一种开关电容数字相位调制器

1.本发明属于集成电路技术领域，涉及一种高线性数字化相位调制器，具体涉及一种基于开关电容的数字化相位调制器(scdpm)。


背景技术：

2.相位调制器(phase modulator)是一种用于高线性快速调制信号相位的射频集成电路模块，可以用于极坐标和异相发射机系统进行信号相位调制。相位调制器应用于异相发射机系统的示意图如图1所示，其输入端接前级信号源或基带。极坐标发射机需要将传统正交发射机的i/q正交信号转化为包含极坐标ρ/θ信息的信号放大后发射，而异相发射机需要将i/q正交信号转化为两个幅度相同相位不同的θ1和θ2信号放大后发射，两者都需要对信号相位调制，因此对发射信号的相位信息的处理是十分重要的步骤。
3.对于相位调制器而言，人们所关注的性能指标主要有：相位调制器输出相位的线性度；相位调制精度；相位调制数据率；相位调制器的带宽；以及该模块的工作频率与功耗等等。对于数字化相位调制器而言，人们最为关注的性能之一即为其相位线性度和相位调制精度。对于一个数字化发射机来说，相位调制器的相位线性度和相位调制精度直接决定了发射机系统的误码率和频谱纯度，因此相位调制器的相位线性度和相位调制精度至关重要。
4.为提高相位线性度，目前已有多种相位调制器架构被提出。韩国科学技术院的yong-chang choi等人在2019年发表的tcas-ii(a fully digital phase modulator with a highly linear phase calibration loop for wideband polar transmitters)中提出了一种基于数字时间转换器(dtc)的相位调制器，该相位调制器通过逐次逼近时间数字转换器校准环路，实现了高线性度的相位调制，但校准环路提高了系统的复杂度，且引入了校准时间，不利于高速应用。


