CN113541612A - 提供可编程电感器以使得能够实现宽调谐范围 - Google Patents

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Abstract

公开了提供可编程电感器以使得能够实现宽调谐范围。在一个实施例中，调谐网络包括：可控电容；第一开关，其被耦合在可控电容和参考电压节点之间；第二开关，其被耦合在可控电容和第三开关之间；第三开关，其被耦合在第二开关和第二电压节点之间；第四开关，其被耦合在第二电压节点和第一电感器之间；第一电感器，其具有耦合到第四开关的第一端子和耦合到至少第二开关的第二端子；以及第二电感器，其具有耦合到第一电感器的第二端子的第一端子和耦合到可控电容的第二端子。

Description

提供可编程电感器以使得能够实现宽调谐范围
背景技术
电感器-电容器(LC)储能器或网络通常被采用作为射频(RF)电路(诸如放大器、滤波器、混合器等)中的加载组件以在高频下提供足够的增益和滤波。常规地，固定值电感器被与可变电容器(或可编程电容器阵列)一起使用，从而能够调谐工作频率。
然而，当设计用于在宽的频率范围上使用的网络时，特别是当寻求平衡包括电路大小、功率消耗、组件质量等的抵销考虑时，存在若干开始起作用的设计约束。可用的解决方案遭受在这些不同的标准中的缺陷，这导致设计折衷以及在大小、性能、功率消耗和成本上的对应的限制。
发明内容
根据一个方面，一种集成电路包括调谐网络。该调谐网络进而可以包括：可控电容；第一开关，其被耦合在可控电容和参考电压节点之间；第二开关，其被耦合在可控电容和第三开关之间；第三开关，其被耦合在第二开关和第二电压节点之间；第四开关，其被耦合在第二电压节点和第一电感器之间；第一电感器，其具有耦合到第四开关的第一端子和耦合到至少第二开关的第二端子；以及第二电感器，其具有耦合到第一电感器的第二端子的第一端子和耦合到可控电容的第二端子。
在示例中，集成电路进一步包括控制电路以选择性地控制第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，以引起调谐网络在合期望的谐振频率处工作。控制电路可以控制调谐网络以：经由第二电感器到可控电容的并联耦合以及第一电感器的解耦，在频率范围的第一子范围中工作；以及经由第一电感器、第二电感器和可控电容的并联耦合，在频率范围的第二子范围中工作。第二子范围可以是在最小频率和第一最大频率之间的第二频率子带，并且第一子范围可以是在大于最小频率的第二最小频率和最大频率之间的第一频率子带。
在示例中，集成电路进一步包括耦合到调谐网络的可编程电阻器。可编程电阻器可以减小调谐网络在频率范围上的阻抗变化。第一电感器可以被形成在半导体管芯的第一导电层上并且第二电感器被形成在半导体管芯的第二导电层上，其中第一电感器被通过至少一个通孔层耦合到第二电感器。集成电路可以进一步包括耦合到调谐网络的混合器，其中调谐网络包括用于混合器的负载电路。在另一方面中，一种装置包括：可编程电容；可编程电感，其被耦合到可编程电容；第一开关，第一开关用于在第一子频带中的第一工作模式中将可编程电感的最大值耦合到可编程电容，第一子频带从总频率范围的最小频率延伸到比总频率范围的最大频率小的第一最大频率；以及第二开关，第二开关用于在第二子频带中的第二工作模式中将可编程电感的较小值耦合到可编程电容，第二子频带延伸到总频率范围的最大频率。
在示例中，可编程电感包括第一电感器和耦合到第一电感器的第二电感器。在第二工作模式中，可编程电容与第一电感器并联耦合。在第一工作模式中，可编程电容与第一电感器和第二电感器并联耦合。装置可以进一步包括：第三开关，其被耦合在可控电容和参考电压节点之间；以及第四开关，其被耦合在可控电容和第二开关之间。进一步地，装置可以包括控制电路以选择性地控制第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，以引起装置在合期望的谐振频率下工作。控制电路：在第一工作模式中，控制第一开关和第三开关以将可编程电感的最大值与可编程电容并联耦合；以及在第二工作模式中，控制第二开关和第四开关以将可编程电感的较小值与可编程电容并联耦合。在第二工作模式中，第二开关的导通电阻在由可编程电容和可编程电感形成的谐振储能器之外。可编程电感的最大值的品质因数可以超过第一电感器的品质因数和第二电感器的品质因数。
在又一方面中，一种方法包括：在无线电设备中接收无线电要以其来工作的合期望的信道指示；确定合期望的信道位于其中的工作子带，该子带具有小于无线电设备的总频率范围的频率范围；响应于确定工作子带是从总频率范围的最小频率延伸到比总频率范围的最大频率小的第一最大频率的第一工作子带，经由至少第一开关和第二开关将可编程电感的最大值耦合到可编程电容以形成谐振储能器电路；以及提供谐振储能器电路作为用于至少一个射频电路的负载，该谐振储能器电路具有在第一工作子带内的谐振频率。
在示例中，方法进一步包括：响应于确定工作子带是延伸到总频率范围的最大频率的第二工作子带，经由至少第一开关和第二开关将可编程电感的较小值耦合到可编程电容以形成谐振储能器电路；以及提供谐振储能器电路作为用于至少一个射频电路的负载，该谐振储能器电路具有在第二工作子带内的谐振频率。
将最大电感耦合到可编程电容包括选择性地控制：第一开关，其被耦合在可编程电感和第一电压节点之间；第二开关，其被耦合在第一电压节点和第三开关之间；第三开关，其被耦合在第二开关和可编程电容之间；以及第四开关，其被耦合在可编程电容和参考电压节点之间，以引起谐振储能器电路具有谐振频率而进行工作。
