CN103959659B - 为具有可控数量的引脚的无线电设备提供模拟调谐的装置及系统 - Google Patents

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Abstract

根据一个实施例，本发明包括一种系统，其具有：机械调谐机构，用于使用户能够选择无线电频道；可变电阻，其耦合到机械调谐机构；以及无线电接收机，其被实现在半导体封装的管芯上。可变电阻具有用于耦合到电源电压的第一端子和用于耦合到接地电压的第二端子以及响应于用户选择而提供可变模拟电压的连接。继而，在单引脚调谐模式中，接收机耦合来经由封装的第一引脚接收可变模拟电压，经由封装的第二引脚接收电源电压，以及经由封装的第三引脚接收接地电压。接收机可以用具有基于可变模拟电压的频率的混频信号将射频（RF）信号下变频成第二频率信号。

Description

为具有可控数量的引脚的无线电设备提供模拟调谐的装置及系统
背景技术
无线电设备以许多不同形式普遍存在，这些形式包括便携式无线电设备、汽车中的移动无线电设备、蜂窝电话中的无线电设备以及家用无线电设备，诸如时钟无线电设备、立体声接收机等。现今的许多无线电设备使用数字调谐进行操作，其中，用户可以数字地选择期望频道，例如，使用控制按钮选择频道的给定数字表示。然而，许多无线电设备仍然提供诸如调谐轮之类的机械模拟控制，其中，用户将轮旋转到表示给定频道的选定位置。
现在经由单个半导体封装来产生许多无线电设备，所述单个半导体封装与若干外部部件一起实现完整的无线电设备解决方案。然而，为了将那些片外部件耦合到封装，需要至封装的大量引脚或连接。这提高了成本、尺寸，并增加了复杂性。模拟调谐的无线电设备传统地需要使用两到三个专用引脚来使能具有所需精度的模拟调谐，这由此增加了引脚计数和对应的封装及其他成本。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种由半导体封装形成的集成电路（IC）包括无线电接收机，其被形成在单个半导体管芯上。该管芯耦合到IC的垫，IC的垫继而连接到封装的引脚。具体地，IC的第一垫耦合到电源电压，并且管芯的第一垫经由第一接合机构耦合到IC的第一垫。IC的第二垫耦合到可变电阻，可变电阻可由用户调整以调谐至无线电频道，并且管芯的第二垫经由第二接合机构耦合到IC的第二垫。IC的第三垫耦合到参考电位，并且管芯的第三垫经由第三接合机构耦合到IC的第三垫。继而，IC的第四垫可配置为耦合到电源电压或者未连接。并且当IC的第四垫被配置为耦合到电源电压时，管芯的第四垫可耦合到IC的第四垫，并且否则，管芯的第四垫从IC的第四垫解耦合。
无线电设备还可以包括模数转换器（ADC），用于接收作为第一参考电压的电源电压并从管芯的第二垫接收调谐电压，以将调谐电压转换成数字值。继而，控制器可以耦合来接收与可变电阻的水平相对应的数字值，并响应于所述数字值来控制耦合到混频器的本地振荡器。在一些实施方式中，无线电设备还可以包括滤波器，其耦合来接收电源电压并将滤波后的电源电压输出到ADC。
在一些实施例中，无线电设备可以配置用于单引脚调谐模式或多引脚调谐模式，这取决于其中合并有无线电设备的封装。该可配置性可以是使用管芯上和封装内的开关来实现的。作为示例，封装的第一开关可以在单引脚调谐模式中将电源电压耦合到可变电阻的第一端子，并在非单引脚调谐模式中将电源电压从IC的第四垫耦合到第一端子。此外，管芯的第二开关可以可控地将电源电压或调节后的电压耦合到ADC。
本发明的另一方面涉及一种系统，其包括：机械调谐机构，用于使用户能够选择无线电频道；可变电阻，其耦合到机械调谐机构；以及无线电接收机，其被实现在半导体封装的管芯上。可变电阻具有用于耦合到电源电压的第一端子和用于耦合到接地电压的第二端子以及响应于用户选择而提供可变模拟电压的连接。继而，接收机耦合来经由封装的第一引脚接收可变模拟电压，经由封装的第二引脚接收电源电压，以及经由封装的第三引脚接收接地电压。接收机可以使用具有基于可变模拟电压控制的频率的混频信号将射频（RF）信号下变频成基带信号。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的单引脚调谐解决方案的示意图。
