CN112543531B

CN112543531B - 一种用于散射阵面的多通道多比特驱动芯片

Info

Publication number: CN112543531B
Application number: CN202011454293.2A
Authority: CN
Inventors: 赵涤燹; 徐菁
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2022-12-13
Anticipated expiration: 2040-12-10
Also published as: CN112543531A

Abstract

本发明公开了一种用于散射阵面的多通道多比特驱动芯片，包括数字逻辑控制模块和数控驱动放大器模块，数字逻辑控制模块产生M位数字控制信号，数控驱动放大器模块基于数字逻辑控制模块产生的M位数字控制信号，对输出电流进行M比特调幅。本发明设计的驱动芯片具有多个输出通道、高集成性和易于扩展的结构，应用于数字编码超材料阵面时，在现场可编程门阵面（FPGA）等电路系统的控制下实时地数字化调控电磁波，动态地实现多种完全不同的功能。

Description

一种用于散射阵面的多通道多比特驱动芯片

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，特别涉及了一种用于散射阵面的驱动芯片。

背景技术

为了推动下一代移动通信网络高质量发展，数字智能化表面应用因其独特性能和优势成为信息领域的国际前沿和研究热点。支持辐射与散射模式结合的超材料单元是智能表面的核心支撑部件，是超材料数字化、信息化、智能化应用的基础技术之一。基于超材料的智能表面被认为是下一代移动通信网络基础物理构件之一，大量辐射与散射特性可调的超材料表面结合人工智能的移动运营中心构成完整可调、可控的电磁空间，在绿色能耗的基础上深度优化通信性能。

电磁超材料是将具有特定几何形状的亚波长尺度单元按照周期性或非周期性排布的人工结构。与传统材料不同，电磁超材料的单元参数和单元的排列方式都可以人为设计，因而能构造出传统材料与传统技术不能或很难实现的超常媒质参数。通过电磁超材料对电磁场和电磁波实现自由控制，将呈现出全新的物理现象，例如负折射、完美成像、完美隐身、超分辨透镜、渐变折射率平板透镜、广义斯涅耳定律所控制的超常反射与透射等。

然而，传统的电磁超材料和超表面都是基于连续变化的媒质参数，很难实时地操控电磁波。2014年，崔铁军教授课题组在国际上首次提出“数字编码与可编程超材料”，提出用二进制数字编码来表征超材料的思想，通过改变数字编码单元“0”和“1”的空间排布来控制电磁波。这一概念的提出不仅简化了超材料的设计难度和优化流程，构建了超材料由物理空间通往数字空间的桥梁，使人们能够从信息科学的角度来理解和探索超材料。更重要地是，超材料的数字化编码表征方式非常有利于结合一些有源器件（例如二极管和MEMS开关等），在现场可编程门阵面（FPGA）等电路系统的控制下实时地数字化调控电磁波，动态地实现多种完全不同的功能。

现有技术的相关情况如下：

（1）单端传输与差分传输

单端传输通常以地电平为参考电位，而差分传输是指信号用两条对称的导线进行传输，两条导线上的信号相对于某一固定电位大小相等，极性相反。与单端传输方式相比，差分传输具有以下几个优点：

•有较好的抗干扰性；

•能有效抑制电磁干扰（EMI）；

•时序定位精确。

（2）电压模式与电流模式

CMOS电路中典型的电压模式逻辑电路相当于一个反相器，电流模式逻辑电路（CML）则基于开漏输出和压控电流源。在电压模式电路中，主要存在以下几个问题：

•节点电压摆幅与电源电压之间呈比例关系，只有电源电压足够大，才能获得较大的节点电压摆幅；

•片上电压和地电势的波动将对输出信号造成严重影响；

•功耗大，高频下此问题更突出。

相比电压模式，电流模式主要有以下优点：

•电源电压低；

•传播延时小；

•噪声低，信号完整性好；

•功耗小。

（3）恒压式驱动与恒流式驱动

恒压式驱动输出的电压是固定的，而输出的电流却随着负载的变化而变化。恒流驱动电路输出的电流是恒定的，而输出电压随着负载的变化而变化。超材料单元内的有源器件并不是固定的，即使同样是PIN二极管，型号不同，开启电压和伏安特性曲线也有很大区别，采用恒压驱动显然是不合适的。