附图说明
图1是根据实施例的谐振储能器电路的高层级示意性示图。
图2是根据一个实施例的谐振储能器电路的示意性示图。
图3是根据一个实施例的在阻抗上的随频率的变化的绘图图示。
图4A是根据另一实施例的谐振储能器电路的示意性示图。
图4B是根据另一实施例的谐振储能器电路的示意性示图。
图4C是用于图4A的谐振储能器电路的等效电路。
图4D是用于图4B的谐振储能器电路的等效电路。
图4E是根据另一实施例的谐振储能器电路的示意性示图。
图5是根据又一实施例的谐振储能器电路的示意性示图。
图6是针对根据实施例的谐振储能器电路的阻抗对于频率的绘图图示。
图7是根据实施例的可编程电感器的高层级视图。
图8是根据实施例的电路的示意性示图。
图9是根据实施例的集成电路的框图。
图10是根据实施例的方法的流程图。
图11是根据实施例的代表性集成电路的框图。
图12是根据实施例的网络的高层级示图。
具体实施方式
在各种实施例中，提供了谐振储能器电路，其包括可编程电容器和可编程电感器这两者。通过使用可编程电感器，可以覆盖宽的工作频率范围，而同时不消耗太多的芯片区域和系统电流/功率。如还进一步在此描述的那样，在不同的实现中，可以减少调谐电容的量，并且谐振储能器电路的有效阻抗可以在频率范围上具有更少的变化。
现在参照图1，示出了根据实施例的谐振储能器电路(其还被称为调谐网络)的高层级示意性示图。如在图1中示出那样，在所示出的实施例中谐振储能器电路100包括多个组件，这些组件耦合在信号线105和参考电压节点110之间。在不同的实施例中，注意，信号线105可以耦合到给定电路的输出(或输入)以使得谐振储能器电路100可以充当用于给定电路的负载电路。在不同的实施例中，参考电压节点110可以耦合到实际的地电压。在其它实施例实现中，参考电压节点110可以耦合到AC地。在不同的实现中，节点110可以耦合到物理地或供给节点(其可以包括偏置电压)。
如在图1中图示那样，电感器L被实现为可编程电感器。在此描述了可编程电感器的各种实现。为了容易介绍，在一个实施例中，可编程电感器L可以被实现为例如与在图1中示出的附加电路一起形成在单个半导体管芯上的多个分离的电感器。如进一步图示那样，谐振储能器电路100进一步包括固定电容Cfix，其表示电路100中的固定的电容量。在不同的实现中，该寄生电容可以来自器件寄生和/或布线/互连寄生。
如在图1中进一步图示那样，谐振储能器电路100还包括可编程电容器Cvar，其可以与可编程电感器L一起使用以调谐工作频率。如进一步图示那样，谐振储能器电路100还包括电阻器Rp，其表示储能器阻抗的电阻部分，并且可以是由电感器和电容器的有限品质因数(Q)引起的电阻损耗的集总求和并且/或者可以是专用的/显式的电阻器。在图1的高层级中，谐振储能器电路100的仅有的实际物理组件可以是可编程电感器L和可编程电容器Cvar，其中其它的组件通过物理电路中固有的寄生来实现。当然，在其它情况下，可以提供附加的有意的电容和电阻。更进一步地，虽然在图1的实施例中，所有组件被示出为在信号线105和参考电压节点110之间彼此并联耦合，但是在其它情况下，在某些工作模式中电路的至少部分可以如在此描述那样串联连接。
在诸如在图1中示出的谐振储能器电路的情况下，谐振频率可以是通过如下计算的：
Figure 254162DEST_PATH_IMAGE001
。
调谐范围即最大和最小谐振频率(fcmax，fcmin)可以是通过如下计算的：
Figure 171302DEST_PATH_IMAGE002
以及
Figure 826406DEST_PATH_IMAGE003
其中Cvar,min和Cvar,max分别是可变电容器的最小电容和最大电容。
在谐振频率处的阻抗是：
Figure 96981DEST_PATH_IMAGE004
其中Q是LC储能器(网络)的品质因数。
实施例提供了改进的谐振储能器电路，其可以在极小的芯片有效面积和降低的功率消耗的情况下在宽的频率范围上工作。相反，常规的LC储能器由于各种各样的设计折衷而遭受以下缺点：(1)电感(L)由最大工作频率(Fmax)和最小固定电容(Cfix)确定，其中Fmax和Cfix越高，L越低；(2)由LC储能器提供的在谐振处的最小阻抗(Zmin)由储能器的最小工作频率(Fmin)、L和品质因数(Q)确定，并且对于相同的Zmin而言Fmin和L越低，Q越高；(3)可变电容(Cvar)的量由Fmin和L确定，其中Fmin和L越低，Cvar越大。作为结果，在宽的频率范围上工作的常规LC储能器具有许多设计折衷。具体地，为了能够达到Fmax，需要低的L。然而，为了满足在Fmin下的Zmin要求，Q必须足够大。电感器Q和电容器Q这两者都与芯片区域和整体系统电流/功率消耗有关；Cvar必须足够大以能够调谐到Fmin，Fmin也是如此。这将要求大的区域(以获得电容和Q这两者)，并且带来更多的寄生并且因此增加Cfix，这将进而要求更小的L，引起两难困境。进一步地，由于Q和Z这两者的频率依赖性，储能器阻抗(Z)在宽的频率范围上趋向于具有过大的变化。
在实施例的情况下，可以通过提供如下的可编程电感器来实现益处，在所述可编程电感器中可以取决于合期望的工作频率而将不同的电感量切换到谐振储能器电路中。例如，诸如收发器、接收器和/或发射器之类的集成电路可以根据多个通信协议在多个频率下工作。每个这样的协议可以将工作引导到特定的频率范围内。并且在许多示例中，给定的工作带可以被进一步再分为不同的频带，每个频带用于给定的通信信道。通过提供可编程电感器，设备的整个工作频率范围可以被分解成两个或更多个频带，其中每个频带是表示总的工作频率范围一部分的子带。