图2是根据本发明的另一实施例的混合调谐解决方案的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的无线电接收机的框图。
图4是根据本发明的实施例的系统的框图。
具体实施方式
在各种实施例中，基于半导体的无线电设备可以通过片外可变阻抗的耦合来提供模拟调谐的不同模式，所述片外可变阻抗可以由用户控制以调谐至期望频道。该片外阻抗在许多实施方式中可以是电阻器，且可以被配置为基于给定控制而可控。该控制可以是通过用户手动调整调谐轮或者数字地选择无线电频道来进行的，所述手动调整或数字地选择继而使诸如微控制器单元（MCU）之类的片外控制器生成模拟信号以控制可变电阻。
如将描述的，可以提供不同的操作模式来使能该片外电阻器到片上模数转换器（ADC）的耦合，所述片上模数转换器将进入的模拟信号转换成数字值。继而可以将该数字值提供给诸如MCU之类的内部控制器以使能至期望频道的调谐。
在第一模式中，可以提供所谓的单引脚解决方案。即，本文中也称为电位计的可变电阻器可以通过单个引脚耦合到半导体封装中并入的单个半导体管芯无线电设备，由此减少用于使能模拟调谐的封装引脚的数量。尽管被描述为单引脚解决方案，但是应当理解，可以结合模拟调谐使用附加引脚。即，可在任何半导体封装中存在以提供电源和参考的电源电压引脚和参考电压（例如，接地）引脚也可以被使用。第二模式是混合模式，其中，可以控制电路以使用多于一个引脚，并且其在下文中进一步加以描述。
现在参照图1，示出了根据本发明的实施例的单引脚调谐解决方案的示意图。如图1中所示，作为无线电设备的一部分的系统10示出了片上部件50与片外部件5之间的划分。关于片外部件，第一信号线可以提供可从电源接收的电池电压（VBat），所述电源诸如电池源（其通常可以位于封装外部且经由封装引脚耦合到该信号线）。如所看到的，该电池电压可以被提供给第一垫P1A，第一垫P1A可以是片外垫，其存在于封装自身内但为片外的。然而，在其他实施方式中，这样的垫可以存在于包括芯片50的半导体封装所耦合到的电路板上。如进一步看到的，该电池电压可以进一步耦合到电位计可变电阻器（PVR）或电位计R1的第一端子，电位计可变电阻器（PVR）或电位计R1通过电位计的第二端子进一步耦合到参考电压GND。如所看到的，可以经由耦合在电位计R1与第二垫P2A之间的信号线来提供调谐信号。并且可以经由耦合到第三垫P3A的信号线来提供参考电压。与垫P1A一样，垫P2A和P3A二者可以是片外垫。每一个垫耦合到半导体封装的引脚（为了便于图1中的图示而未示出）。但是，在任何外部供应的IC中需要用于电源电压和参考电压的引脚，并且由此，仅单个专用封装引脚用于模拟调谐。即，垫P1B和P3B是封装的仅有的垫，它们向芯片提供电源和参考电压，并且因此，这里避免了对封装的用于模拟调谐的专用垫和引脚的需要。
一般而言，调谐信号因此可以提供表示期望频道的电压，例如，如通过用户调整调谐轮来控制的。在其他实施方式中，不是模拟调谐轮，而是可以为无线电设备提供数字控制，使得用户可以通过输入数字频率选择来请求期望频道，所述数字频率选择继而可以被提供给片外控制器以例如经由串行总线向无线电设备提供命令，或者片外控制器可以将该值转换成电压以提供给可变电阻。通过控制电位计，由此提供可变电压，该可变电压可以用于确定用于表示期望无线电频道的总可用电阻（并且因此，电压）的比率。一般而言，该电位计可以被认为是具有电阻Rx和Ry的电阻分压器。基于对可变电阻的控制，因此可以获得对应于比率的调谐电压，例如(Ry/Rx+Ry)×VBat。在各种实施方式中，可以将调谐电压的输入电压范围设置为电源电压的约一半以维持对断电电流的抗扰性。为了使能这些片外垫与对应片上垫P1B-P3B之间的互连，可以提供多个接合机构B1-B3。如将在下文中进一步讨论的，在某些实施方式中，可以向这些接合机构和垫提供减小电阻并改进对干扰的灵敏性的特定能力。
