CN112526457A - 适用于毫米波设备的发射器单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及适用于毫米波设备的发射器单元，具有效率增加的发射器，例如可用在毫米波设备中。一种半导体设备，包括发射器，其包括：调制器，被配置为接收具有第一频率的差分输入信号并提供具有该第一频率和第一时钟相位的差分调制信号；包括一个或多个倍频器的串联，其中，该串联的倍频器被配置为接收该差分调制信号并提供具有大于该第一频率的第二频率以及具有第二时钟相位的差分第二信号；以及输出变压器，被配置为接收该差分第二信号并将该差分第二信号转换为单端输出信号。使用这种发射器的方法。用于制造包括这种发射器的设备的系统。

Description

适用于毫米波设备的发射器单元
技术领域
一般而言，本发明涉及复杂的半导体设备，更具体而言，涉及适用于毫米波设备的发射器单元。
背景技术
在使用毫米(mm)波信号的设备方面已经取得了许多进展。涉及毫米波应用的半导体设备包括基于约30千兆赫兹(Gigahertz；GHz)到约300GHz的无线电频带频率的电磁频谱来工作的设备。毫米波无线电波的波长在1毫米(mm)到约10mm的范围内。这一频段有时被称为极高频(EHF)频带范围。毫米波应用的实例包括雷达设备、高速通信设备(例如无线千兆位(wireless gigabit；WiGig)设备)等。雷达设备已在各种应用中实现，如车辆安全和自动化应用。
在为这些应用设计电路时，实现毫米波应用带来了许多挑战。例如，毫米波设备(例如车载雷达设备、5G电信设备等)中的调频连续波(FMCW)发射器可能会遭受输出功率效率低下的困扰。
期望具有可以提高效率的FMCW发射器。
发明内容
以下给出了本发明的简要概述，以便提供对本发明的某些方面的基本理解。该概述不是本发明的穷举性概述，其并非旨在标识本发明的关键或重要元件或描述本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式提出一些概念，作为稍后讨论的更详细描述的序言。
在一实施例中，本发明是针对一种半导体设备，包括发射器，包括：调制器，被配置为接收具有第一频率的差分输入信号并提供具有该第一频率以及第一时钟相位的差分调制信号；串联，包括一个或多个倍频器，其中，该串联的倍频器被配置为接收该差分调制信号并提供具有大于该第一频率的第二频率以及具有第二时钟相位的差分第二信号；以及输出变压器，被配置为接收该差分第二信号并将该差分第二信号转换为单端输出信号。
在一实施例中，本发明是针对一种方法，包括接收具有第一频率的差分输入信号；提供具有该第一频率和第一时钟相位的差分调制信号；乘以该差分调制信号以产生具有大于该第一频率的第二频率并且具有第二时钟相位的差分第二信号；将该差分第二信号转换为单端输出信号；以及发射该单端输出信号。
在一实施例中，本发明是针对一种制造系统，其被配置为制造半导体设备，例如上述提及的该半导体设备。
本文中的实施例可以提供具有增加效率的毫米波发射器单元。
附图说明
通过参考以下结合附图的描述，可以理解本发明，其中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1示出了根据本文实施例的毫米波雷达系统的一实施例框图；
图2示出了根据本文实施例的控制器单元140的实施例框图；
图3示出了根据本文实施例的图1的雷达前端单元的实施例框图；
图4示出了根据本文实施例的图3的发射器单元的实施例框图；
图5示出了根据本文实施例的图3的接收器单元的实施例框图；
图6示出了根据本文实施例的图1的信号处理单元的实施例框图；
图7示出了根据本文实施例的图1的天线单元的实施例框图；
图8示出了根据本文实施例的图1的系统的示例性雷达应用的实施例框图；
图9A示出了根据本文实施例的具有二进制相移键控(BPSK)调制的发射器的实施例框图；
图9B示出了根据本文实施例的具有BPSK调制的替代发射器的实施例框图；
图10A示出了根据本文实施例的BPSK调制器的实施例框图；
图10B示出了根据本文实施例的适用于包括两个倍频器的发射器中使用的开关电路的实施例框图；
图10C示出了根据本文实施例的适用于包括一个倍频器的发射器中使用的开关电路的实施例框图；
图11A示出了根据本文实施例的差分射频(RF)开关的实施例电路图；
图11B示出了根据本文实施例的具有浮动背栅的差分RF开关的实施例电路图；
图12示出了根据本文实施例的方法的流程图；以及
图13示出了根据本文实施例的用于制造半导体设备的系统的实施例图。
虽然本文所披露的主题容易受到各种修改和替代形式的影响，但是具体实施例已经在附图中以示例的方式予以示出，并在本文中被详细描述。然而，应当理解，本文中对具体实施例的描述并不是为了将本发明限定于所披露的特定形式，相反，其旨在涵盖所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效物和替换物。此外，附图中所示的实施例描述并不是按任何绝对比例绘制的。