综上所述，现有技术方案的缺点如下：

（1）单端传输和电压模式逻辑、恒压式驱动的缺点已在上文罗列；

（2）现有技术方案不能在高速下驱动大电容负载（例如二极管）；

（3）现有技术方案无法在保有高速大驱动能力的情况下做到输出电流多比特精确调幅。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种用于散射阵面的多通道多比特驱动芯片。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种用于散射阵面的多通道多比特驱动芯片，该芯片应用于现场可编程数字编码超材料阵面，包括数字逻辑控制模块和数控驱动放大器模块，所述数字逻辑控制模块产生M位数字控制信号，所述数控驱动放大器模块基于数字逻辑控制模块产生的M位数字控制信号，对输出电流进行M比特调幅，M为正整数；该芯片具有N个输出通道且各通道实现独立控制，通过N通道输出电流同时驱动N个数字编码超材料单元，N为正整数。

进一步地，在现场可编程数字编码超材料阵面上集成P个所述芯片，实现对现场可编程数字编码超材料阵面上P*N个数字编码超材料单元的控制，P为正整数。

进一步地，通过P个所述芯片输出P*N通道高精度可调的输出电流，调控现场可编程数字编码超材料阵面上P*N个数字编码超材料单元内的有源器件的状态，从而改变整个现场可编程数字编码超材料阵面的材料特性。

进一步地，该芯片还包括时钟模块，所述时钟模块与数字逻辑控制模块连接，为数字逻辑控制模块提供系统时钟和多路参考时钟。

进一步地，该芯片还包括带隙基准电流源模块，所述带隙基准电流源模块实现不随温度、工艺和电源电压波动变化的基准电压的输出并将基准电压转换为基准电流，通过电流镜将基准电流传输给数控驱动放大器模块。

进一步地，所述数控驱动放大器模块采用基于电流模式逻辑的数控驱动放大器。

进一步地，所述基于电流模式逻辑的数控驱动放大器包括依次连接的输入缓冲器、D触发器、单端信号转差分信号单元、电平转换单元、预驱动单元和驱动单元。

进一步地，所述基于电流模式逻辑的数控驱动放大器还包括电流监测单元，所述电流监测单元与所述驱动单元连接。

进一步地，所述数控驱动放大器模块采用基于DAC结构的数控驱动放大器。

进一步地，所述基于DAC结构的数控驱动放大器包括依次连接的译码器、数模转换器和输出缓冲器。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明设计的多通道多比特驱动芯片通过内部的逻辑模块驱动多位可调的数控驱动放大器，产生特定值的电流，为超材料单元内的有源器件（例如：二极管）提供驱动，使超材料单元的数字编码成为可能，从而在现场可编程门阵面（FPGA）等电路系统的控制下实时地数字化调控电磁波，动态地实现多种完全不同的功能。

本发明采用的恒流模式解决了传统恒压式驱动的电流不可控问题，做到较高的电流精度，且配合串行外设接口就可以灵活设置所需输出的电流大小。超材料单元拥有的材料特性是多样的，所以要求驱动器能够提供精准可调的驱动电流，本发明通过数控功能可以更好地对驱动电流进行精细化校准由于环境、工艺等影响带来的误差。

附图说明

图1是本发明所公开的多通道多比特驱动芯片结构示意图；

图2是本发明所公开的多通道多比特驱动芯片应用于数字编码超材料阵面的一个具体实施示意图；

图3是图2所示出的数字编码超材料阵面正面的结构示意图；

图4是图2所示出的数字编码超材料阵面背面的结构示意图；

图5是本发明所公开的多通道多比特驱动芯片的内部结构示意图；

图6是本发明中基于CML结构的数控驱动放大器结构示意图；

图7是本发明中基于DAC结构的数控驱动放大器结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

为了更好地理解和阐释本发明，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。本发明并不仅仅局限于这些具体实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

本发明下面将结合具体实施例对本发明的实现过程进行描述。下述的具体实施例只是基于本发明构思下的一种具体实施例，本发明的实施例并不限于所示出的一种，本领域技术人员基于本发明所能联想到的其他实施例应当也在本发明的保护范围内。

本实施例提供了一种为现场可编程数字超材料单元中的有源器件（PIN二极管）提供驱动电流源，实现四通道六比特高速驱动芯片。通过芯片内部的数字逻辑控制模块驱动6比特可调的数控驱动放大器模块，产生最大50mA电流驱动PIN二极管工作，基本特征如下：