技术实现要素：

5.本发明的主要内容是针对上述问题，提出了一种开关电容数字相位调制器，其具备相位精度高，相位线性度高，可靠性高等特点。
6.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
7.一种开关电容数字化相位调制器，其特征在于：包括输入缓冲级、正交信号生成器、开关电容加和阵列以及谐振网络，所述输入缓冲级输出端与正交信号生成器输入端相连，所述正交信号生成器包含一个电流模式逻辑分频器和换相电路，电流模式逻辑分频器接受输入缓冲级的差分信号后，输出占空比为50％的正交四相信号；换相电路根据基带信号所处象限而决定是否将输出双差分信号各自移相；所述正交信号生成器的输出端与开关电容加和阵列的输入端相连，所述开关电容加和阵列包括与门开关、解码器、反相器和电容阵列，通过解码器和与门开关选通反相器对电容充放电，当反相器选通时，电容一端接到信号；而当反相器不选通时，电容一端接地，电容阵列中的电容相互串接，若i路和q路分别有n
个开关电容，通过数字化控制解码器，使得其中i路信号打开的电容数为ni＝nsinθ，q路信号打开的电容数为nq＝ncosθ，i、q两路信号幅度分别为si＝acos(ωt)和sq＝asin(ωt)，其中θ代表移相角度，a是i、q信号的电压摆幅，由于开关电容阵列加和的电荷分享原理，加和后得到输出为nisi/n+nqsq/n＝sinθacos(ωt)+cosθasin(ωt)＝asin(ωt+θ)，相当于通过数字化控制使得原信号移动了θ相位。
8.一般情况下θ≤90
°
，为了实现360
°
移相使用换相电路控制换相。假如输入的四相信号为ip、qp、in、qn，其中in是ip的反相信号，qn是qp的反相信号，通过控制换相电路，当输入为ip、qp时，输出相位为0
°
到90
°
；当输入为in、qp时，输出相位为90
°
到180
°
；当输入为in、qn时，输出相位为180
°
到270
°
；当输入为ip、qn时，输出相位为270
°
到360
°
。通过换相电路改变输入的i、q两路信号相位，可以实现输出幅度保持不变，相位从0
°
到360
°
的覆盖。
9.由于开关电容加和的高线性，调制得到的信号相位也有高线性度的特点。所述开关电容加和阵列的输出端与所述谐振网络的输入端相连，所述谐振网络将开关电容加和阵列输出的方波信号转化为正弦波信号，且相对相位保持不变。
10.具体来说，本发明的基于开关电容加和的数字化相位调制器，具有以下有益效果：
11.本发明的核心在于采用了开关电容加和阵列，通过选通开关电容线性调制输出的电压幅度，实现数字化控制信号移位。本发明可以增加阵列规模，提高相位调制精度；与传统数字化相位调制器相比，对电路系统架构影响和改动小，可以基于成熟的传统设计方法进行实施，保障了电路设计成功率，提高了电路可靠性。且由于开关电容加和的输出电压线性度较高，因此输出相位具有高线性的特点。
附图说明
12.图1为相位调制器应用于射频异相发射机系统的示意图；
13.图2为本发明数字幅度调制原理示意图；
14.图3为本发明数字相位调制原理示意图；
15.图4为本发明实例中开关电容式数字相位调制器系统框图。
具体实施方式
16.为了使本发明的技术方案更加清楚，下面结合附图详细描述。
17.本发明在tsmc 40nm cmos工艺下实现的基于开关电容加和阵列的数字化相位调制器，包括输入缓冲级、正交信号生成器、开关电容加和阵列、以及谐振网络。
18.输入缓冲级将输入信号传递给正交信号生成器，正交信号生成器包含一个电流模式逻辑(cml)分频器和一个换相电路，接收到的差分输入通过电流模式逻辑分频器被转化成正交四相50％占空比信号。换相电路根据基带信号所处象限而决定是否将输出双差分信号各自移相(如基带矢量信号从第一象限转换到第二象限，则将ip、in、qp、qn一一转化成qp、qn、ip、in再交付给后级开关电容加和阵列)。所述换相电路由传输门构成，所述传输门内含并联的nmos晶体管与pmos晶体管，以保证较小的高低电平传输损耗。
19.所述开关电容加和阵列包括与门开关、解码器、反相器和电容阵列，通过解码器和与门开关选通反相器对电容充放电，当反相器选通时，电容一端接到信号，而当反相器不选通时，电容一端接地。图2为本发明数字幅度调制原理示意图，将开关电容加和阵列中串联
电容打散并分别划分到每个数字功率单元中，形成每个开关单元驱动一个单元电容的架构。开关电容加和阵列基于电荷分享原理，可以获得更好的幅度线性度与相位线性度，因为在基于电荷分享原理的开关电容加和阵列中，输出信号的幅度完全由所打开的单元数量与总的单元数量的比值决定，而不受到原先器件增益压缩特性的影响，如下公式所示，其中c
on
代表打开的电容量，c
off
代表未打开的电容量，n代表打开的电容单元数，而n代表总的电容单元数。
[0020][0021]
图3为开关电容相位调制器原理示意图。由于开关电容加和阵列具有高线性的特性，通过改变选通i和q两路开关电容个数，可以实现0-90
°
的高线性移相的效果。如果i、q两路分别有n个开关电容单元，那么通过控制i路选通的电容单元数为ni＝nsinθ，q路选通的电容单元数为nq＝ncosθ，θ代表通过数字码控制的移相角度。通过开关电容阵列加和，输出如下公式所示，其中a代表i、q输入信号的电压摆幅，i、q两路信号幅度分别为acos(ωt0和asin(ωt)。通过调制i、q两路的电压摆幅可以实现高线性移相的效果。
[0022]vout
＝isinθ+qcosθ＝acos(ωt)sinθ+asin(ωt)cosθ＝asin(ωt+θ)
[0023]
在图4所示本发明开关电容数字化相位调制器中，输入缓冲级输出端与正交信号生成器输入端相连，正交信号生成器输出端与开关电容加和阵列相连，开关电容加和阵列的输出端与谐振网络的输入端相连。其中开关电容加和阵列的输出是方波加和信号，通过谐振网络滤波。谐振网络由无源器件电感和电容构成，通过谐振网络滤除高阶信号，只保留基波，将方波信号转化为正弦波信号，同时谐振网络不会影响相对相位关系。
[0024]
最终，相比于传统架构，本发明以部分功耗为代价，提高了相位调制器的线性度和相位精度。本发明实施例中所设计的新式相位调制器实现了在4ghz频点处10位的相位调制精度，500ms/s的调制速度，以及0.5
°
的均方根相位误差。
[0025]
以上通过详细实施案例描述了本发明的基于开关电容阵列的数字化相位调制器，本领域的研究人员和技术人员可以根据上述的步骤作出形式或内容方面的非实质性的改变而不偏离本发明实质保护的范围。因此，本发明不局限于以上实施例中所公开的内容，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