具体实施方式
下面描述本发明的各种说明性实施例。为了清楚起见，本说明书中并没有描述实际实现的所有特性。当然，应当认识到，在任何此类实际实施例的开发过程中，必须做出许多实现特定的决策，以实现开发人员的特定目标，例如，遵守系统相关和业务相关的约束，这些约束将因实现而异。此外，应当认识到，这样的开发工作可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本发明的普通技术人员来说，这将是一项常规工作。
现将参考附图说明本主题。在附图中示意性地描述了各种结构、系统和设备，仅处于解释的目的，且不使用本领域技术人员熟知的细节来掩盖本发明。然而，所包括的附图用于描述和解释本发明的说明性实施例。本文中使用的词语和短语应被理解和解释为具有与相关技术领域技术人员对这些词语和短语的理解相一致的含义。对于术语和短语的特殊定义，即不同于本领域技术人员所理解和惯常含义的定义，并不打算通过本文中术语或短语的一致用法来暗示。在某种程度上，术语和短语意在具有特殊含义，即，除了技术熟练的技术人员所理解的含义之外，这种特殊定义将以直接和明确地提供术语或短语的特殊定义的方式在说明书中予以明确阐述。
本文的实施例提供了具有改善效率的毫米波发射器。本文的实施例提供了二进制相移键控(BPSK)调制器，其被布置在发射链(transmitchain)的早期，并且对具有比最终发射率频率更低的频率的信号进行操作。可以使用完全耗尽的绝缘体上硅(FDSOI)工艺来形成本文实施例中描述的晶体管设备。
为了便于说明，本文的实施例是在雷达设备的背景下描述的，然而，本领域技术人员应当理解，本文所披露的概念可以在其他类型的设备中实现，例如雷达设备、网络设备、高清晰度设备等。现转至图1，其示出了根据本文实施例的毫米波系统的示例性框图。
系统100可以包括毫米波设备110和数据库170。毫米波设备110可以是雷达设备或可替换地是无线通信设备、数据网络设备、视频设备等。为了说明的目的并为了清楚和易于描述，在雷达应用的背景下描述毫米波设备110；因此，毫米波设备110在下文中也可被称为雷达设备110。然而，受益于本发明的本领域技术人员将理解，本文所描述的概念可应用于各种类型的毫米波应用，包括无线网络应用、数据网络应用、视频和音频应用等。
雷达设备110能够发射第一雷达信号，接收第二雷达信号并处理该第二雷达信号。
毫米波设备110可以包括雷达前端单元120、天线单元130、控制单元140和信号处理单元150。雷达前端单元120可以包括多个组件、电路、和/或模块，并且能够发送、接收、处理雷达信号。在一实施例中，毫米波设备110可以被包括在单集成电路(IC)芯片中。在一些实施例中，毫米波设备110可形成在位于单IC芯片上的多个集成电路上。在其他实施例中，毫米波设备110可以形成在单集成电路上，该集成电路被覆罩在IC芯片中。
雷达前端单元120能够提供输出信号，例如第一雷达信号。在一实施例中，由毫米波设备110处理的雷达信号的频率范围可以在大约10GHz到大约90GHz的范围内。在图3及下述随附描述中提供了对雷达前端单元120的更详细的描述。
继续参考图1，天线单元130还可包括发射天线和/或接收天线。此外，每个发射天线和接收天线可包括子部分以形成天线阵列。发射天线用于发射第一雷达信号，而接收天线用于接收第二雷达信号。在图7和下述随附描述中提供了天线单元130的更详细描述。
继续参考图1，毫米波设备110还可以包括信号处理单元150，信号处理单元150能够对毫米波设备110发射和/或接收的信号执行各种模拟和/或数字处理。例如，由毫米波设备110发射的第一雷达信号可以在其发射之前被放大。此外，由毫米波设备110接收的第二雷达信号可以通过一个或多个模拟滤波级(analog filter stage)发送。然后，接收的雷达信号可以通过信号处理单元150中的一个或多个模数转换器(ADC)转换为数字信号。数字信号处理(DSP)可以对数字化信号执行。在图6和和下述随附描述中提供了信号处理单元150的更详细描述。
继续参考图1，毫米波设备110还可以包括控制器单元140。控制器单元140可以执行毫米波设备110的各种控制操作。这些功能包括生成雷达信号，发射雷达信号，接收传入的雷达信号，以及处理该传入的雷达信号。
现转至图2，根据本文的实施例，提供了控制器单元140的一实施例框图。控制器单元140可以包括能够控制设备110的各种功能的处理器单元230。处理器单元230可以包括微处理器、微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)、专门集成电路(ASIC)等。
控制器单元140也可包括逻辑单元220。逻辑单元220可以包括能够执行各种逻辑操作、接收数据、和或执行与输入数据(data_in)和输出数据(data_out)有关的接口功能的电路。信号data_in可以表示从处理和分析接收到的雷达信号中导出的数据。信号data_out可以表示为发射的雷达信号生成的数据。