(1) 四通道单端输出PIN驱动器，最大50 mA输出驱动电流，6比特可调，四通道电流独立控制；

(2) 3.3V/1V供电电压供电电压，65-nm CMOS工艺；

(3) 输出为200 Mbps方波电压信号，摆幅1.5 V；

(4) 200 MHz 输入时钟信号；

(5) 驱动负载为PIN 二极管；

(6) 100 µA/ 312.5µA输入参考电流。

参见图2，图2示出了一种四通道六比特驱动高速芯片为四个数字编码超材料单元内的有源器件（PIN二极管）提供驱动的具体实施结构示意图。

图2所示的数字编码超材料单元，其呈现出的编码状态与单元内置的偏压二极管的状态正相关：当外接控制电压高电平时，内置偏压二极管导通，该超材料单元表现为数字编码 1 状态；当外接控制电压低电平时，内置偏压二极管关断，该超材料单元表现为数字编码 0 状态。由于控制电压的高电平和低电平恰好对应基带数字领域的1和0，可证明该结构真正实现了超材料单元的数字化。通过实时调控外接控制电压的高电平和低电平，改变超材料单元的数字编码状态，就可以将超材料物理世界和数字世界有机地联系起来。

参见图3和图4，图3和图4示出了一种四通道六比特高速驱动芯片应用于数字编码超材料阵面时的正面和反面示意图。可以看出，本发明实施例示出的一个驱动芯片和四个数字编码超材料单元组成一组，并易于扩展至整个阵面。在电磁波垂直入射的情况下，如果超材料共由 N 个基本单元构成, 则 1 比特编码超材料 0 和 1 的不同排列数将有 2^N种，因此可以实现 2^N 种调控功能，进而产生可设计的任意多波束反常反射。数字编码超材料的概念还可由 1 比特编码推广到 2 比特和多比特。一般说来，数字编码超材料的比特数越高，其调控电磁波的能力越强。

参见图5，图5示出了一种四通道六比特高速驱动芯片的具体实施结构示意图，所述芯片包括时钟模块、数字逻辑控制模块、带隙基准电流源模块和数控驱动放大器模块。

所述时钟模块，提供系统时钟和多路参考时钟，传输给数字逻辑控制模块。

所述数字逻辑控制模块，基于串行外设接口实现，产生多路6比特的控制信号及1比特的驱动信号和时钟信号，驱动后级数控驱动放大器模块工作。

所述带隙基准电流源模块，基于带隙基准电路实现不随温度、工艺、电源电压波动变化的基准电压的输出，并将基准电压转换为基准电流，利用多个电流镜传输给数控驱动放大器模块。

所述数控驱动放大器模块，根据来自基准模块输入的基准电流，基于逻辑模块输入的多位控制信号，输出驱动电流。

本发明所公开的数控驱动放大器有CML（电流模式逻辑）与DAC（数模转换器）两种结构，基于CML（电流模式逻辑）结构的数控驱动放大器偏置电流为100µA，基于DAC（数模转换器）结构的数控驱动放大器偏置电流为312.5µA。两种数控驱动放大器的具体实施结构参见图6和图7。

参见图6，为本发明所公开的上述驱动芯片中基于CML（电流模式逻辑）结构的数控驱动放大器模块，包括依次相接的输入缓冲器、D触发器、单端信号转差分信号单元、电平转换单元、预驱动单元和驱动单元。所述数控驱动放大器模块还包括电流监测单元。各模块说明如下：

所述输入缓冲器，增强来自时钟模块的时钟信号和来自逻辑模块的数据信号上升、下降沿的陡峭性，所述输入缓冲器包括两个串联的反相器。

所述D触发器，根据来自所述输入缓冲器的所述时钟信号上升沿采样，基于所述数据信号，输出占空比为50%、频率为所述时钟信号频率二分之一的方波信号。

所述单端信号转差分信号单元，基于来自所述D触发器的方波信号，进行单端信号到差分信号的转换，输出差分信号。

所述电平转换单元，基于来自所述单端信号转差分信号单元的差分信号，进行信号放大，实现从1V电压域转到3.3V电压域，输出放大后的差分信号。

所述预驱动单元，增强所述来自所述电平转换单元的放大后的差分信号的驱动能力，输出预驱动差分信号。

所述驱动单元，由来自所述预驱动单元的预驱动差分信号驱动，根据来自带隙基准电流源模块的基准电流，基于来自数字逻辑控制模块的多位控制信号，对63个独立的驱动输出单元进行动态控制，输出特定幅度的驱动电流，输出电流最大幅度为50mA，单位步进为900µA。