在作为示例的高层级下，假定整个工作频率范围从最小频率Fmin延伸到最大频率Fmax。虽然实施例并不被限制于这个方面，但是在一个特定的实现中，总频率范围可以从近似400兆赫兹(MHz)延伸到近似1千兆赫兹(GHz)。当然，在其它实现中，更大得多的频率范围是可能的。
在特定的实现中，该频率范围可以被分成至少两个分离的带。更具体地，频率范围可以被分成两个子带，在此被称为低频带(LB)和高频带(HB)。这两个频带可以被相对于fmin到fmax的总频率范围表示为如下：
Figure 911354DEST_PATH_IMAGE005
。
注意，如果想要覆盖fmin和fmax内的所有频率，则“fmax1”可以等于(或大于)“fmin2”，或者如果准许有一个(或多个)间隔，则“fmax1”可以小于“fmin2”。在这两个子带的情况下，“HB”表示高频带，即[fmin2，Fmax]，并且“LB”表示低频带，即[fmin，fmax1]。
现在参照图2，示出了根据一个实施例的谐振储能器电路的示意性示图。在图2中，谐振储能器电路200可以被使用在其中整个频率范围被分离成两个频带即低频带LB和高频带HB的实现中。为了实现在这些不同的带中的工作，通过共同地形成可编程电感器的分离的电感器L1和L2提供的不同的电感量可以被可控地耦合到谐振储能器电路200中。下面进一步描述布置的细节。
如所图示的那样，谐振储能器电路200可以耦合在第一节点205和第二节点210之间。在所示出的实施例中，节点205可以是被耦合以接收供给电压的供给电压节点，并且节点210可以是给定电路可以耦合到的电路连接节点，使得谐振储能器电路200充当用于该给定电路的负载电路。作为一个特定的示例，给定电路(在图2中为了容易图示而未示出)可以是例如部分地使用跨导放大器实现的混合器。
在任何情况下，谐振储能器电路200包括可编程电感器部分220和可编程电容器部分230。在所示出的实施例中，可编程电感器部分220包括在电感器间节点225处串联耦合在一起的一对电感器L1和L2。此外，可编程电感器部分220包括一对开关222、224。在各种实施例中，开关222、224可以被实现为金属氧化物半导体场效应晶体管，诸如n沟道MOSFET(NMOS)或p沟道MOSFET(PMOS)。如在图2的图示中示出的那样，这些开关中的每个与频率子带中的给定的一个相关联。特别是，当想要在HB频带中工作时，开关222可以被控制为闭合(并且在该工作模式下开关224可以被控制为打开)。相反，当想要在LB频带中工作时，开关222可以被控制为打开(并且在该工作模式下开关224可以被控制为闭合)。
如所示出那样，可编程电容器部分230包括调谐电容器Ctune，其在一个实施例中可以被形成为多个单独的可控电容，例如被实现为变容器或其它可编程电容。如所图示那样，可编程电容器部分230耦合在电路连接节点210和参考电压节点240(例如地节点)之间。虽然在图2的实施例中是以这种实现示出的，但是在另外的实现中，调谐电容器Ctune的第二端子可以耦合到开关222而不是参考电压节点240。
作为示例，调谐电容器可以被实现为多个单独的电容器，该多个单独的电容器例如被并联耦合，其中每个单独的电容器与对应的开关相关联，使得基于可编程控制，每个单独的电容器可以被选择性地切换到调谐电容器阵列中或者切换到调谐电容器阵列之外。在不同的实现中，电容器阵列的各单独的电容器可以是由等值的电容器形成的，或者它们可以是由不同值的电容器形成的，例如是被二进制加权的、被温度计加权的、或者被基数加权的等。
在HB工作模式中，优选较低的电感，因此开关222(“HB1”)闭合，而开关224(“LB1”)打开。作为结果，可编程电感器的总有效电感简单地为“L1”，其具有较小的值：
Figure 733816DEST_PATH_IMAGE006
。
注意，L1通常由fmax(以及在此未示出但是在图1中示出的Cfix)来确定，类似于常规的LC调谐网络。相反，在LB工作模式中，优选较高的电感，因此开关224(“LB1”)闭合，而开关222(“HB1”)打开。因此，总有效电感由如下确定：
Figure 849DEST_PATH_IMAGE007
其中L1和L2是可编程电感器的两个分段的自电感，并且k12是L1和L2之间的相互耦合系数。这种布置不仅增加了总有效电感(大于简单的L1+L2)，而且其还提升了品质因数(Q)，因为总串联电阻为：
Figure 75116DEST_PATH_IMAGE008
其中Rs1是电感器L1的串联电阻，并且Rs2是电感器L2的串联电阻。
并且Q由如下给出：
Figure 743994DEST_PATH_IMAGE009
其中每个分段的Q是：
Figure 737358DEST_PATH_IMAGE010
。
两种效应都可以实质上增加在低频率下在谐振处的有效阻抗：
Figure 491688DEST_PATH_IMAGE011
。
具有增加的有效阻抗和较高的Q的这种效果极大地放宽了为在宽的频率范围上获得阻抗目标强加在常规的LC网络上的约束。在常规的LC网络中，因为最大电感受最大频率限制，所以改进最小阻抗(Zmin(在Fmin处))的唯一方法是在Fmin处获得足够高的Q。但是由于对于电感器和电容器这两者而言Q与芯片区域直接相关，因此在常规的设计中需要对应地更大的芯片区域。在具有可编程电感器的实施例中，不仅L在低频率下更高以改进阻抗，而且Q也被提升。作为结果，对于给定的Zmin要求而言更小的区域是足够的。
同时，如与常规的LC网络相比，在给定的频率范围上阻抗的变化更小。为了看到这点，假定常规的LC储能器Q受电感器限制，因为这是通常的情况。在此，在谐振处的储能器阻抗由如下给出：