控制器单元140还可以包括存储器单元210。存储器单元210可以包括非易失性存储器214和内存(RAM)212。非易失性存储器214可以包括闪存和/或可编程只读(PROM)设备。存储器单元210能够存储用于控制设备110的操作的操作参数。存储器单元210还可存储用于对毫米波设备110中的任何FPGA设备进行编程的数据。因此，存储器单元210可细分为程序数据存储器(program data memory)、状态数据存储器和反应数据存储器。这种细分可以逻辑性的执行，也可以物理性的执行。
现转至图3，示出了根据本文实施例的雷达前端单元120的实施例框图。雷达前端单元120可以包括信号生成单元310、发射器单元320、和接收器单元330。信号生成单元310能够以预定频率生成雷达信号。例如，可生成在约70GHz至约85GHz范围内的信号。信号生成单元310能够提供用于发射的雷达信号。下面将提供信号生成单元310的更详细描述。
继续参考图3，由信号生成单元310向发射器单元320提供用于处理和发射的信号。发射器单元320可以包括用于处理来自信号生成单元310的信号的多个滤波器、信号调节电路、缓冲器、放大器等。发射器单元320提供要发射到天线单元130的雷达信号。
BPSK调制器922可以执行背栅偏置以执行相位调整。在一些实施例中，BPSK调制器922可以实现在每个发射器410的每个信道920上。此可用于校准不同发射信道的异相失配(out phase mismatch)和/或功率合成器本身内的异相失配。在一些实施例中，每个信道的输入信号可以通过调整BPSK调制器922的背栅偏置晶体管设备的DC电压来提前或延迟。在图9A和图9B以及下述随附描述中将说明BPSK调制器922。
图4示出了根据本文实施例的发射器单元320的实施例框图。一并参考图3和图4，发射器单元320可以包括多个相似的发射器，即，第一发射器410a、第二发射器410b、至第N发射器410n(合称“410”)。在一实施例中，第一发射器至第N发射器410可以各自处理来自信号生成单元310的单信号并向一个或多个天线提供输出发射信号。在另一实施例中，信号生成单元310可以向N个发射器410提供多个信号。例如，信号生成单元310可以为每个发射器410提供单发射信号，或可替代地，为第一组发射器410提供第一发射信号并为第二组发射器410提供第二发射信号。
继续参考图3，向接收器单元330提供接收信号(即，接收到的雷达信号)。接收器单元330能够从信号处理单元130接收经处理的接收信号。接收器单元330能够执行模数(A/D)转换、信号缓冲、DSP等。在一些实施例中，信号处理单元130可以执行A/D转换和DSP；然而，在其他实施例中，这些任务可以由接收器单元330执行。接收器单元330能够将data_out导出到控制器单元140。
图5示出了根据本文实施例的接收器单元330的实施例框图。同时参考图3和图5，接收器单元330可以包括多个类似的接收器，即，第一接收器510a、第二接收器510b、至第N接收器510n(合称“510”)。在一实施例中，第一接收器至第N接收器510可以各自处理来自信号生成单元310的单信号并向控制器单元140提供信号。在另一实施例中，可以向N个接收器510提供多个信号。例如，天线单元130可以向每个接收器510提供信号，或可替换的，为第一组接收器510提供第一接收器信号，并为第二组接收器510提供第二接收信号。
现转至图6，其示出了本文实施例的信号处理单元150的实施例框图。信号处理单元150可以包括模拟滤波器单元610、A/D转换器620、DSP单元630、以及存储器640。模拟滤波器单元610能够对信号处理单元150接收到的模拟毫米波信号执行滤波和放大。在执行毫米波信号的放大之前，可以由模拟滤波器单元610执行噪声滤波。
A/D转换器620能够将滤波和/或放大的模拟信号转换为数字信号。A/D转换器620可以执行预定精度或可变精度的转换。例如，A/D转换器620可以具有12位、24位或更高精度的精度。转换后的毫米波信号被提供至DSP单元630。
DSP单元630能够对数字毫米波信号执行各种DSP操作。例如，数字毫米波的数字滤波可以由DSP单元630执行。例如，在预定频率范围之外(例如70GHz至约85GHz)的信号分量可以被滤波为低振幅。在其他示例中，可以对毫米波信号执行诸如快速傅立叶变换(FFT)之类的数学函数。来自DSP单元630的经处理的数字输出可以被发送到控制器单元140以进行分析。在其他示例中，数字输出可以被缓冲或存储至存储器640中。在一些情况下，存储器640可以是先进先出(FIFO)存储器。在其他情况下，来自DSP单元630的经处理的数字输出可被存储至控制器单元140的存储器单元210中。
