ITUB20154230A1 - Circuito oscillatore, apparecchiatura e procedimento corrispondenti" - Google Patents

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output
modulation device
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Lorenzo Iotti
Andrea Mazzanti
Andrea Pallotta
Francesco Svelto
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St Microelectronics Srl
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Description

"Circuito oscillatore, apparecchiatura e procedimento corrispondenti"
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo tecnico
La descrizione si riferisce ai circuiti oscillatori. Una o più forme di attuazione si possono riferire ad oscillatori VCO per l'utilizzo ad es. in terminali mobili o, più in genere, per oscillatori locali RF come utilizzati ad es. in telefoni mobili, apparecchiature di infrastruttura di rete cellulare, terminali Wi-Fi e punti di accesso.
Sfondo tecnologico
La sintesi di freguenza con basso rumore di fase ottenuta con un ragionevole compromesso in termini di consumo di potenza complessivo può rappresentare un traguardo utile per i circuiti oscillatori guali ad es. oscillatore controllato in tensione (VCO) per collegamenti senza fili (wireless) ad alta efficienza spettrale.
Scopo e sintesi
Uno scopo di una o più forme di attuazione è di provvedere miglioramenti nell' ottenimento dello scopo evidenziato sopra.
Secondo una o più forme di attuazione, tale scopo si può ottenere per mezzo di un circuito oscillatore avente le caratteristiche esposte nelle rivendicazioni che seguono.
Una o più forme di attuazione si possono anche riferire ad una corrispondente apparecchiatura (ad es. un terminale mobile o, più in genere, a gualsiasi apparecchiatura comprendente un oscillatore RF) nonché ad un corrispondente procedimento.
Le rivendicazioni formano parte integrante della descrizione di una o più forme di attuazione gui fornite.
In una o più forme di attuazione, vari nuclei (core) d'oscillatore (ad es. nuclei VCO) possono essere accesi o spenti sulla base ad es. delle prestazioni di rumore di fase richieste dal sistema.
In una o più forme di attuazione, è così possibile adattare (eventualmente in un modo dinamico) il rumore di fase complessivo alle specifiche di applicazione.
In una o più forme di attuazione, più nuclei d'oscillatore possono essere collegati in parallelo e disposti in una configurazione circolare, ad es. come i petali di un fiore, mantenendo nel frattempo una simmetria centrale.
In una o più forme di attuazione, si può ridurre il consumo di potenza complessivo dell'oscillatore, mentre la simmetria centrale può facilitare la riduzione della corrente di rumore dovuta al disadattamento dei nuclei, diminuendo nel contempo 1'impedenza di interconnessione.
Breve descrizione delle figure
Una o più forme di attuazione verranno ora descritte, a puro titolo di esempio, con riferimento alle figure annesse, in cui:
- la Figura 1 è un diagramma funzionale schematico di un'apparecchiatura comprendente un circuito oscillatore secondo una o più forme di attuazione,
- la Figura 2 è una rappresentazione schematica di una o più forme di attuazione, e
- la Figura 3 è una rappresentazione di un circuito più dettagliata di una o più forme di attuazione.
Descrizione dettagliata
Nella descrizione che segue sono illustrati uno o più dettagli specifici, miranti a fornire una comprensione approfondita di esempi di forme di attuazione. Le forme di attuazione si possono ottenere senza uno o più dei dettagli specifici, o con altri procedimenti, componenti, materiali, ecc. In altri casi note strutture, materiali, o operazioni non sono illustrati o descritti in dettaglio in modo che certi aspetti di forme di attuazione non verranno oscurati.
Il riferimento ad "una forma di attuazione" nell'ambito della presente descrizione intende indicare che una particolare configurazione, struttura, o caratteristica descritte in relazione alla forma di attuazione è compresa in almeno una forma di attuazione. Pertanto, frasi guali "in una forma di attuazione" che possono essere presenti in uno o più punti della presente descrizione non fanno necessariamente riferimento ad una e alla stessa forma di attuazione. Inoltre, particolari conformazioni, strutture, o caratteristiche possono essere combinate in qualsiasi modo adeguato in una o più forme di attuazione.
I riferimenti qui utilizzati sono forniti semplicemente per comodità e pertanto non definiscono 1'ambito di protezione o la portata delle forme di attuazione.