Figure 228699DEST_PATH_IMAGE013
其中Ls和RsL是由串联LR模型表示的电感器的电感和电阻。对于常规的LC网络而言，在[fmin，fmax]上的Z变化由如下给出：
Figure 624521DEST_PATH_IMAGE014
。
对于根据具有可编程电感器的实施例的谐振储能器电路而言，每个子带中的Z变化由如下给出：
Figure 54366DEST_PATH_IMAGE015
。
这两个值都小于常规的谐振储能器的值，因为fmin2＞fmin，并且fmax1＜fmax。作为示例，假定
Figure 295991DEST_PATH_IMAGE016
Figure 571115DEST_PATH_IMAGE017
。
在这种情况下，对于常规的解决方案而言，|Z|变化是4x或12dB。与具有可编程电感器的实施例对比，在每个子带中阻抗变化仅为2x或6dB。实际上，因为电感器Q和储能器Q这两者都不是频率的线性函数(由于更高阶的效应和电容器部分的更显著的贡献)，所以对于常规的LC网络而言在2x频率范围上实际变化可能不会如12dB那么大。
除了在子带中的该更小的变化之外，因为如先前讨论的那样在低带中的有效阻抗被提升，所以在总频率范围[fmin，fmax]上阻抗的总的变化也更小。这两个点被绘图图示在图3中。
现在参照图3，示出了阻抗的在频率上的变化的绘图图示。如在线图300中示出那样，对于在最小频率Fmin和最大频率Fmax之间工作的常规LC储能器而言，存在大的在阻抗上的变化。具体地，如所示出那样，在最小频率处，阻抗曲线310与在最大频率处的阻抗曲线320相比具有更小得多的阻抗。相反，在实施例的情况下，实现了跨子频率范围的减小的阻抗变化。因此，如在图3中进一步图示的那样，在LB工作模式中，在最小频率和最大频率之间的变化被图示在阻抗曲线330和340中。类似地，在HB工作模式中，在最小频率和最大频率之间的变化被图示在阻抗曲线350和360中。如所看到的那样，在使用实施例的情况下存在更小得多的阻抗变化。
如在上面关于图2详述的那样，可以使用与电路的可编程电感器部分相关联的开关来控制具有可编程电感的谐振储能器电路。在一些实施例中，可以通过进一步包括与谐振储能器电路的可编程电容部分相关联的一个或多个开关来实现改进的性能。现在参照图4A，示出了根据另一实施例的谐振储能器电路的示意性示图。一般而言，谐振储能器电路400可以是与图2的谐振储能器电路200类似地实现的(并且因此许多组件包括相同的标号，虽然是“400”系列)。因此在大的方面，谐振储能器电路400的配置和工作可以类似于上面讨论的配置和工作，并且在此将不详细讨论。
然而，注意，在可编程电容部分430中包括多个开关432和434。如所看到的那样，开关432耦合在调谐电容器Ctune的给定端子和参考电压节点440之间。附加的开关434耦合在调谐电容器Ctune的该端子和开关422之间(并且还耦合到电感器间节点425)。
图4A示出用于其中开关434闭合并且开关432打开的HB工作的实现。在该配置的情况下，谐振储能器电路400的LC储能器被实现为调谐电容器Ctune和可编程电感器Ltune的第一电感器L1的并联耦合。在图4C中示出用于这种布置的等效电路(为了容易图示，未示出开关和其它电路)。虽然在图4A中，为了清楚而在一些实现中明确示出开关432、434，但是可以不提供这些物理开关而替代地使用在调谐电容器Ctune内存在的对应的开关来实现相同的开关策略。
图4B示出用于其中开关434打开并且开关432闭合的LB工作的实现。在该配置的情况下，谐振储能器电路400的LC储能器被实现为调谐电容器Ctune和可编程电感器Ltune的第一电感器L1和第二电感器L2的并联耦合。在图4D中示出用于这种布置的等效电路(为了容易图示，未示出开关和其它电路)。如在上面讨论的那样，虽然图4B在一些实现中为了清楚而明确示出开关432、434，但是可以不提供这些物理开关而替代地使用在调谐电容器Ctune内存在的对应的开关来实现相同的开关策略。
在图4A和图4B中，以特殊方式实现可变电容器“Ctune”，以减少在可编程电感器中具有与电感器串联的开关的不利影响，尤其是对于HB工作而言。当编程开关(即422“HB1”或424“LB1”)导通(ON)时，其引入与电感器串联的额外电阻，这将使Q降低。虽然这对于LB工作而言是更可容忍的——因为固有的串联电阻已经很大，但是对于HB工作而言这可能是更有害的。虽然一种实现可以通过增加开关大小来降低开关导通电阻，但是这样做可能招致大的芯片区域。替代地，在HB模式中如在图4A中的实施例的情况下，“Ctune”的两个端子被连接到电感器“L1”的两个端子。像这样在这种配置的情况下，电感器L1和可调谐电容器Ctune并联耦合。
以此方式，用于开关422(“HB1”)的导通电阻在LC储能器之外，并且其仅在谐振时添加到总的储能器阻抗“Rp”，其具有更大得多的值。理想地，该同样的开关耦合可以在工作在低频率范围中时发生。然而，因为其是更可容忍的，所以可编程电容器Ctune被通过开关432(“LB2”)的闭合而连接到参考电压节点440。在这种配置的情况下，可以使用NMOS晶体管来实现开关432以节省一些芯片区域并且减小寄生电容。在图4A和图4B中示出的所有其它开关可以是使用PMOS晶体管实现的。
注意，图4A和图4B示出其中LC网络被耦合在供给节点和信号节点(分别为405、410)之间的实现。然而，其中LC网络400被耦合在地和信号节点之间的互补实现也是可行的。在那种情况下，开关可以是利用互补的器件类型(例如NMOS器件而不是PMOS器件)实现的。