现转至图7，其示出了根据本文实施例的图1的天线单元的实施例框图。要发送的毫米波信号(例如雷达信号、网络数据信号、无线通信信号等)可以由发射器单元320(图3)提供给发射天线710。在一实施例中，发射天线710可以包括多个发射天线部分715。发射天线部分715以预定模式(例如阵列矩阵)布置，如图7所示。
接收天线720可以捕获所要接收的毫米波信号(例如雷达信号、网络数据信号、无线通信信号等)。接收天线720将接收到的毫米波信号提供给接收器单元330(图3)。在一实施例中，接收天线720可以包括多个接收天线部分725。接收天线部分725也以预定模式布置，例如，图7示例的阵列矩阵。
现转至图8，示出了根据本文实施例的系统100的示例性雷达应用的实施例框图。图8示出了信号生成单元310(图3)的示例性实现以及发射器单元320和接收器单元330的示例性部分。
信号生成单元310生成要发送并定向到目标区域的信号(例如，雷达信号)，例如，朝向车辆前方的区域。调频连续波(FMCW)生成器810提供在约20GHz范围内的毫米波信号。FMCW生成器810可被配置成提供低速斜坡(low speed ramp；LSR)信号或高速斜坡(highspeed ramp；HSR)信号。在替换实施例中，FMCW生成器810可由脉冲序列生成器(pulsetrain generator)代替，以应用脉冲多普勒雷达系统。
此外，参考信号由参考信号生成器812提供。来自FMCW生成器810的毫米波信号和参考信号都被发送至数字锁相环(DPLL)820。DPLL 820将来自FMCW生成器810的毫米波信号的相位与参考信号的相位锁定。DPLL 820的输出被发送到数字控制振荡器(DCO)825。DCO的输出反馈给DPLL。因此，DCO 825能够提供稳定的DCO信号。在一实施例中，DCO信号大约为20GHz。
多个低压差(LDO)调节器827，其可包括参考电压、误差放大器、反馈分压器、和多个通流元件(pass element)，例如晶体管。LDO调节器827被配置成向图8的电路的各个部分提供稳压电源。通常，这种稳压电源低于电源电压。
在一些实施例中，期望发送80GHz信号，例如，在车辆雷达应用中。DCO 825提供20GHz信号，因此，两个倍频器可被用来乘以20GHz信号以提供40GHz，然后乘以40GHz信号以提供80GHz信号以进行发射。因此，第一倍频器830用于将20GHz信号加倍以产生40GHz信号。第二倍频器832用于将40GHz信号加倍以产生80GHz信号。第二倍频器832的输出被提供给功率放大器840。功率放大器840的输出可以被提供给天线以进行发射。功率检测器842可以检测功率放大器840的输出的功率，并且可以促使反馈调整以保持发射信号的预定功率电平。
接收信号可以由图8所示的电路进行处理。例如，来自信号处理单元150的接收信号被提供至巴伦(balun)电路850，巴伦可以包括变压器，并且向前置放大器852提供差分输出。在对接收信号执行预定放大之后，将来自前置放大器852的输出提供给混频器860。
混频器860能够组合来自前置放大器852的接收信号与来自第三倍频器835的输出信号。第三倍频器835的输出是来自第一倍频器的40GHz信号的倍增版本。也就是说，第三倍频器835的输出是80GHz参考信号。混频器860接收参考80GHz信号，并在一实施例中，将其乘以接收信号，接收信号是从发射信号的反射产生的反射信号或回波信号。混频器的输出可用于确定关于反射发射信号的对象的各种特性，包括对象的方向、位置、轨迹和/或速度。
第一倍频器830、第二倍频器832、第三倍频器835中的每一个可以是完全差分推挽倍频器(fully differential push-push frequency doubler)。下文将进一步详细描述倍频器830、832、835所采用的倍频器。
混频器860的输出被提供至ABB 865。ABB 865的输出被提供给自动增益控制(AGC)和滤波器电路868。饱和检测电路872可以检测由AGC/滤波器电路868处理的信号的任何饱和并执行响应调整。AGC/滤波器电路868的输出被提供给A/D转换器870。A/D转换器870的输出可以提供给控制器单元140以用于进一步的处理和响应动作。
本领域技术人员将意识到，可以针对图2至图8所示的示例性实施例进行例行修改。
图9A描绘了根据本文实施例的调频连续波(FMCW)发射器的实现。FMCW发射器可以是毫米波设备100的发射器单元320，但在其他实施例中，FMCW发射器可以是另一设备的组件。
发射器单元320包括一个或多个发射器410，在图9A中部分地示出了一个代表性发射器410。发射器410包括有缓冲器910，其被配置为接收具有第一频率的差分输入信号。在图9A所示的实施例中，第一频率可以是从大约19GHz到大约20.25GHz。在其他实施例中，第一频率可以在不同的频率范围内。例如，在图9B所示的实施例中，第一频率可以从大约38GHz到大约40.5GHz。
缓冲器910被配置为向信道920提供差分输出。
