模式,但是單元1301a、1301b連接的輸出電容1313a、1313b的總輸出電容是一個(gè)輸出電容1313a、1313b電容值的兩倍。在圖13b中,信號1315為低,而信號1317為高,因此單元1301a此時(shí)也處于有源模式。信號1316為高,信號1319為低,由此“異或”門1304b的輸入均為低,且單元1301b處于關(guān)斷模式。然而,圖13b所示單元1301a處于有源模式且單元1301b處于關(guān)斷模式時(shí),單元1301a、1301b連接的輸出電容1313a、1313b的總輸出電容基本等于一個(gè)輸出電容1313a、1313b的電容值。當(dāng)比較圖13a、13b時(shí),對于這兩幅圖而言,單元1301a是有源開關(guān),單元1301b是非開關(guān)。但在圖13a中,單元1301b處于無源模式且有助于電容1313b的輸出電容,而在圖13a中,單元1301b處于關(guān)斷模式并且提供大體為零的輸出電容。
將部分開關(guān)電容單元控制在如圖13b所示的關(guān)斷模式、而非如圖13a所示的無源模式,將有助于頻率調(diào)諧。將部分開關(guān)電容單元控制在關(guān)斷模式還有助于補(bǔ)償系統(tǒng)的非線性。圖13a、13b示出了如何通過單對開關(guān)電容單元來改變輸出電容,但對于本發(fā)明的調(diào)制器、轉(zhuǎn)換器或開關(guān)電容陣列而言,可以將成百上千個(gè)開關(guān)電容單元控制在關(guān)斷模式,以調(diào)諧頻率響應(yīng)或補(bǔ)償系統(tǒng)的非線性。
圖14a、圖14b和圖14c示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用關(guān)斷狀態(tài)模式下的可交換開關(guān)電容單元1401a和1401b,以在兩個(gè)不同電源電壓1401a和1401b的單元之間進(jìn)行交換的電路圖。單元1401a和1401b為如圖10所示的關(guān)斷模式類型,但用于在比正常1V電源電壓更高的電源電壓下進(jìn)行操作。單元1401b與圖13的單元1301a和1301b相同,但圖13單元中的2V電源電壓是正常電源電壓的兩倍,而單元1401a具有3V電源電壓,其為正常電源電壓的三倍。每個(gè)開關(guān)電容單元1401a、1401b都包括具有邏輯元件1402a、1402b、103a、103b、1404a、1404b、1405a、1405b的輸入選擇電路。單元1401a、1401b還包括具有開關(guān)元件1406a、1406b、1407a、1407b、1408a、1408b、1409a、1409b以及開關(guān)驅(qū)動(dòng)元件1410a、1410b、1411a、1411b的開關(guān)電路。單元1401a、1401b還包括分別在3V和2V電源電壓下操作的電壓電平移位器1412a、1412b和電容CSC的輸出電容1413a、1413b。
在此還提供操作模式控制電路,以控制關(guān)斷模式電容單元1401a、1401b的操作模式。圖14a、14b的電路圖中包括操作模式控制電路1414,其具有用于單元1401a的關(guān)斷模式控制信號Q_OFF[N]1415,以及用于單元1401b的關(guān)斷模式控制信號Q_OFF[M]1416。操作模式控制電路1414還提供輸入到單元1401a的邏輯“與”門1403a中的基帶信號Q[N]1417,1401a的1403a中的另一輸入是本地振蕩器信號LOQM/LOQP 1418。操作模式控制電路1414還提供輸入到單元1401b的邏輯“與”門1403b中的基帶信號Q[M]1419,1401b的1403b中的另一輸入是本地振蕩器信號LOQM/LOQP 1420。關(guān)斷模式控制信號1415、1416和基帶信號1417、1419確定單元1401a、1401b是否處于關(guān)斷模式、有源模式或無源模式。
在圖14a中,信號1415為高,信號1417為低,使得單元1401a處于關(guān)斷模式。信號1416為低,信號1419也為低,使得單元1401b處于無源模式。當(dāng)圖14中的一個(gè)單元處于關(guān)斷模式時(shí),單元1401a、1401b連接的輸出電容1413a、1413b的總輸出電容基本等于一個(gè)輸出電容1413a、1413b的電容值,GOUT等于CSC。在圖14b中,信號1415為高,且1417為低,使得單元1401a處于關(guān)斷模式。信號1416為低,信號1419為高,使得單元1401b處于有源模式。當(dāng)圖14b的一個(gè)單元處于關(guān)斷模式時(shí),單元1401a、1401b連接的輸出電容1413a、1413b的總輸出電容大體上等于一個(gè)輸出電容1413a、1413b的電容值,COUT等于CSC。如圖14b所示,2V開關(guān)電容單元1401b是有源的,在地面和2V之間有電壓擺幅。在圖14c中,信號1415為低,信號1417為高,使得單元1401a處于有源模式。