因此，通过提供分离的开关432和434并且如在图4A和图4B中示出那样配置它们，减小了在HB工作中开关422的不利影响，因此改进HB工作中谐振储能器电路400的整体性能。如果没有该附加的开关434 HB2 (即调谐电容器未被连接到L1，如在图4A和图4B中示出的那样)，并且替代地如在图2中那样调谐电容器被耦合到AC地，则当在HB模式中时开关422HB1的导通电阻(让我们称其为Rsw_HB1)将直接添加到与L1串联的总电阻，其还包括L1自身的电阻(让我们称其为Rs_L1)。
在这种情况下，Rsw_HB1将类似于Rs_L1而不消耗过多的芯片区域的量来构建大的开关。例如，如果Rsw_HB1=Rs_L1，则那么L1的Q (让我们称其为QL1)被减半，并且因为由L1提供的有效负载阻抗由如下给出：ZL1～QL1*w*L1，所以其因而将减小一半(如果QL1变为一半的话)，当转换成放大器的增益时，其将少6dB。在开关434在HB模式中闭合的情况下，开关422于是在由L1和调谐电容形成的并联LC储能器之外。HB模式下的总阻抗是Z_LC_tank+Rsw_HB1，并且Z_LC_tank是L1+Ctune的LC储能器的阻抗。并且实际上，在LC储能器阻抗的顶部上存在更多一些的阻抗。
如在上面讨论的那样，在其它情况下，可能存在形成可编程电感器的多于两个的分离的电感器。在这样的情况下，可以将较大的频率范围分解成多个子带，其中每个电感器(单独地或者与其它电感器组合)与特定的子带相关联。并且为了实现这种策略，可以存在与每个电感器相关联的对应的开关。现在参照图4E，示出了根据又一实施例的谐振储能器电路的示意性示图。如在图4E中示出那样，谐振储能器电路400可以是利用形成可编程电感器Ltune的三个电感器(即电感器L1至L3)实现的。如所看到的那样，为了实现对该附加的电感器的控制，提供了另外的开关426。类似地，可以在可编程电容器部分430内提供附加的开关436。利用这种布置，可以将较大的频率范围分段成三个子带。对于最低子带而言，所有三个电感器L1至L3可以被通过适当的开关控制耦合到LC储能器中。进而对于中间子带而言，电感器L1和L2可以被通过适当的开关控制耦合到LC储能器中。最后，对于最高子带而言，仅电感器L1可以被通过适当的开关控制耦合到LC储能器中。
如果想要进一步针对特定的实现来减小每个子带中的变化，则可以将与可调谐LC网络并联的可调谐/可编程电阻器添加到谐振储能器电路。
现在参照图5，示出了根据又一实施例的谐振储能器电路500的示意性示图。如在图5中示出那样，谐振储能器电路500实质上可以是如利用作为示例的谐振储能器电路400那样实现的(并且因此许多组件包括相同的标号，虽然是“500”系列)。然而，注意，在谐振储能器电路500中存在被并联耦合在第一电压节点505和电路连接节点510之间的可编程电阻Rvar。在给定的实现中，该可编程电阻Rvar可以被实现为并联耦合的电阻器阵列，其中每个电阻器与对应的开关相关联以使得其可以被可控地耦合到电阻器阵列中或被可控地耦合到电阻器阵列之外。作为示例，可编程电阻器可以被实现为例如并联耦合的多个单独的电阻器，其中每个单独的电阻器与对应的开关相关联以使得每个单独的电阻器可以基于可编程控制而被选择性地切换到调谐电阻器阵列中或者被选择性地切换到调谐电阻器阵列之外。
在如在图5中的实施例的情况下，总阻抗由如下给出：
Figure 89952DEST_PATH_IMAGE019
。
随着频率增加并且Rp变得更高，Rvar可以被调谐到更小的值以使总的Z相对恒定。
现在参照图6，示出了针对根据实施例的谐振储能器电路的阻抗对于频率的绘图图示。如在图6的线图600中图示那样，在曲线610处图示的低频带和曲线620处图示的高频带这两者中，可以通过提供与如在此描述的谐振储能器电路的附加的组件并联的可编程电阻器来实现实质上稳定的最大阻抗。
还进一步地，通过使用具有可编程电感器的实施例，可以通过减小的实现相同的频率范围覆盖所要求的“Ctune”量即Cvar,max而具有附加的益处。对于常规的实现而言，
Figure 425118DEST_PATH_IMAGE020
而对于具有可编程电感器的实施例而言，针对HB工作，
Figure 154040DEST_PATH_IMAGE021
并且针对LB工作，
Figure 232854DEST_PATH_IMAGE022
针对示例而假定一些数值，
Figure 730832DEST_PATH_IMAGE023
所以，
Figure 377845DEST_PATH_IMAGE024
并且对于常规的LC调谐储能器而言，
Figure 328483DEST_PATH_IMAGE025
替代地，在实施例的情况下，
Figure 210989DEST_PATH_IMAGE026
。
最终所要求的“Cvar,max”由“Cvar,max,HB”和“Cvar,max,LB”的最大值确定，并且在该特定的示例中，其只有对于常规解决方案而言的要求的1/3。使用具有减小的“Cvar,max”的实施例直接转换为节省芯片区域，并且间接地节省电流/功率消耗。
如在此描述的那样，根据实施例的可编程电感器可以与谐振储能器电路和给定设计的所有其它组件这两者的附加电路一起实现在单个半导体管芯上。例如，集成电路可以包括处理电路、RF电路、功率电路等，所有这些可以与如在此描述的包括多个电感器的谐振储能器一起实现在单个半导体管芯上。