现在参照片上部件50，注意，电池电压可以耦合到阻抗Z，其总体上对应于由电池电压供电的半导体无线电设备的各种电路。由于不同操作模式中的变化量的电流消耗等，该阻抗不处于稳定状态，并且相应地，可变电流可能出现，其继而可能导致与由片外电位计R1提供的调谐电压的干扰。
如进一步看到的，在垫P1B处接收的电池电压可以被提供给低通滤波器（LPF）20。类似地，在垫P2B处接收的调谐电压可以进一步耦合到LPF 20，并且另外，在垫P3B处接收的参考电压也可以耦合到LPF 20。尽管为了便于图示而被示出为单个滤波器，但是应当理解，可以为这些信号中的每一个提供不同的滤波器，并且在一些实施方式中，可以为不同的滤波器提供不同的转角频率。通过使用LPF 20，可以从信号滤出例如由干扰电流导致的干扰，所述干扰电流由于半导体无线电设备的变化的电流消耗导致。该滤波器还是用于转换器的抗混叠滤波器，所述转换器即辅助ADC 30。滤波器的该带宽小于ADC 30的采样率的一半。在各种实施例中，LPF 20可以被设置有相对较低的带宽以获得信号的低频或DC值。
如在图1中进一步看到的，电池电压可以作为正参考电压而被提供给转换器的第一输入端子，所述转换器即辅助ADC 30。辅助ADC 30可以是可控的以接收各种模拟输入，并可以例如由控制器控制来生成数字值，每个数字值对应于如控制器所指示的模拟输入之一。继而，可以将调谐电压提供给ADC 30的第二输入端子。结果，ADC 30可以生成表示调谐电压的N比特输出。该数字输出因此可以对应于可被提供给MCU（图1中未示出）的数字调谐信号，MCU继而可以生成一个或多个控制信号以控制半导体无线电设备的各种前端模拟电路来使得调谐至期望频道。
尽管图1的实现可以提供最小数量的封装连接（即，除了常规电源和参考电压引脚之外有一个专用引脚），但是在一些设计中，该单引脚解决方案可能不足以满足电源或设计准确性要求。相应地，其他实施例可以提供混合方法，其中，向基于半导体的无线电设备提供可控特征，使得单半导体管芯解决方案可以被实现为具有不同数量的可用引脚连接的不同封装。因此，该混合实现使能图1的单引脚解决方案，并且还提供使用半导体封装的附加引脚的附加模式。
现在参照图2，示出了根据本发明的另一实施例的混合引脚解决方案的示意图。如在图2中看到的，电路100包括片外部件105和片上部件150二者。除了可与关于图1讨论的这些部件类似地配置的LPF 120和ADC 130外，低压差（LDO）调节器140可以进一步存在于片上。如将在下文中进一步描述的，LDO调节器140可以被配置为经由接合机构B4接收电源电压，例如电池电压，并生成可被提供给半导体无线电设备（为了便于图2中的图示而未示出）的各种电路的一个或多个经调节的电压输出。
为了实现不同的操作模式，可以在片上和在片外均提供开关。如所看到的，可以提供片外开关S1，并且进一步，还可以提供片上开关S2。
为了使能如上文关于图1讨论的单引脚解决方案，可以将开关S1和S2二者切换到左边。因此，可以控制开关S1来将电源电压VBat提供给电位计R1。并且此外，可以控制开关S2来经由垫P4B将电源电压VBat直接提供给节点N1。相应地，按照该控制，接合机构B1不存在，并且因此，实现了单引脚调谐解决方案。在电路100的该单引脚模式中，其余连接可以如上面在图1中那样。
在其他实施方式中，可以提供接合机构B1，并且，被提供给ADC 130的正参考电压可以经由垫P4B且然后通过LDO 140而在片上接收。在该配置中，开关S1和S2二者可以被切换到右边。因此注意，可以控制开关S1来将经调节的电源电压从耦合到垫P1A的信号线提供到电位计R1。并且开关S2可以被配置为将经调节的电压提供给节点N1。在其他方面中，图2的电路100的该模式可以如上文关于第一模式讨论的那样操作。