信號1416為高,信號1419為低,使得單元1401b處于關(guān)斷模式。當(dāng)圖14c中的一個(gè)單元處于關(guān)斷模式時(shí),單元1401a、1401b連接的輸出電容1413a、1413b的總輸出電容大體上等于一個(gè)輸出電容1413a、1413b的電容值,GOUT等于CSC。在圖14c中,3V開關(guān)電容單元1403b是有源的,其電壓在地面和3V之間擺動(dòng)。當(dāng)比較圖14b和圖14c時(shí),對于這兩幅圖而言,輸出電容基本等于一個(gè)輸出電容CSC 1413a、1413b的電容值,但電壓擺動(dòng)從圖14b的2V變?yōu)閳D14c的3V時(shí),有源單元1401a、1401b可被交換或切換。圖14a示出了當(dāng)單元1401a、1401b中的一個(gè)處于關(guān)斷模式而另一個(gè)處于無源模式時(shí),輸出電容仍基本等于一個(gè)輸出電容CSC1413a、1413b的電容值。
圖14a、14b、14c示出了電源電壓不同的一對開關(guān)電容單元如何通過具有關(guān)斷模式彼此替換,而不改變輸出電容。對于本發(fā)明的調(diào)制器、轉(zhuǎn)換器或開關(guān)電容陣列而言,成百上千個(gè)具有低電源電壓的開關(guān)電容單元可以被切換或交換為相等數(shù)量的具有高電源電壓的開關(guān)電容單元,以增加輸出功率,而在阻抗變換網(wǎng)絡(luò)中沒有太大的損耗。
在圖14a、14b、14c中,低壓單元1401b具有2V電源電壓,但是使用結(jié)合圖12a、12b所述的多電壓開關(guān)電容單元1200a、1200b替換低壓單元1401b仍包括在本發(fā)明實(shí)施例之內(nèi)。在這種情況下,將進(jìn)一步為圖14a、14b、14c中的操作模式控制電路1414提供圖12a、12b所述的電壓選擇信號Q_1V2V[N]1218a、1218b,其為單元1401b中的輸入選擇電路的邏輯元件的輸入,在這之中應(yīng)當(dāng)添加附加邏輯元件,以使單元1401b將兩個(gè)電壓模式中的每一個(gè)都控制在關(guān)斷模式、無源模式或有源模式。
圖15示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在數(shù)字正交調(diào)制器中使用的開關(guān)電容調(diào)制器1500的I-分支的概略圖。開關(guān)電容調(diào)制器1500包括具有1V電源電壓的單個(gè)電源電壓開關(guān)電容單元的第一陣列1501、具有1V和2V電源電壓的兩個(gè)電源或多電壓開關(guān)電容單元的第二陣列1502、具有1V和2V電源電壓的兩個(gè)電源或者多電壓和可交換開關(guān)電容單元的陣列1503、以及具有3V電源電壓的高壓可交換開關(guān)電容單元的陣列1504。陣列1503的單元數(shù)目等于陣列1504的單元數(shù)目,并且陣列1503的單元可以與陣列1504的單元進(jìn)行交換或切換,使得陣列1503、1504總單元的一半處于關(guān)斷模式,而另一半處于有源或無源模式。
圖16示出了圖15所示開關(guān)電容陣列輸出電壓變化圖。陣列1500的總振幅為如1600所示的線性輸出振幅,其中總振幅1600是陣列1501、1 502和1503或1504的振幅之和,其中陣列1501的振幅由1601表示、陣列1502的振幅由1602表示、陣列1503的振幅由1603表示、而陣列1504的振幅由1604表示。
從圖3的框圖300可見,在圖15的陣列1501-1504對應(yīng)于“LO控制邏輯”307和“開關(guān)電容單元”308。陣列1501-1504中的每一個(gè)都有作為輸入的本地振蕩器信號LOI,并且還具有來自數(shù)字同相基帶信號I的輸入信號位,其由編碼電路305進(jìn)行編碼。完整的調(diào)制器還將具有相等的正交分支。
第一陣列1501可以被配置為圖4所示的調(diào)制器,其中的單元具有單個(gè)電源電壓。陣列1501的單元可以被二元編碼為4個(gè)最低有效位LSB,以便降低路由復(fù)雜度。剩余陣列1502和1503/1504的單元可被一元編碼(熱編碼),這意味著激活相等大小的單元組,并表示最高有效位MSB。在這種情況下,存在三個(gè)相等大小的MSB組,其中1V/2V單元1502對應(yīng)于MSB單元1,可交換1V/2V單元1503對應(yīng)于MSB單元2,以及3V單元1504對應(yīng)于可與MSB單元21503交換的MSB 3V單元。