在信道920中，BPSK调制器922被配置为接收由缓冲器910输出的差分信号。BPSK调制器922被配置为提供具有第一频率和第一时钟相位的调制频率。与设置在发射链末端的先前的BPSK调制器不同，后者被配置为提供具有180°的第一时钟相位的调制信号，而BPSK调制器922被配置为提供具有较低时钟相位的调制信号，例如45°或90°的调制信号。稍后将参考图10A至图10C更详细地描述BPSK调制器922。
BPSK调制器922将差分调制信号提供给信道920的后续分量。例如，BPSK调制器922可以将差分输出信号提供给包括一个或多个倍频器的串联。在一些实施例中，术语“包括一个或多个倍频器的串联”可以指其中一个或多个倍频器以串联配置布置的电路。在所示的实施例中，BPSK调制器922将差分输出信号提供给第一倍频器924和第二倍频器925。第一倍频器924和第二倍频器925各自可以是推挽倍频器(PPFD)，如本领域中所已知的。在第一频率为约19GHz至约20.25GHz的实施例中，包括第一倍频器924和第二倍频器925的串联可提供具有约76GHz至约81GHz的第二频率的输出信号。一般而言，第二频率将取决于第一频率、倍频器的数量以及每个倍频器提供的倍频。
在未示出的其他实施例中，可以省略倍频器，并且信道920提供具有等于缓冲器910接收的差分信号的第一频率的频率的输出信号。
信道920还可以包括注入锁定功率放大器(ILPA)926，如图9A和图9B所示。ILPA是已知的，因此不需要详细描述ILPA 926。ILPA 926是视需要的，并对于受益于本发明的本领域普通技术人员而言，可以将其作为常规事项予以省略。
信道920还包括功率放大器928。功率放大器928被配置成放大由BPSK调制器922和信道920的任何其他组件提供的差分信号的功率。功率放大器是已知的并且功率放大器928将不被进一步详细描述。
发射器410还包括变压器930。信道920向变压器930的初级绕组932提供差分输入，并且次级绕组934将信号转换为由输出子电路935提供的单端射频输出。输出子电路935可以在任何合适的电阻下驱动输出负载，例如，在一个实施例中，50Ω。射频输出可以适合于由毫米波设备100发射。
在实施例中，变压器930可包括具有双UTM的垂直耦合变压器或具有单UTM或双UTM的侧向耦合变压器。受益于本发明的本领域普通技术人员可以常规地实现变压器930的其他实施例。
尽管前面的讨论参考了图9A，但它基本上完全适用于图9B。在图9B所示的实施例中的不同之处在于第一频率来自约38-40.5GHz，并且信道920仅包括第一倍频器924。图9B的其他元件如上关于图9A所述，不需要再进一步讨论。
转至图10A，将更详细地描述发射器单元320的信道920的BPSK调制器922。在所述实施例中，BPSK调制器922包括可以是差分四级注入锁定环振荡器的环形振荡器905和开关电路906。
环形振荡器905包括四个级，910a、910b、910c和910d。每个级(通常为910)接收两个相位相距180°的输入。在本文中，相位相距180°的任何一对信号可被称为“P”/“+”和“M”/“-”。期望地，这些信号是从VDD快速摆动到接地的每一方波信号。此外，每个级910反转每个接收输入，将每个接收输入移位135°，并提供相位相距180°的两个输出。例如，级910a接收相位为180°(+)和360°(-)的信号，将输入反转并移位135°，并提供45°(-)和225°(+)的输出。级910b接收相位为45°(+)和225°(-)的信号，将输入反转并移位135°，并提供270°(-)和90°(+)的输出。级910c接收相位为270°(+)和315°(-)的信号，将输入反转并移位135°，并提供360°(-)和180°(+)的输出。
四级差分环形振荡器905还包括两个注入输入(即VINJP和VINJM)到其中一个级(例如级910b)。注入输入的频率驱动四级差分环振荡器905。如图所示，在被第三级910b接收之前，注入输入VINJP和VINJM分别通过逆变器915p或915m。
在四个级910a-910d中，每个级的输出被提供给开关电路906。下面将参考图10B和图10C更详细地描述开关电路906的示例性实施例。
图10B描绘了适于在信道920中使用的开关电路906的一个实施例，信道920包括两个倍频器924和925。本实施例的开关电路906包括四个射频(RF)开关907a-907d(通常，RF开关907)。两个RF开关(例如RF开关907a和907d)是仅为方便制造包含开关电路906的半导体设备而包括的伪开关。(在未示出的其他实施例中，可以省略伪开关)。两个有源开关907b和907c各自配置为接收来自环形振荡器905的一级的差分信号，例如，RF开关907b被配置为接收来自级910b的信号，RF开关907c被配置为接收来自级910c的信号。需注意的是，参考图10A，来自级910b和910c的信号相差45°，即信号具有相差45°的第一相移和第二相移。