La Figura 1 è rappresentativa di una possibile disposizione di un'apparecchiatura comprendente un circuito oscillatore 10 per emettere un segnale oscillante per 1'utilizzo ad es. da parte di un dispositivo di modulazione 12 . Come qui utilizzata, la designazione "dispositivo di modulazione" intende designare uno qualsiasi fra un modulatore , un demodulatore ed un dispositivo modulatore/demodulatore .
La disposizione generale esemplificata nella Figura 1 può essere esemplificativa di un'ampia varietà di apparecchiature quali ad esempio terminali mobili o, in generale , apparecchiature comprendenti oscillatori RF (ad es . locali) . Telefoni mobili, apparecchiature di infrastruttura di rete cellulare , terminali e punti di accesso Wi-Fi possono essere esemplificativi di tali apparecchiature .
I dispositivi di modulazione come esemplificati in 12 possono essere alimentati con un segnale oscillante a partire da un' uscita di oscillatore 1 Oa del circuito oscillatore 10 e possono essere fatti funzionare con diversi schemi di modulazione (ad es. QPSK, 16QAM, 64QAM, .. .) che forniscono gradi diversi di efficienza spettrale (Bit/sec/Hz) .
II funzionamento con diversi schemi di modulazione può comportare la conformità con diverse soglie di rumore di fase .
Ad esempio, i dispositivi modulatori atti a funzionare con schemi di modulazione quali ad es. QPSK, 16QAM, 64QAM in un collegamento wireless in banda-E possono risultare conformi a specifiche di rumore di fase (PN) rispettivamente di -86 dBc, -93 dBc e -99 dBc, più un eventuale margine di 1OdB.
In applicazioni come quelle esemplificate nella Figura 1 si può di conseguenza far funzionare un dispositivo di modulazione 12 in conformità con soglie di rumore di fase diverse a seconda del tipo di modulazione (ad es. QPSK, 16QAM, 64QAM, e così via).
Una o più forme di attuazione permettono di regolare dinamicamente le prestazioni di rumore di fase dell'oscillatore 10 (ad es. un VCO) così da conformarsi ad es. a soglie di rumore di fase più o meno rigorose. Inoltre, in una o più applicazioni lo scalamento della progettazione della sintesi di freguenza RF sino ad onde millimetriche può essere un vantaggio.
Documenti guali M. Tohidian, ed altri.: "Dual-Core High-Swing Class-C Oscillaior with Ultra-Low Phase Noise", 2013 IEEE Radio Freguency Integraied Circuits Symposium, pagg.243-246 hanno già proposto un'architettura di nuclei di oscillatore con accoppiamento in parallelo che può ridurre il rumore di fase di un VCO di un fattore N, dove N è il numero dei nuclei VCO. Facendo ricorso ad un tale approccio, il consumo di potenza complessivo dell'oscillatore può aumentare di un fattore N.
Inoltre, può essere difficile disporre più di due nuclei ad es. a causa di un aumento dell'impedenza di interconnessione . La possibilità di far ricorso ad una disposizione riconfigurabile dell'oscillatore è descritta ad es. in US 2013/0222070 Al.
In una o più forme di attuazione , un circuito oscillatore 10 avente un'uscita 1Oa per emettere un segnale oscillante può comprendere una pluralità di nuclei d'oscillatore 101, 102, 103, 104 ed un insieme di switch di configurazione 14 configurati per accoppiare in modo selettivo all'uscita dell'oscillatore 10a un numero selezionato (ad es. uno, due, tre, ...) di nuclei d'oscillatore della pluralità di nuclei d'oscillatore 101 a 104 .
In una o più forme di attuazione, 1'insieme di switch di configurazione 14 può essere accoppiato con il e controllato dal dispositivo di modulazione 12 per variare in modo selettivo il numero di nuclei d'oscillatore 101, 102, 103, 104 accoppiati all'uscita dell'oscillatore 1Oa in funzione della soglia di rumore di fase (ad es. lo schema di modulazione ) alla guaie il dispositivo di modulazione 12 è fatto funzionare.