参见图7，为本发明所公开的上述驱动芯片中所述基于DAC（数模转换器）结构的数控驱动放大器模块，包括依次相接的译码器、数模转换器、输出缓冲器。各模块说明如下：

所述译码器，基于来自数字逻辑控制模块的多位控制信号，译码输出对应的温度计码和二进制码。

所述数模转换器，基于来自译码器的多位温度计码和二进制码，进行数模转换，产生最大值为10mA的差分电流。为了得到面积和性能的折中，所述数模转换器采用了分段式译码结构。高位采用温度计译码，低位采用二进制译码，这种结构能够实现良好的静态性能和动态性能的同时得到面积，功耗和电路复杂度的最优折中。

所述输出缓冲器，基于来自数模转换器的驱动电流，通过一组电流镜，将10mA的电流放大到50mA，并将差分信号转为单端信号进行输出。

上述实施例中，100μA或312.5μA的参考电流，由带隙基准电流源给入。6比特的数字控制信号和1比特的驱动信号以及时钟信号，由数字逻辑控制模块给入。

本发明所公开的用于散射阵面的高集成多通道多比特驱动芯片为超材料单元中的偏压二极管提供驱动电流，通过控制信号编码决定二极管的关断状态，从而改变超材料单元的材料特性。本发明所公开的一种驱动芯片，单个芯片可以驱动多个通道。所述驱动芯片通过内部的数字逻辑控制模块驱动多位可调的数控驱动放大器，产生特定值的电流驱动PIN二极管工作，实现了智能表面的核心支撑部件，为超材料单元内的有源器件（二极管）提供驱动，使超材料单元的数字编码成为可能，深度优化通信性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims

1.一种用于散射阵面的多通道多比特驱动芯片，其特征在于：该芯片应用于现场可编程数字编码超材料阵面，包括数字逻辑控制模块、数控驱动放大器模块、时钟模块和带隙基准电流源模块，所述数字逻辑控制模块产生M位数字控制信号，所述数控驱动放大器模块基于数字逻辑控制模块产生的M位数字控制信号，对输出电流进行M比特调幅，M为正整数；所述时钟模块与数字逻辑控制模块连接，为数字逻辑控制模块提供系统时钟和多路参考时钟；所述带隙基准电流源模块实现不随温度、工艺和电源电压波动变化的基准电压的输出并将基准电压转换为基准电流，通过电流镜将基准电流传输给数控驱动放大器模块；

所述数控驱动放大器模块采用基于电流模式逻辑的数控驱动放大器，所述基于电流模式逻辑的数控驱动放大器包括依次连接的输入缓冲器、D触发器、单端信号转差分信号单元、电平转换单元、预驱动单元、驱动单元和电流监测单元；

所述电平转换单元，基于来自所述单端信号转差分信号单元的差分信号，进行信号放大；

所述预驱动单元，增强所述来自所述电平转换单元的放大后的差分信号的驱动能力，输出预驱动差分信号；

所述驱动单元，由来自所述预驱动单元的预驱动差分信号驱动，根据来自带隙基准电流源模块的基准电流，基于来自数字逻辑控制模块的多位控制信号，对独立的驱动输出单元进行动态控制，输出特定幅度的驱动电流；

该芯片具有N个输出通道且各通道实现独立控制，通过N通道输出电流同时驱动N个数字编码超材料单元，N为正整数；

在现场可编程数字编码超材料阵面上集成P个所述芯片，实现对现场可编程数字编码超材料阵面上P*N个数字编码超材料单元的控制，P为正整数；

通过P个所述芯片输出P*N通道高精度可调的输出电流，调控现场可编程数字编码超材料阵面上P*N个数字编码超材料单元内的有源器件的状态，从而改变整个现场可编程数字编码超材料阵面的材料特性。

2.根据权利要求1所述用于散射阵面的多通道多比特驱动芯片，其特征在于：所述数控驱动放大器模块采用基于DAC结构的数控驱动放大器。

3.根据权利要求2所述用于散射阵面的多通道多比特驱动芯片，其特征在于：所述基于DAC结构的数控驱动放大器包括依次连接的译码器、数模转换器和输出缓冲器。