系统级控制器(在图10B中由标记为“控制器940”的区块表示)向两个有源开关907b和907c提供BPSKEN和BPSKENB两个信号。控制器940被配置为当BPSKEN或BPSKENB中的一个为高时，另一个为低。开关907b被配置为由BPSKEN启用(enabled)，而开关907c被配置为由BPSKENB启用。根据BPSKEN和BPSKENB的独立断言或解除断言，在操作期间，开关电路906将信号的第一相移从级910b经由开关907b传递到VOUTP和VOUTM(当BPSKEN为高时)或将信号的第二相移从即910c经由开关907c传递到VOUTP和VOUTM(当BPSKENB为高时)。在图10B的实施例中，VOUTP和VOUTM信号将具有45°的第一时钟相位。在将这些信号提供给图9A的串联倍频器时，即第一倍频器924和第二倍频器925，乘以4以得到第二个频率，将产生具有180°的期望值的第二时钟相位。
图10C示出了根据本发明实施例的适于在包括一个倍频器的发射器中使用的BPSK调制器的实施例框图。图10C与图10B有许多共同的元件。下面对图10C的讨论将指向其与图10B之间的区别。
首先，图10C所示的开关电路906包括有两个有源RF开关907b和907d。参考图10A，可以看到提供给RF开关907b和907d的信号来自级910b和910d，其第一相移和第二相移相差为90°。因此，在图10C的实施例中，开关电路将提供第一时钟相位为90°的VOUTP和VOUTM信号。一旦将这些信号提供给图9B的倍频器，即第一倍频器924，乘以2以产生第二频率，将产生具有180°的期望值的第二时钟相位。
图11A示出了根据本文实施例的差分射频(RF)开关907的实施例电路描述。RF开关907包括两个子电路，一个从级910接收信号VINP，另一个从级910接收VINM信号。每个子电路包括电容器1110a或1110b，以及晶体管1130a或1130b，从中提供输出信号VOP或VOM。每个晶体管1130a或1130b的前栅极由信号EN控制，分别通过电阻器1120a或1120b而浮动。每个晶体管1130a或1130b的输入分别由信号ENB调制，分别通过电阻器1122a或1122b而浮动。
图11B示出了根据本发明实施例的具有浮动背栅的差分RF开关的实施例电路描述。图11B中所示的RF开关907类似于图11A中所示的RF开关907，下面的讨论将集中于差异处。具体而言，晶体管1130a和1130b的背栅由分别通过电阻器1124a或1124b浮动的信号EN控制。
在各种实施例中，本发明涉及一种半导体设备，包括发射器，包括调制器，其被配置成接收具有第一频率的差分输入信号并提供具有第一频率和第一时钟相位的差分调制信号；包括一个或多个倍频器的串联，其中，该倍频器串联被配置成接收差分调制信号并提供具有大于第一频率的第二频率且具有第二时钟相位的差分第二信号；以及输出变压器，其被配置为接收该差分第二信号并将该差分第二信号转换为单端输出信号。
在一实施例中，第一频率是(i)从约19GHz到约20.25GHz或(ii)从约38GHz到约40.5GHz，并且第二频率是从约76GHz到约81GHz。
在一实施例中，调制器包括注入锁定环振荡器，其被配置成产生多个相移；以及开关电路，其被配置成从多个相移中选择第一个时钟相位。在另一实施例中，开关电路包括多个射频(RF)开关，其包括被配置成在第一相移时提供第一时钟相位的第一RF开关和被配置为在第二相移时提供第一时钟相位的第二RF开关，其中，第一相移和第二相移相距45°或90°。
在一实施例中，该倍频器串联包括配置成将差分调制信号的频率乘以2的第一倍频器和配置为将差分调制信号的频率进一步乘以2的第二倍频器。在一实施例中，调制器包括至少两个RF开关，其被配置成从相距90°的多个相移中选择第一时钟相位。
在一实施例中，该倍频器串联包括配置成将差分调制信号的频率乘以2的第一倍频器。在一实施例中，调制器包括至少两个RF开关，其被配置成从相距45°的多个相移中选择第一时钟相位。
在一实施例中，半导体设备还包括一串联功率放大器，其中该串联功率放大器被配置成接收差分第二信号，放大差分第二信号，并将放大后的差分第二信号提供给输出变压器。在另一实施例中，该串联功率放大器包括一注入锁定功率放大器(ILPA)和功率放大器。
图12提供了根据本文实施例的方法1200的流程图。如图所示，方法1200包括接收(在1210处)具有第一频率的差分输入信号。该接收(在1210处)可以由调制器执行，例如如上所述的BPSK调制器。在一实施例中，第一频率可为约19GHz至约20.25GHz。在另一实施例中，第一频率可为约38GHz至约40.5GHz。
方法1200还涉及提供(在1220处)具有第一频率和第一时钟相位的差分调制信号。该提供(在1220)可由上述的调制器执行。在一实施例中，第一时钟相位为45°。在另一实施例中，第一时钟相位为90°。