Ad esempio:
- nel caso di un funzionamento QPSK si può accoppiare all' uscita dell'oscillatore 10a un nucleo d'oscillatore (ad es . 101) ,
nel caso di un funzionamento 16QAM si possono accoppiare all'uscita dell' oscillatore 10a due nuclei d'oscillatore (ad es. 101, 102) ,
nel caso di un funzionamento 64QAM si possono accoppiare all'uscita dell' oscillatore 10a guattro nuclei d'oscillatore (ad es. 101, 102, 103, 104) .
Gli esperti del settore apprezzeranno peraltro che la pluralità di nuclei d' oscillatore (gui esemplificati come comprendente guattro nuclei d'oscillatore ) si può estendere a gualsiasi numero N di nuclei d'oscillatore , eventualmente con un valore per N che aumenta con la "Cardinalità" dello schema di modulazione (ad es. 128QAM, 256QAM, e così via). Analogamente , in sistemi dove come opzioni di modulazione sono previste ad es. solo QPSK e 16QAM si possono includere solo due nuclei d'oscillatore (ad es. 101 e 102).
In una o più forme di attuazione come rappresentati schematicamente nella Figura 2 , gli switch 14 si possono configurare (in una maniera di per sé nota) in modo tale che 1'accoppiamento dei più nuclei d'oscillatore all'uscita dell'oscillatore IOa possa comportare 1'accoppiamento di nuclei d'oscillatore che sono accoppiati in parallelo gli uni agli altri.
In una o più forme di attuazione, si è trovato che un tale accoppiamento in parallelo facilita la diminuzione del rumore di fase del circuito oscillatore 10 di un fattore di N dove N è il numero di nuclei accoppiato all'uscita dell'oscillatore IOa.
Quale che sia la strategia di accoppiamento, in una o più forme di attuazione i diversi nuclei d'oscillatore 101, 102, 103, 04,... possono essere attivati - vale a dire accesi - (solo) guando accoppiati all'uscita dell'oscillatore IOa.
In una o più forme di attuazione, la prestazione complessiva di rumore di fase si può di conseguenza adattare (ad es . dinamicamente) alle specifiche di applicazione aumentando in modo corrispondente il consumo di potenza complessivo dell' oscillatore in una maniera selettiva, in modo che il consumo di potenza venga aumentato (solo) nella misura in cui ciò può facilitare la riduzione del rumore di fase.
Ad esempio, 1'assorbimento di potenza da parte di guattro nuclei d'oscillatore si verificherà solo guando tali guattro oscillatori vengono effettivamente accoppiati all'uscita dell'oscillatore IOa, mentre si può ridurre in modo corrispondente il consumo di potenza guando si utilizza effettivamente un numero minore di nuclei d'oscillatore accoppiati all'uscita dell'oscillatore IOa.
In una o più forme di attuazione, i vari nuclei d'oscillatore (ad es. 101, 102, 103, 104 - si ricorda ancora una volta che i guattro nuclei d'oscillatore sono qui presentati a puro titolo di esempio, senza alcuna limitazione per le forme di attuazione) possono presentare una stessa topologia circuitale .
La "topologia" di un circuito elettronico è la forma assunta dalla rete di interconnessioni dei componenti del circuito . Almeno in linea di principio, anche diversi valori specifici o valutazioni dei componenti (ad es. transistori , condensatori , resistori ed induttori come mostrati schematicamente nelle Figure 2 e 3) si possono considerare come la stessa topologia . La topologia non riguarda la disposizione fisica dei componenti in un circuito, né la loro posizione in uno schema circuitale ma riguarda solo quale connessione esiste tra i componenti.
In una o più forme di attuazione , come qui esemplificate , oltre ad avere la stessa topologia di circuito, ad es. una topologia di oscillatore bistabile, i vari nuclei d'oscillatore 101, 102, 103, 104,... possono avere identiche disposizioni (layout) circuitali.
In una o più forme di attuazione, la stessa topologia di circuito dei vari nuclei d'oscillatore 101, 102, 103, 104,... può comprendere induttori 1 0la, 102a, 103a, 104a,... sotto forma di induttori planari (come correntemente inclusi nei circuiti integrati - vedere, ad es. Figura 3).
In una o più forme di attuazione , ciò può facilitare 1'integrazione del circuito oscillatore secondo una disposizione simmetrica, ad es. con una simmetria speculare di coppie di nuclei.