如上文所提及的，可以作出关于垫和接合机构的某些设计配置以使能减小的电阻和更大的噪声抗扰性。作为示例，取代将片上垫与片外垫耦合的单个接合线的是，可以利用针对每个垫对之间的连接而提供的多个分离的接合线来实现接合机构，从而与单线解决方案相比减小电阻。在一些实施例中，针对每垫对可以提供至少两个接合线以提供低噪声连接。此外，在许多实施方式中，这些接合线可以由金、铜、铝或其合金形成以减小电阻。此外，垫自身可以在片上和在片外均被配置为星形连接，以减小电阻并提供低噪声路径。作为示例，垫可以被制造为开尔文（Kelvin）垫以减小电阻。至少，可以针对电源电压和参考电压信号路径实现这样的多接合线连接和开尔文垫。
现在参照图3，示出了根据本发明的一个实施例的无线电接收机的框图。如图3中所示，接收机200可以是完全集成的互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路（即，单管芯IC），其包括用于执行以下操作的电路：接收进入的射频（RF）信号，将它们下变频至基带频率，执行解调以及从其提供音频信号。如所示出的，可从AM或FM天线接收的进入信号被提供给模拟前端，所述模拟前端分别包括低噪声放大器（LNA）220a和220b，每个低噪声放大器可以继而由自动增益控制（AGC）电路225a和225b控制。放大后的进入信号被提供给相应的混频器230a和230b，它们执行混频操作以将RF信号下变频至低频，例如，中频（IF）（诸如用于FM的10.7兆赫（MHz）IF和用于AM的455千赫（kHz）IF）、低中频（低IF）、零IF或基带频率。
如图3中所示，将RF信号与来自本地振荡器（LO）240的LO信号输出进行混频。LO 240的频率可以是使用自动频率控制电路245或PLL来控制的，自动频率控制电路245或PLL可以接收诸如可由片外晶体振荡器生成的进入时钟信号。再进一步，LO 240的微调谐可以处于微控制器单元（MCU）290的控制下，微控制器单元（MCU）290的细节将在下文中进一步讨论。
仍然参照图3，将降混后的信号提供给模数转换器（ADC）250，ADC 250继而将数字化后的信号提供给数字信号处理器（DSP）260，DSP 260可以执行各种信号处理和解调操作以获得进入信号中的消息内容。继而，可以将数字化后的消息信息提供给数模转换器（DAC）270，DAC 270提供对应于消息内容的输出音频信号。
如在图3中进一步示出的，电位计R1耦合到IC 200。如所看到的，该电位计耦合在电池电压与接地电位之间。电位计可以由并入有IC 200的无线电设备的调谐机构来控制。例如，时钟无线电设备、移动无线电设备、大型手提式录音机等可以具有手动调谐轮来使能机械调谐，而不是通过使用数控调谐机构，或者如上在其他实施例中所描述的，电位计可以由片外控制器响应于数字调谐机构的控制而生成的模拟电压来控制，其中所述数字调谐机构的控制继而由控制器转换成所述模拟电压。相应地，基于该控制，经由LPF 285将可变电压提供给ADC 280，ADC 280将该电压转换成数字表示，例如数字控制信号，该数字表示继而被提供给MCU 290。MCU 290可以基于该控制信号来控制LO 240的微调谐，以由此使无线电设备能够调谐至期望频道。根据操作模式，MCU 290还可以控制前端调谐机构。
参照图4，根据本发明的一些实施例，AM/FM/WB接收机10（诸如在图3的实施例中示出的接收机的实施方式）可以是多媒体设备400的一部分。作为示例，设备400可以是时钟无线电设备、诸如专用MP3播放器之类的便携式设备、具有音频能力的蜂窝电话或PDA、或者其他这样的设备。