随后，方法1200涉及乘以差分调制信号(在1230处)，以产生具有大于第一频率的第二频率且具有第二时钟相位的差分第二信号。在一实施例中，第二时钟相位为180°。乘法(在1230处)可以由串联的一个或多个倍频器来执行。在一实施例中，乘法(在1230处)可以由两个倍频器执行。在另一实施例中，乘法(在1230处)可以由一个倍频器执行。
在一实施例中，其中,第二频率是第一频率的整数倍，方法1200还可以包括(在1225处)选择第一时钟相位，其中，第一时钟相位是从第一相移和第二相移中选择，所述第一相移和第二相移的差值为第二时钟相位除以整数倍。选择(在1225处)可由上述调制器执行。例如，整数倍可以是2，例如可以通过由一个倍频器执行的乘法(在1230处)来实现。例如，整数倍可以是4，例如可以通过由两个倍频器执行的乘法(在1230处)来实现。
方法1200还包括(在1240处)将差分第二信号转换为单端输出信号。转换(1240处)可以由输出变压器执行。
此外，方法1200包括发射(在1250处)单端输出信号。方法1200可适用于雷达应用、通信应用或任何其他毫米波应用。
现转到图13，示出了根据本发明的实施例的用于制造包含发射器单元320的半导体设备封装的系统1300的实施例描述。图13的系统1300可以包括半导体设备处理系统1310和集成电路设计单元1340。半导体设备处理系统1310可以基于由集成电路设计单元1340提供的一个或多个设计来制造集成电路设备。
半导体设备处理系统1310可以包括各种处理站，例如蚀刻处理站、光刻处理站、CMP处理站等。每个处理站可以包括一个或多个处理工具1314和/或计量工具1316。基于来自计量工具1316的数据的反馈可用于修改由处理工具1314用于执行工艺步骤的一个或多个处理参数。
半导体设备处理系统1310还可以包括能够提供处理工具1314、计量工具1316与控制器(例如处理控制器1320)之间的通信的接口1312。由半导体设备处理系统1310执行的一个或多个处理步骤可以由处理控制器1320控制。处理控制器1320可以是工作站计算机、台式计算机、膝上型计算机、平板计算机或包括一个或多个软件产品的任何其他类型的计算设备，该软件产品能够控制处理、接收处理反馈、接收测试结果数据、执行学习周期调整、执行处理调整等。
半导体设备处理系统1310可在介质(例如硅晶片)上产生集成电路。更具体而言，半导体设备处理系统1310可以产生集成电路，该集成电路包括毫米波设备100，该毫米波设备100包括具有至少一个发射器410的发射器单元320，如图9A或图9B所示。
半导体设备处理系统1310的集成电路的生产可以基于集成电路设计单元1340提供的电路设计。半导体设备处理系统1310可在传送机构1350(例如输送系统)上提供经处理的集成电路/设备1315。在一些实施例中，输送系统可以是能够传送半导体晶片的精密洁净室传送系统。
在一些实施例中，标记为“1315”的项目可以表示单个晶片，而在其他实施例中，项目1315可以表示一组半导体晶片，例如“一批”半导体晶片。集成电路或设备1315可以包括晶体管、电容器、电阻器、存储单元、处理器等。
系统1300的集成电路设计单元1340能够提供可以由半导体设备处理系统1310制造的电路设计。集成电路设计单元1340可以确定要放置在设备封装中的设备(例如，发射器单元320等)的数量。基于这些设备的细节，集成电路设计单元1340可以确定要制造的设备的规格。基于这些规格，集成电路设计单元1340可以提供用于制造本文所述的半导体设备封装的数据。
系统1300可以对涉及各种技术的各种产品进行分析和制造。例如，系统1300可接收用于制造CMOS技术、Flash技术、BiCMOS技术、功率设备、存储器设备(例如，DRAM设备)、NAND存储器设备和/或各种其它半导体技术的设计和生产数据。该数据可由系统1300用于制造本文所述的半导体设备。
本文实施例中描述的发射器单元320的晶体管可以使用完全耗尽的绝缘体上硅(FDSOI)工艺形成。由系统1300执行的处理可以是FDSOI工艺。
以上公开的特定实施例仅为说明性的，因为本发明可以不同但等效的方式修改和实践，对受益于本文教导的本领域技术人员来说，这些方式是显而易见的。例如，可以以不同的顺序执行上述处理步骤。此外，除以下权利要求中所述的情况外，对本文所示的结构或设计细节不作任何限制。因此，显而易见的是，可以改变或修改以上公开的特定实施例，并且在本发明的范围和精神范围内考虑所有这些变化。因此，本文所寻求的保护如本案权利要求书所述。

Claims (20)

1.一种半导体设备，包括：
发射器，包括：
第一电路，被配置为接收具有第一频率的差分输入信号，并提供具有该第一频率以及第一时钟相位的差分调制信号；
第二电路，包括一个或多个倍频器，其中，该串联的倍频器被配置为接收该差分调制信号并提供具有大于该第一频率的第二频率和具有第二时钟相位的差分第二信号；以及
输出变压器，被配置为接收该差分第二信号并将该差分第二信号转换为单端输出信号。
2.根据权利要求1所述的半导体设备，其中，该第一频率为(i)约19GHz至约20.25GHz或(ii)约38GHz至约40.5GHz，且该第二频率为约76GHz至约81GHz。