技术特征：
1.一种开关电容数字化相位调制器，其特征在于：包括输入缓冲级、正交信号生成器、开关电容加和阵列以及谐振网络，所述输入缓冲级输出端与正交信号生成器输入端相连，所述正交信号生成器包含一个电流模式逻辑分频器和换相电路，电流模式逻辑分频器接受输入缓冲级的差分信号后，输出占空比为50％的正交四相信号；换相电路根据基带信号所处象限而决定是否将输出双差分信号各自移相；所述正交信号生成器的输出端与开关电容加和阵列的输入端相连，所述开关电容加和阵列包括与门开关、解码器、反相器和电容阵列，通过解码器和与门开关选通反相器对电容充放电，当反相器选通时，电容一端接到信号；而当反相器不选通时，电容一端接地，电容阵列中的电容相互串接，若i路和q路分别有n个开关电容，数字化控制解码器，使得其中i路信号打开的电容数为n
i
＝nsinθ，q路信号打开的电容数为n
q
＝ncosθ，i、q两路信号幅度分别为s
i
＝acos(ωt)和s
q
＝asin(ωt)，其中θ代表移相角度，a是i、q信号的电压摆幅，所述开关电容加和阵列输出为n
i
s
i
/n+n
q
s
q
/n＝sinθacos(ωt)+cosθasin(ωt)＝asin(ωt+θ)，所述开关电容加和阵列的输出端与所述谐振网络的输入端相连，所述谐振网络将开关电容加和阵列输出的方波信号转化为正弦波信号，且相对相位保持不变。2.如权利要求1所述的开关电容数字化相位调制器，其特征在于：所述四相信号为ip、qp、in、qn，其中in是ip的反相信号，qn是qp的反相信号，所述换相电路的操作具体为：当输入为ip、qp时，输出相位为0
°
到90
°
；当输入为in、qp时，输出相位为90
°
到180
°
；当输入为in、qn时，输出相位为180
°
到270
°
；当输入为ip、qn时，输出相位为270
°
到360
°
。3.如权利要求2所述的开关电容数字化相位调制器，其特征在于：所述换相电路由传输门构成，所述传输门内含并联的nmos晶体管与pmos晶体管。4.如权利要求1所述的开关电容数字化相位调制器，其特征在于：所述谐振网络由无源器件电感和电容构成。

技术总结
本发明公开了一种开关电容数字相位调制器，属于集成电路技术领域。本发明包括相互串联的输入缓冲级、正交信号生成器、开关电容加和阵列和谐振网络，利用开关电容加和阵列实现数字化控制信号移位。本发明可以提高相位调制精度；与传统数字化相位调制器相比，对电路系统架构影响和改动小，可以基于成熟的传统设计方法进行实施，保障了电路设计成功率，提高了电路可靠性。且由于开关电容加和的输出电压线性度较高，因此输出相位具有高线性的特点。因此输出相位具有高线性的特点。因此输出相位具有高线性的特点。


技术研发人员：徐辉 刘军华 廖怀林
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：2023.04.14
技术公布日：2023/7/12