在一个特定的实施例中，假定可编程电感器由两个不同的电感器形成。在该实现中，每个电感器可以被形成在半导体管芯的不同的导电层上。例如，可以通过使用形成在半导体管芯的多个导电层上的堆叠的电感器来(在面积上)高效地实现可编程电感器。例如，L1可以被实现在第一金属层(或多个金属层)上，并且L2可以被实现在不同的第二金属层(或多个金属层)上。利用这种堆叠的电感器实现，节省了芯片区域。
现在参照图7，示出了根据实施例的可编程电感器的高层级视图。如在图7中示出那样，可编程电感器700是利用两个分离的螺旋电感器实现的，每个螺旋电感器被形成在半导体管芯的不同的导电层上。如在该示例中示出那样，第一金属层被用于形成第一螺旋电感器710(例如，L1)，并且第二金属层被用于在第一螺旋电感器的顶部上形成另一螺旋电感器720(例如，L2)。两个电感器在中心通过通孔层连接。跨接布线730被用于将中心连接引出并且形成耦合L1和L2的第三端口。注意，每个单独的电感器不限制于螺旋形状，并且第三端口不限制于在L1和L2的连接点处，如在该示例中那样。
如所说的那样，被调谐的LC储能器的一个常见用途是作为射频电路(例如放大器、滤波器和混合器等)中的加载组件以在高频下提供增益和滤波。在图8中示出一个示例，其是根据另一实施例的电路的示意性示图。如在图8中示出那样，电路800包括混合器810。在图8中示出的高层级中，混合器810被实现为单平衡混合器。当然，诸如双平衡混合器的其它混合器实现是可能的。在所示出的实施例中，混合器810包括由一对NMOS器件812、814形成的差分放大器。如所看到的那样，每个NMOS器件具有耦合到另一NMOS器件816的漏极端子的源极端子和在输出节点815、817处提供对应的输出信号(out+/out-)的漏极端子。
在所示出的实施例中，混合器810被实现为上转换混合器，以使得NMOS器件812、814充当具有对应的栅极端子的开关器件，对应的栅极端子被耦合以接收时钟信号(本地振荡器信号Lo+/Lo-，其可以是从频率合成器或其它的频率发生器接收的)并且将进入的信号上转换到更高的频率。在特定的实施例中，进入信号(in)可以是以基带频率接收的并且是以更高的频率(例如RF频率)输出的。为了实现这样的工作，NMOS器件816具有经耦合以接收输入信号(in)的栅极端子，并且NMOS器件812、814使用混合信号(Lo+/Lo-)将信号上转换到RF。
仍然参照图8，注意，对应的负载电路820、830耦合在输出节点815、817和供给电压节点825之间。如在图8的高层级中图示的那样，每个负载电路820、830可以被实现为具有如在此描述的可编程电感的调谐网络。虽然图8图示具有如图4A或图4B中的配置的负载电路820，但是其它变化同样是可能的。负载电路830可以被类似地配置。要理解虽然在图8的实施例中是以这种高层级来示出的，但是许多变化和替换是可能的。例如，具有如在此描述的可编程电感器的调谐网络可以被用作为用于其它类型的RF电路(包括放大器、混合器、滤波器等)的负载电路。作为另一示例，代替混合器，负载电路820、830可以耦合到放大器(例如差分放大器)，该放大器进而耦合到偏置电流源而不是如在图8中示出那样耦合到NMOS器件816。在这样的实施例中，放大器的(在频率上的)总增益由如下给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
由于gm由偏置电流确定，因此为了达到相同的增益量，Z越高，gm越低，并且因此电流越低。利用可编程电感器(以及可能地，附加的可编程电阻)，实施例可以提供具有更高阻抗的负载电路，使得这样的放大器能够以降低的功率消耗工作。
现在参照图9，示出了根据实施例的集成电路的框图。如在图9中示出那样，集成电路900可以是提供各种各样的功能并且进一步使得能够进行无线电通信的任何类型的电路。在图9的高层级视图中，集成电路900可以被实现为提供发射能力和接收能力这两者的一个或多个半导体管芯。因此如在高层级中示出那样，集成电路900可以包括发射器910、接收器950和RF前端电路960，其本身耦合到天线970。在一个实施例中，除了天线970之外的所有电路可以在单个半导体管芯上。
图9图示出包括了如在此描述的代表性LC电路，示出了发射器910的细节。如所图示的那样，发射器910包括数字信号处理器(DSP)920，其可以执行各种数字处理(例如用于感测、计量或致动功能)，并且将对应的数字信号提供到对应的复合信号处理路径，即同相路径930I和正交相位路径930Q。描述了信号处理路径930I的细节。如所图示的那样，进入的数字信号被在数字到模拟转换器932I中转换成模拟形式。对应的模拟信号被提供给低通滤波器934I。进而，所得到的信号被提供到混合器935I，其经由从合成器940接收的混合信号将例如在中频处的进入信号上转换到射频。像这样，混合器935I输出RF信号。如所示出那样，可以包括如在此描述的可编程电感器的LC电路936I接入被耦合到混合器935I的输出的负载电路。如所示出那样，所得到的RF信号可以被输出到功率放大器945，其对信号进行放大并且将它们从发射器910输出到例如在RF前端电路960内的附加电路。
如在图9中进一步示出的那样，DSP 920可以包括或者可以被耦合到控制电路925。在此的实施例中，控制电路925可以至少部分地基于合期望的谐振频率而被配置为可编程地控制LC电路936以在该谐振频率下工作。为此，控制电路925可以将控制信号(在图9中为了容易图示而未示出)发送到LC电路936以引起对电路内所包括的开关的适当控制。例如，控制电路925可以发送控制信号以控制这些LC电路的可编程电感器部分和可编程电容器部分内的开关。可以提供附加的控制信号以例如在包括可控电阻的实现中控制这样的电阻。要理解虽然在图9的实施例中是以这种高层级来示出的，但是许多变化和替换是可能的。