除了其其他功能以外，设备400可以在存储设备430上存储数字内容，作为几个示例，存储设备430可以是闪存或硬盘驱动器。设备400一般包括应用子系统460，应用子系统460例如可以从无线设备400的触摸板462接收输入并在显示器470上显示信息。此外，应用子系统460一般可以控制来自存储设备430的内容的获取和存储以及与AM/FM接收机10的例如音频的通信。如所示出的，AM/FM接收机10可以直接连接到用于音频数据的输出的扬声器440和450。如图4中所描绘的，AM/FM接收机10可以通过匹配网络432耦合到FM接收机天线482并可以通过匹配网络434耦合到AM接收机天线484，其可以是例如经由应用子系统460可调谐或可编程的，应用子系统460提供控制信息以控制匹配网络434的预选电容和/或电感。
如图4中进一步示出的，应用子系统460还可以耦合到可变阻抗455，可变阻抗455是由用户例如经由调谐轮415机械控制的。将关于可变阻抗的信息提供给应用子系统460，应用子系统460可以继而控制接收机10的LO和匹配网络434二者以使能调谐至期望频道。
根据本发明的一些实施例，设备400可以具有通过诸如蜂窝网络之类的通信网络进行通信的能力。对于这些实施例，设备400可以包括基带子系统475，基带子系统475耦合到应用子系统460，以用于为该无线网络编码和解码基带信号的目的。基带子系统475可以耦合到与对应发射和接收天线477和478相连接的收发机476。本发明的范围不在此方面受限，而至少一些实施方式可以被合并在计算机可读存储介质中，诸如存在于处于应用子系统460内或应用子系统460可访问的非易失性存储设备中的指令，用于使子系统能够基于可变阻抗415的测量来控制频率选择。
因此，一个实施例使得能够使用仅一个专用引脚，该专用引脚将电位计电压的输出连接到ADC的输入。PVR的电源电压和接地电压可以与被提供给芯片的电源电压和接地电压共享。通过布局、滤波和接合线机制，可以在仅有一个用于模拟调谐的专用引脚的情况下抑制干扰同时仍然使能准确的ADC转换。另外，经由将电位计用于模拟调谐，可以避免对外部变抗器或工厂调准的需要，从而减小针对给定设计而消耗的材料清单、制造成本以及尺寸。
尽管已经关于有限数量的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将从中意识到许多修改和变型。意图是，所附权利要求覆盖如落入本发明真实精神和范围内的所有这样的修改和变型。

Claims (20)

1.一种集成电路（IC），包括：
无线电接收机，其被形成在包括模拟前端的单个半导体管芯上，所述模拟前端具有用于接收射频（RF）信号的放大器和用于将RF信号下变频成第二频率信号的混频器；
解调器，用于接收第二频率信号并从中获得音频信号；
集成电路的第一垫，其耦合到电源电压；
单个半导体管芯的第一垫，其经由第一接合机构耦合到集成电路的第一垫；
集成电路的第二垫，其耦合到可变电阻，其中，可变电阻能够由用户调整以调谐至无线电频道；
单个半导体管芯的第二垫，其经由第二接合机构耦合到集成电路的第二垫；
集成电路的第三垫，其耦合到参考电位；
单个半导体管芯的第三垫，其经由第三接合机构耦合到集成电路的第三垫；
集成电路的第四垫，其可配置为耦合到电源电压或者未连接；
单个半导体管芯的第四垫，当集成电路的第四垫被配置为耦合到电源电压时，单个半导体管芯的第四垫能够耦合到集成电路的第四垫，并且否则，单个半导体管芯的第四垫从集成电路的第四垫解耦合。
2.如权利要求1所述的集成电路，还包括模数转换器（ADC），用于接收作为第一参考电压的电源电压，并从单个半导体管芯的第二垫接收调谐电压，以及将调谐电压转换成数字值。
3.如权利要求2所述的集成电路，还包括控制器，用于接收与可变电阻的水平相对应的数字值，所述控制器用于响应于所述数字值来控制耦合到混频器的本地振荡器。
4.如权利要求2所述的集成电路，还包括第一滤波器，其耦合来接收电源电压并将滤波后的电源电压输出到ADC。
5.如权利要求4所述的集成电路，还包括低压差（LDO）调节器，其耦合到单个半导体管芯的第一垫，以接收电源电压并将调节后的电压提供给第一滤波器。
6.如权利要求5所述的集成电路，还包括第二开关，用于可控地将电源电压耦合到第一滤波器或者将调节后的电压提供给第一滤波器。