Opzionalmente , come esemplificato nelle figure, i vari nuclei d'oscillatore 101, 102, 103, 104 ,... possono essere disposti con una simmetria circolare attorno ad un asse centrale Xio.
In una o più forme di attuazione, come esemplificato nella Figura 3 (dove gli switch di configurazione 14 non sono per semplicità visibili) gli induttori 10la, 102a, 103a, 104a possono essere disposti in una configurazione a petali (a fiore) attorno all'asse centrale Xio con gli induttori planari 10la, 102a, 103a, 104a formanti i petali della configurazione a petali.
Si è trovato che la disposizione simmetrica del circuito oscillatore multinucleo ad es. come esemplificato nelle Figure 2 e 3 facilitava la riduzione della corrente di rumore dovuta al disadattamento dei nuclei diminuendo nel frattempo anche 1'impedenza di interconnessione.
In una o più forme di attuazione, i vari nuclei d'oscillatore 101, 102, 103, 104 possono condividere un circuito di controllo di polarizzazione 16 comune (vedere ad es. Figura 2).
In una o più forme di attuazione, i vari nuclei d'oscillatore 101, 102, 103, 104 possono essere controllati - ad es. con gli switch di configurazione 14 attivati sotto la supervisione dal dispositivo di modulazione 12 - in modo tale da produrre:
1'accoppiamento selettivo del rispettivo nucleo d'oscillatore all'uscita dell'oscillatore 10a; e/o
- 1'accensione e spegnimento selettivi del rispettivo nucleo d'oscillatore in modo che il rispettivo nucleo d'oscillatore sia attivabile in modo selettivo guando accoppiato all'uscita dell'oscillatore 10a e disattivabile guando non accoppiato all'uscita dell'oscillatore 10a.
In una o più forme di attuazione , 1'attuazione (attivazione/disattivazione) degli switch 14 può essere realizzata tramite pin di attuazione 106 mostrati schematicamente nella Figura 2, in cui le rispettive linee di controllo (ad es. a partire dal circuito di controllo di polarizzazione 16) non sono visibili per chiarezza di rappresentazione .
Vale a dire, in una o più forme di attuazione, ciascun nucleo d'oscillatore 101, 102, 103, 104 può essere attivato/disattivato (ad es . tramite gli switch 14 associati alle linee a partire dal circuito di controllo di polarizzazione 16 comune della Figura 2) così da essere attivato (acceso) solo guando accoppiato all'uscita dell'oscillatore 10a ed altrimenti disattivato (spento), così da ridurre il consumo di potenza guando non accoppiato all'uscita dell'oscillatore 10a.
In una o più forme di attuazione, uno stesso insieme di switch 14 può quindi produrre:
1'attivazione (accensione) di un nucleo d'oscillatore (ad es. 101 a 104) e l'accoppiamento dello stesso con 1'uscita dell'oscillatore 10a, eventualmente in parallelo con uno o più altri nuclei d'oscillatore,
la disattivazione (spegnimento) di un nucleo d'oscillatore ed il disaccoppiamento dello stesso dall'uscita dell'oscillatore 10a.
In una o più forme di attuazione, i vari nuclei d'oscillatore 101, 102, 103, 104 possono essere nuclei d'oscillatore controllati in tensione (VCO).
Le prove eseguite con un VCO da 20GHz a 4 nuclei regolabile come qui esemplificato, implementati sotto forma di VCO RF CMOS (BiCMOS), hanno mostrato valori medi di rumore di fase di -112, -115, -117 (Avg PN@ 1MHz [dBc/Hz]) con uno, due e quattro nuclei d'oscillatore attivati ed accoppiati (in parallelo) all'uscita dell'oscillatore. Valori di dissipazione di potenza di 11.8 mW, 21.6 mW e 37.2mW sono stati misurati con correnti di polarizzazione (Idc) rispettivamente di 9.8 mA, 18 mA, e 31 mA, con valori del Fattore di Merito (FoM) di 187.6 dBc/Hz, 188 dBc/Hz, e 187.6 dBc/Hz .