利用实施例，可以提供可编程电感器以节省区域和/或功率以覆盖在宽的频率范围上的工作。该可编程电感器可以增强低频下的性能(例如，阻抗/增益)并且减少在频率范围上的变化。这样的可编程电感器可以被实现为堆叠的电感器和对应的开关。如在此描述那样，可编程电感器可以使得能够使用更小的调谐电容实现。进而，可以以减少编程开关电阻的不利影响的方式来实现该调谐电容。在一些实现中，可变电阻器可以被包括在谐振储能器电路中和/或被耦合到谐振储能器电路以进一步减小在频率范围上的阻抗变化。
现在参照图10，示出了根据实施例的方法的流程图。如在图10中示出那样，方法1000可以是由无线电的控制电路或系统的另外的控制器实现的，以控制如在此描述的LC储能器。像这样，可以被实现为硬件电路的该控制电路可以执行存储在非暂态存储介质中的指令。在图10的实施例中，方法1000可以以接收合期望的信道指示开始(框1010)。例如，MCU或其它控制器可以接收针对由用户所请求的信道的频率的指示，其可以基于要被使用的无线协议。据此，MCU可以确定工作子带(框1020)。为了讨论的目的而假定如下的实现：其中要被控制的LC储能器具有两个电感器，使得较宽的频率范围可以被分解成低带和高带这两个带。当然，在其它实施例中可以存在附加的子带。
然后控制来到菱形框1030，其中可以确定所确定的子带是否为高子带。如果是这样，则控制来到框1040，其中可以将第一组控制信号发送到LC储能器以经由多个开关引起第二电感器被停用。例如，参照例如图2，可以通过适当地控制开关222、224来使电感器L2从谐振储能器解耦，因此防止该电感器成为谐振储能器电路的一部分。
如果相反地确定为低子带，则那么控制来到框1035，其中可以将第一组控制信号发送到LC储能器以经由多个开关引起第二电感器被启用。因此在这种情况下，第二电感器成为谐振储能器电路的一部分。注意，在具有多于两个子带的实现中，可以存在附加的电感器，并且附加的电感器被取决于工作子带而可控地切换到谐振储能器电路中或者被可控地切换到谐振储能器电路之外。
仍然参照图10，为了引起谐振储能器电路以合期望的谐振频率工作，控制来到框1050，其中可以基于合期望的信道的频率对变容器进行设置。也就是，控制器可以控制可以是数字控制的电容器阵列的变容器，以提供给定的电容量，其与所选择的电感量一起提供谐振储能器电路以在合期望的谐振频率下谐振。最后，控制来到框1060，其中谐振储能器电路因此被适当地配置以被提供作为用于给定的RF电路的负载。虽然在图10的实施例中以该特定的实现示出，但是许多变化和替换是可能的。例如，在进一步具有耦合到谐振储能器电路的可编程电阻器的实现中，可以将附加的控制信号发送到与这样的电阻器相关联的开关。
现在参照图11，示出了代表性集成电路1100的框图，该代表性集成电路1100可以包括具有可编程电感器、可编程电容器以及可选地如在此描述的可编程电阻器的可控调谐网络。在图11中示出的实施例中，集成电路1100可以是例如微控制器、无线收发器或可以被使用在各种各样的用途情况(包括感测、计量、监控、嵌入式应用、通信、应用等)中并且可以被特别地适配用于在物联网(IoT)设备中使用的其它设备。
在所示出的实施例中，集成电路1100包括存储器系统1110，其在实施例中可以包括诸如闪速存储器的非易失性存储器和诸如RAM的易失性存储。在实施例中，该非易失性存储器可以被实现为能够存储指令和数据的非暂态存储介质。这样的非易失性存储器可以存储用于控制一个或多个调谐网络的工作以例如取决于如在此描述的工作频率而在合期望的谐振频率下谐振的指令。
存储器系统1110经由总线1150耦合到数字核心1120，其可以包括充当集成电路的主处理单元的一个或多个核心和/或微控制器。数字核心1120进而可以耦合到时钟发生器1130，该时钟发生器1130可以提供一个或多个锁相环或其它时钟发生电路以生成用于由IC的电路使用的各种时钟。
如进一步图示的那样，IC 1100进一步包括功率电路1140，其可以包括一个或多个电压调节器。可以取决于特定的实现而可选地提供附加的电路，以提供各种功能和与外部设备的交互。这样的电路可以包括：接口电路1160，其可以提供与各种片外设备的接口；传感器电路1170，其可以包括各种片上传感器，包括用以感测合期望的信号的数字和模拟传感器，诸如用于计量应用等。
此外，如在图11中示出那样，可以提供收发器电路1180以使得能够例如根据局域或广域无线通信方案(诸如Zigbee(紫蜂)、Bluetooth(蓝牙)、IEEE 802.11、IEEE802.15.4、蜂窝通信等)中的一个或多个来传输和接收无线信号。为此，收发器电路1180可以包括负载电路1185，负载电路1185包括如在此描述的一个或多个调谐网络。要理解虽然以该高层级视图示出，但是许多变化和替换是可能的。
注意，诸如在此描述的收发器可以被实现在各种各样的不同设备中。在一个实现中，具有如在此描述的一个或多个调谐网络的收发器可以被使用在IoT设备中。该IoT设备可以是用于在智能设施网络(例如其中根据IEEE 802.15.4规范进行通信的网状网络)中使用的智能设施计量仪。