7.如权利要求4所述的集成电路，还包括第二滤波器，其耦合来接收调谐电压并将滤波后的调谐电压输出到ADC。
8.如权利要求2所述的集成电路，其中，所述集成电路被配置为N引脚封装，其中，第四垫解耦合并且不耦合到N引脚封装的引脚，所述集成电路被配置用于单引脚调谐模式。
9.如权利要求8所述的集成电路，还包括第一开关，其在单引脚调谐模式中将电源电压耦合到可变电阻的第一端子，并在非单引脚调谐模式中将调节后的电压从集成电路的第四垫耦合到第一端子。
10.如权利要求1所述的集成电路，其中，第一接合机构包括多个接合线。
11.一种用于提供模拟调谐的装置，包括：
无线电接收机，其被配置在半导体封装内并被形成在包括模拟前端的单个半导体管芯上，所述模拟前端具有用于接收射频（RF）信号的放大器和用于将RF信号下变频成第二频率信号的混频器；
解调器，用于接收第二频率信号并从中获得音频信号；
半导体封装的第一垫，其耦合到电源电压；
单个半导体管芯的第一垫，其经由第一接合机构耦合到半导体封装的第一垫；
半导体封装的第二垫，其耦合到可变电阻，其中，可变电阻能够由用户调整以调谐至无线电频道；
单个半导体管芯的第二垫，其经由第二接合机构耦合到半导体封装的第二垫；
半导体封装的第三垫，其耦合到参考电位；
单个半导体管芯的第三垫，其经由第三接合机构耦合到半导体封装的第三垫；
低压差（LDO）调节器，其耦合到单个半导体管芯的第一垫，以接收电源电压并提供调节后的电压；以及
第一滤波器，用于接收调节后的电压并输出经滤波的调节后的电压。
12.如权利要求11所述的装置，还包括半导体封装的第四垫，其可配置为耦合到调节后的电压或者未连接；单个半导体管芯的第四垫，当半导体封装的第四垫被配置为耦合到调节后的电压时，单个半导体管芯的第四垫能够耦合到半导体封装的第四垫，并且否则，单个半导体管芯的第四垫从半导体封装的第四垫解耦合。
13.如权利要求12所述的装置，其中，半导体封装是N引脚封装，其中，第四垫解耦合并且不耦合到N引脚封装的引脚。
14.如权利要求12所述的装置，还包括：
第一开关，其可控为在第一模式中将电源电压耦合到可变电阻的第一端子，并在第二模式中将调节后的电压从半导体封装的第四垫耦合到第一端子；以及
第二开关，其可控为将电源电压或调节后的电压耦合到第一滤波器。
15.一种用于提供模拟调谐的系统，包括：
机械调谐机构，用于使用户能够选择无线电频道；
可变电阻，其耦合到机械调谐机构，并具有用于耦合到电源电压的第一端子和用于耦合到接地电压的第二端子以及响应于用户选择而提供可变模拟电压的连接；以及
无线电接收机，其被实现在半导体封装的半导体管芯上，耦合来经由半导体封装的第一引脚接收可变模拟电压，耦合来经由半导体封装的第二引脚接收电源电压，以及耦合来经由半导体封装的第三引脚接收接地电压，所述无线电接收机具有用于将射频（RF）信号下变频成基带信号的模拟部分、用于接收基带信号并解调基带信号的数字部分、以及用于接收可变模拟电压的指示并响应于其来控制下变频的频率的微控制器。
16.如权利要求15所述的系统，其中，可变电阻用于在系统中没有工厂调准的外部变抗器的情况下使能无线电频道的用户选择。
17.如权利要求15所述的系统，还包括半导体管芯的模数转换器（ADC），用于接收可变模拟电压，并将可变模拟电压的数字化表示提供给微控制器。
18.如权利要求17所述的系统，还包括滤波器，其耦合来接收电源电压并将滤波后的电源电压输出到ADC。
19.如权利要求18所述的系统，还包括低压差（LDO）调节器，用于接收电源电压并将调节后的电压提供给滤波器。
20.如权利要求15所述的系统，其中，半导体封装被配置为N引脚封装，其中，经由半导体封装的第二和第三引脚获得的电源电压和参考电压仅是无线电接收机的电源和参考源，且还能够用于结合可变模拟电压来执行至无线电频道的调谐。
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