開關(guān)電容拓?fù)渲械囊粋€(gè)重點(diǎn)是:開關(guān)電容單元輸出電容是恒定的,無論該單元是在電源Vdd和地面GND之間的有源切換,還是無源的、GND或Vdd。但是當(dāng)單元處于關(guān)斷模式時(shí),輸出電容幾乎為零。因此,通過將單元設(shè)置為關(guān)斷模式,可將一個(gè)開關(guān)電容單元或一組單元設(shè)置為不可見。當(dāng)輸入代碼I為零時(shí),陣列1501-1503的所有1V或1V/2V單元是無源的,并且陣列1504的3V單元在關(guān)斷模式中也被設(shè)置為不可見。當(dāng)輸入代碼I增加時(shí),需要增加輸出電壓幅值,并且逐漸激活陣列組1501(LSB)、1502(MSB單元1)、1503(MSB單元2)的1V單元,以便在GND和1V之間切換。當(dāng)陣列1501-1503的所有單元在GND和1V之間切換、并且輸出幅值仍然需要增加時(shí),陣列1502的單元逐漸被設(shè)置為在GND和2V之間切換,隨后陣列1503的單元被設(shè)置為在GND和2V之間切換。當(dāng)陣列1502、1503的所有單元已經(jīng)被設(shè)置為以2V幅值切換時(shí),陣列1503的2V開關(guān)單元被設(shè)置為關(guān)斷模式,陣列1504的相等數(shù)量的3V單元被從關(guān)斷模式中激活以便在GND和3V之間切換。
對于線性操作,關(guān)鍵是從輸出看到的電容總和始終保持恒定。陣列1504中可交換高壓單元的功率附加效率可能較陣列1503中的低壓單元更差,但是這是被允許的,因?yàn)榭山粨Q單元僅在信號包絡(luò)峰值期間使用。信號包絡(luò)峰值很少出現(xiàn),因此使用可交換單元可能對平均功耗沒有多大貢獻(xiàn),但在支持信號峰值時(shí)其可能是需要的。
在本發(fā)明的實(shí)施例中,提供了第一和第二開關(guān)電容陣列/調(diào)制器/IQ-RF-DAC被配置為圖15中的調(diào)制器,其輸出被合并在一起,并且當(dāng)?shù)谝徽{(diào)制器的單元已經(jīng)根據(jù)上述過程被激活或設(shè)置在關(guān)斷模式時(shí),對第二調(diào)制器可以重復(fù)該過程,以便進(jìn)一步增加輸出幅值。
圖17為使用C-2C開關(guān)電容陣列來增加開關(guān)電容IQ到RF功率DAC,IQ-RF-DAC 1701的分辨率的示意圖。C-2C開關(guān)電容陣列可用于增加開關(guān)電容IQ-RF-DAC的分辨率,而不需呈指數(shù)倍地增加單元數(shù)量。C-2C陣列可以提高分辨率,從而利用最小數(shù)量的附加開關(guān)電容單元來降低量化噪聲基底。其有益之處是:僅利用幾個(gè)附加開關(guān)電容單元就可以明顯改善量化噪聲。將分辨率增加N位,僅需N個(gè)附加C-2C單元、而非將單元的數(shù)量乘以2N。因此,使用C-2C開關(guān)電容陣列是提高IQ-RF-DAC分辨率而不增加布局負(fù)擔(dān)的有效方式。圖17示出了如何僅使用8個(gè)附加C-2C開關(guān)電容單元將圖4中4位IQ-RF-DAC 400的位數(shù)翻倍成8位。
圖17的上部示出了用作圖4所示調(diào)制器400的開關(guān)電容調(diào)制器部件1702,圖17下部示出了使用C-2C開關(guān)電容單元的兩個(gè)陣列1704、1705配置的開關(guān)電容調(diào)制器部件1703。每個(gè)C-2C陣列1704、1705都用作四個(gè)C-2C開關(guān)電容單元的梯形網(wǎng)絡(luò)。同相控制字信號位為轉(zhuǎn)換器或調(diào)制器1701左側(cè)的開關(guān)電容單元的輸入,而正交控制字信號位為轉(zhuǎn)換器或調(diào)制器1701右側(cè)的開關(guān)電容單元的輸入。控制字的四個(gè)最低有效位LSB為兩個(gè)C-2C開關(guān)電容梯形網(wǎng)絡(luò)1704、1705的輸入,而控制字的后面四位為到作為圖4所示調(diào)制器400的調(diào)制器部件1702的開關(guān)電容單元的輸入。
雖然已經(jīng)參照本發(fā)明的特定特征和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述,但是顯然可以在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下對其進(jìn)行各種修改和實(shí)現(xiàn)。因此,說明書和附圖是由所附權(quán)利要求限定的說明,并且將包含落入本發(fā)明范圍內(nèi)的任何以及所有修改、變化、組合或等同物。
如在所附權(quán)利要求中使用的術(shù)語“包括”不排除其他元件或步驟。在所附權(quán)利要求中使用的術(shù)語“一個(gè)”或“一種”不排除多個(gè)。
參考文獻(xiàn)
[1]Chao Lu等.A 24.7dBm all-digital RF transmitter for multimode broadband app1ications in 40nm CMOS(用于40nm CMOS多模寬帶的24.7dBm全數(shù)字RF發(fā)射器).2013IEEE國際固態(tài)電路會(huì)議(ISSCC)技術(shù)論文摘要.