现在参照图12，示出了根据实施例的网络的高层级示图。如在图12中示出那样，网络1200包括各种各样的设备，设备包括诸如IoT设备的智能设备、路由器和远程服务提供器。在图12的实施例中，网状网络1205可以例如存在于具有多个IoT设备12100-n的邻域中。这样的IoT设备可以包括如在此描述的一个或多个调谐网络。如所示出那样，至少一个IoT设备1210耦合到路由器1230，路由器1230进而经由广域网1250(例如因特网)与远程服务提供器1260通信。在实施例中，远程服务提供器1260可以是设施的处理与IoT设备1210的通信的后端服务器。要理解虽然在图12的实施例中以该高层级示出，但是许多变化和替换是可能的。
虽然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领会许多修改和变化。意图的是所附权利要求覆盖如落入到本发明的真实精神和范围内的所有这样的修改和变化。

Claims (20)

1.一种集成电路，包括：
调谐网络，包括：
可控电容；
第一开关，其被耦合在可控电容和参考电压节点之间；
第二开关，其被耦合在可控电容和第三开关之间；
第三开关，其被耦合在第二开关和第二电压节点之间；
第四开关，其被耦合在第二电压节点和第一电感器之间；
第一电感器，其具有耦合到第四开关的第一端子和耦合到至少第二开关的第二端子；以及
第二电感器，其具有耦合到第一电感器的第二端子的第一端子和耦合到可控电容的第二端子。
2.根据权利要求1所述的集成电路，进一步包括控制电路，控制电路用于选择性地控制第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，以引起调谐网络在合期望的谐振频率下工作。
3.根据权利要求2所述的集成电路，其中控制电路用于控制调谐网络以：
经由第二电感器到可控电容的并联耦合以及第一电感器的解耦而在频率范围的第一子范围中工作；以及
经由第一电感器、第二电感器和可控电容的并联耦合而在频率范围的第二子范围中工作。
4.根据权利要求3所述的集成电路，其中第二子范围包括在最小频率和第一最大频率之间的第二频率子带，并且第一子范围包括在大于最小频率的第二最小频率和最大频率之间的第一频率子带。
5.根据权利要求1所述的集成电路，进一步包括耦合到调谐网络的可编程电阻器。
6.根据权利要求5所述的集成电路，其中可编程电阻器用于减小调谐网络在频率范围上的阻抗变化。
7.根据权利要求1所述的集成电路，其中第一电感器被形成在半导体管芯的第一导电层上，并且第二电感器被形成在半导体管芯的第二导电层上，并且其中第一电感器被通过至少一个通孔层耦合到第二电感器。
8.根据权利要求1所述的集成电路，进一步包括耦合到调谐网络的混合器，其中调谐网络包括用于混合器的负载电路。
9.一种装置，包括：
可编程电容；
可编程电感，其被耦合到可编程电容；
第一开关，用于在第一子频带中在第一工作模式中将可编程电感的最大值耦合到可编程电容，第一子频带从总频率范围的最小频率延伸到比总频率范围的最大频率小的第一最大频率；以及
第二开关，用于在第二子频带中在第二工作模式中将可编程电感的较小值耦合到可编程电容第二子频带延伸到总频率范围的最大频率。
10.根据权利要求9所述的装置，其中可编程电感包括第一电感器和耦合到第一电感器的第二电感器。
11.根据权利要求10所述的装置，其中在第二工作模式中，可编程电容与第一电感器并联耦合。
12.根据权利要求10所述的装置，其中在第一工作模式中，可编程电容与第一电感器和第二电感器并联耦合。
13.根据权利要求9所述的装置，进一步包括：
第三开关，其被耦合在可控电容和参考电压节点之间；以及
第四开关，其被耦合在可控电容和第二开关之间。
14.根据权利要求13所述的装置，进一步包括控制电路，控制电路用于选择性地控制第一开关、第二开关、第三开关和第四开关以引起所述装置在合期望的谐振频率下工作。
15.根据权利要求14所述的装置，其中控制电路：
在第一工作模式中，控制第一开关和第三开关以将可编程电感的最大值与可编程电容并联耦合；以及
在第二工作模式中，控制第二开关和第四开关以将可编程电感的较小值与可编程电容并联耦合。
16.根据权利要求13所述的装置，其中在第二工作模式中，第二开关的导通电阻在由可编程电容和可编程电感形成的谐振储能器之外。
17.根据权利要求9所述的装置，其中可编程电感的最大值的品质因数超过第一电感器的品质因数以及第二电感器的品质因数。
18.一种方法，包括：
在无线电设备中接收无线电要以其来工作的合期望的信道指示；
确定合期望的信道位于其中的工作子带，该子带具有小于无线电设备的总频率范围的频率范围；
响应于确定工作子带是从总频率范围的最小频率延伸到比总频率范围的最大频率小的第一最大频率的第一工作子带，经由至少第一开关和第二开关将可编程电感的最大值耦合到可编程电容以形成谐振储能器电路；以及
提供谐振储能器电路作为用于至少一个射频电路的负载，该谐振储能器电路具有在第一工作子带内的谐振频率。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：
响应于确定工作子带是延伸到总频率范围的最大频率的第二工作子带，经由至少第一开关和第二开关将可编程电感的较小值耦合到可编程电容以形成谐振储能器电路；以及
提供谐振储能器电路作为用于所述至少一个射频电路的负载，该谐振储能器电路具有在第二工作子带内的谐振频率。
20.根据权利要求18所述的方法，其中将最大电感耦合到可编程电容包括选择性地控制：
第一开关，其被耦合在可编程电感和第一电压节点之间；
第二开关，其被耦合在第一电压节点和第三开关之间；
第三开关，其被耦合在第二开关和可编程电容之间；以及
第四开关，其被耦合在可编程电容和参考电压节点之间，以引起谐振储能器电路具有谐振频率而进行工作。
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