Fermi restando i principi di fondo, i particolari e le forme di attuazione possono variare , anche in modo significativo, rispetto a quanto è stato descritto a puro titolo di esempio senza discostarsi dall' ambito di protezione .
1/ ambito di protezione è definito dalle rivendicazioni annesse .

Claims (11)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Circuito oscillatore (10) con un'uscita di oscillatore (1Oa) per emettere un segnale oscillante, il circuito oscillatore (10) comprendendo: - una pluralità di nuclei d'oscillatore (101, 102, 103, 104), in cui i circuiti oscillatori in detta pluralità di nuclei d'oscillatore hanno una stessa topologia circuitale, e un insieme di switch di configurazione (14) per accoppiare a detta uscita di oscillatore (1Oa) un numero selezionato di nuclei d'oscillatore da detta pluralità di nuclei d'oscillatore (101, 102, 103, 104).
  2. 2. Circuito oscillatore secondo la rivendicazione 1, in cui i nuclei d'oscillatore in detta pluralità di nuclei d'oscillatore (101, 102, 103, 104) sono attivabili in modo selettivo guando accoppiati a detta uscita di oscillatore (1Oa).
  3. 3. Circuito oscillatore secondo la rivendicazione 1 o rivendicazione 2, in cui detto insieme di switch di configurazione (14) è configurato per accoppiare a detta uscita di oscillatore (1Oa) più nuclei d'oscillatore di detta pluralità di nuclei d'oscillatore (101, 102, 103, 104) con detti più nuclei d'oscillatore (101, 102, 103, 104) accoppiati in parallelo gli uni agli altri.
  4. 4. Circuito oscillatore secondo gualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti nuclei d'oscillatore in detta pluralità di nuclei d'oscillatore (101, 102, 103, 104) hanno layout circuitali identici.
  5. 5. Circuito oscillatore secondo qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti nuclei d'oscillatore in detta pluralità di nuclei d'oscillatore (101, 102, 103, 104) sono disposti simmetricamente, preferibilmente con una simmetria circolare attorno ad un asse centrale (X10).
  6. 6. Circuito oscillatore secondo qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti nuclei d'oscillatore comprendono rispettivi induttori planari (101a, 102a, 103a, 104a) disposti in una confiqurazione a petali con detti induttori planari formanti i petali di detta confiqurazione a petali.
  7. 7. Circuito oscillatore secondo qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti nuclei d'oscillatore in detta pluralità di nuclei d'oscillatore (101, 102, 103, 104) comprendono nuclei d'oscillatore controllati in tensione.
  8. 8. Circuito oscillatore secondo qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti nuclei d'oscillatore in detta pluralità di nuclei d'oscillatore (101, 102, 103, 104) condividono un circuito di controllo di polarizzazione (16) comune.
  9. 9. Apparecchiatura comprendente un circuito oscillatore (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 8.
  10. 10. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 9, comprendente : - un dispositivo di modulazione (12) da alimentare con detto segnale oscillante a partire da detta uscita di oscillatore (1Oa) , detto dispositivo di modulazione (12) azionabile con una pluralità di soglie di rumore di fase, e detto insieme di switch di configurazione (14) accoppiato a detto dispositivo di modulazione (12) per variare in modo selettivo il numero di nuclei d'oscillatore di detta pluralità di nuclei d'oscillatore (101, 102, 103, 104) accoppiati a detta uscita di oscillatore (IOa) in funzione di una soglia di rumore di fase di funzionamento di detto dispositivo di modulazione (12).
  11. 11. Procedimento di funzionamento di un dispositivo di modulazione (12) azionabile con una pluralità di soglie di rumore di fase, comprendente: accoppiare detto dispositivo di modulazione (12) all'uscita di oscillazione (IOa) di un circuito oscillatore (10) secondo una gualsiasi delle rivendicazioni 1 a 8, - far funzionare detto dispositivo di modulazione (12) con una soglia di rumore di fase selezionata fra una pluralità di soglie di rumore di fase, e - accoppiare a detta uscita di oscillatore (IOa) del circuito oscillatore un numero di nuclei d'oscillatore di detta pluralità di nuclei d'oscillatore (101, 102, 103, 104 ) selezionato in funzione della soglia di rumore di fase selezionata per il funzionamento di detto dispositivo di modulazione (12).
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