3.根据权利要求1所述的半导体设备，其中，该第一电路包括：
注入锁定环形振荡器，被配置成产生多个相移；以及
开关电路，被配置成从该多个相移中选择该第一时钟相位。
4.根据权利要求3所述的半导体设备，其中，该开关电路包括：
多个射频(RF)开关，包括被配置成在第一相移时提供该第一时钟相位的第一射频开关，以及被配置成在第二相移时提供该第一时钟相位的第二射频开关，其中，该第一相移和该第二相移彼此相距45°或90°。
5.根据权利要求4所述的半导体设备，其中：
该第二电路包括被配置为将该差分调制信号的该频率乘以2的第一倍频器和被配置为将该差分调制信号的该频率进一步乘以2的第二倍频器。
6.根据权利要求5所述的半导体设备，其中：
该第一电路包括被配置成从相距45°的多个相移中选择该第一时钟相位的至少两个射频开关。
7.根据权利要求4所述的半导体设备，其中：
该第二电路包括被配置为将该差分调制信号的该频率乘以2的第一倍频器。
8.根据权利要求7所述的半导体设备，其中：
该第一电路包括被配置成从相距90°的该多个相移中选择该第一时钟相位的至少两个射频开关。
9.根据权利要求1所述的半导体设备，还包括：
串联的功率放大器，其中，该串联的功率放大器被配置成接收该差分第二信号，放大该差分第二信号，并将放大后的该差分第二信号提供给该输出变压器。
10.根据权利要求9所述的半导体设备，其中：
该串联的功率放大器包括一注入锁定功率放大器(ILPA)和功率放大器。
11.一种方法，包括：
通过调制器接收具有第一频率的差分输入信号；
通过该调制器提供具有该第一频率和第一时钟相位的差分调制信号；
通过串联的一个或多个倍频器乘以该差分调制信号以产生具有大于该第一频率的第二频率以及具有第二时钟相位的差分第二信号；
通过输出变压器将该差分第二信号转换为单端输出信号；以及
发射该单端输出信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，该第二频率是该第一频率的整数倍，且该方法还包括：
通过该调制器选择该第一时钟相位，其中，该第一时钟相位是从第一相移和第二相移中所选择，该第一相移和该第二相移的差值为该第二时钟相位除以该整数倍。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，该整数倍为2或4。
14.一种系统，包括：
半导体设备处理系统，用于制造半导体设备；以及
处理控制器，可操作地耦合到该半导体设备处理系统，该处理控制器被配置为控制该半导体设备处理系统的操作；
其中，该半导体设备处理系统适于：
通过形成下述以形成发射器；
调制器，被配置为接收具有第一频率的差分输入信号并提供具有该第一频率和第一时钟相位的差分调制信号；
包括一个或多个倍频器的串联，其中，该串联的倍频器被配置为接收该差分调制信号并提供具有大于该第一频率的第二频率以及具有第二时钟相位的差分第二信号；以及
输出变压器，被配置为接收该差分第二信号并将该差分第二信号转换为单端输出信号。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，该半导体设备处理系统适于通过形成下述以形成该调制器：
注入锁定环形振荡器，被配置为生成多个相移；以及
开关电路，被配置为从该多个相移中选择该第一时钟相位。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，该半导体设备处理系统适于通过形成下述以该开关电路：
多个射频(RF)开关，包括被配置为在第一相移时提供该第一时钟相位的第一射频开关以及在第二相移时提供该第一时钟相位的第二射频开关，其中，该第一相移和该第二相移彼此相距45°或90°。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，该半导体设备处理系统适于通过形成下述以形成该串联的倍频器：
第一倍频器，被配置为将该差分调制信号的该频率乘以2，以及第二倍频器，被配置为将该差分调制信号的该频率进一步乘以2。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，该半导体设备处理系统适于通过形成下述以形成该调制器：
至少两个射频开关，被配置为从相距45°的多个相移中选择该第一时钟相位。
19.根据权利要求16所述的系统，其中，该半导体设备处理系统适于通过形成下述以形成该串联的倍频器：
第一倍频器，被配置为将该差分调制信号的该频率乘以2。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，该半导体设备处理系统适于通过形成下述以形成该调制器：
至少两个射频开关，被配置为从相距90°的该多个相移中选择该第一时钟相位。
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