TWI759415B - 脈衝產生器 - Google Patents

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尼可拉 安德森
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Abstract

一種脈衝產生器，包含：第一訊號產生臂及控制器。第一訊號產生臂 包含第一電感器及複數開關元件，每個開關元件透過第一電感器拉曳電流；控制器依序啟動複數開關元件，以在脈衝產生器的輸出端產生預設脈衝波形。訊號產生臂的開關元件及電感器一起形成脈衝合成器，其使用來自控制器的訊號合成輸出脈衝。與傳統傳輸器結構相比，上轉換混合器、數位類比轉換器及功率放大器的功能皆可由單一簡易電路執行。既節省面積亦節省功耗。

Description

脈衝產生器
本發明是關於一種RF脈衝產生器，其特別係用於例如超寬頻段(UWB)雷達的脈衝雷達應用上。
目前各種已知的不同傳輸器結構可用於傳送複數訊號波形，以用於資料傳輸、測距及傳送等應用。圖1a及1b顯示二種常用的習知傳輸器結構。
圖1a顯示一種直流轉換傳輸器，其基頻訊號通常被分為同相訊號(in-phase，I)及正交訊號(quadrature，Q)，並由不同傳輸臂來處理。在每臂中，資料(或“調變中”)訊號(I或Q)藉由數位類比轉換器(DAC)而被轉換至類比格式，並且透過低通濾波而移除不需要的諧波。鎖相迴路(phase locked loop，PLL)產生載波，且90度的相位移器將此載波分為二正交載波訊號，並各自用於一個傳輸臂。載波與資料訊號混合而產生“已調變”輸出訊號，接著二臂在藉由功率放大器(power amplifier，PA)放大並(例如透過天線)傳輸之前會進行組合(互加)。
圖1b顯示一種類似的方法，但不將資料分為同相資料串及正交資料串，一個資料串用於相位調變(經由鎖相迴路)，而另一資料串則用於後續振幅調變(透過功率放大器調整增益)。
這二種傳輸架構的主要差異在於直流轉換傳輸器執行於笛卡爾座標系統(Cartesian coordinate system)，而極性傳輸器執行於極性座標系統(polar coordinate system)。
圖2顯示一種基本的開關模式功率放大器。其為非線性功率放大器。開關用以透過電感器來調變電流。藉由適當地調整偏置電感器(L)、交流耦合電容器(C)及輸出負載(ZL)，所需的輸出波形可產生並跨過輸出負載(ZL)。
前述的傳輸器電路被設計為基於之後可被解調及修復的傳入資料串來產生波形，因此可用於一般資料傳輸。然而，特定波形生成亦可有益於產生特定形狀的脈衝以可用於脈衝雷達應用上。舉例來說，在超寬頻段脈衝雷達中，高斯微分(Gaussian-derivative)脈衝波形通常較佳於使可在允許的頻率覆蓋範圍(permitted frequency mask)內傳送的功率最大化(儘管任何具有足夠覆蓋利用率的脈衝可能被使用)。藉由調整高斯微分脈衝的頻寬及中心頻率，傳輸功率可盡量在規範的功率限制下填充允許的頻譜。
在許多脈衝雷達應用中，功率損耗是重要的考慮因素，特別像是可攜式裝置例如可能會使用可攜式電池或電池容量偵測器。純粹舉例來說，穿戴式裝置需求小巧外型，因此必須能在有限電池容量下進行操作。因此希望能透過最小化功率損耗而最大化電池壽命。
以低功率產生脈衝雷達脈衝的先前技術已使用非時脈解決方案，以避免與時脈有關的相對高功耗。舉例來說，WO2012/038732專利申請案所記載的脈衝產生器採用一種開放迴路延遲路徑來產生輸出脈衝。當觸發訊號沿著延遲路徑通過時，其交替引發上拉電晶體及下拉電晶體而將輸出節點交替地連接至高電位及低電位，藉此產生輸出脈衝波形。電晶體的大小係根據輸出波 形的包絡(envelope)形狀而調控。共用輸出節點會經由一對電阻而偏壓至VDD/2，並經由上拉電晶體及下拉電晶體而使輸出電壓拉曳至VDD及接地二者之一。然而，儘管此配置特別可以節能，由於延遲路徑的開放迴路的本質，考量到輸出頻率的變化，某些實施可能會發生問題。舉例來說，溫度變化可造成頻率改變。製造過程的變化性亦可影響輸出頻率。各種變化將導致因違反頻譜覆蓋範圍而無法遵守規範。或者，假如減少頻譜以確保遵守規範，則脈衝產生器無法對有效頻譜進行最佳使用。為了減輕這些影響，時序量測電路及可程式化延遲路徑可被使用，但如此將增加晶片區域並使電路的功率效益下降。
本發明的第一目的是提供一種脈衝產生器，包含：一第一訊號產生臂以及一控制器。第一訊號產生臂具有一第一電感器及複數個開關元件，該等開關元件各自配置為透過該第一電感器拉曳電流；控制器配置為以一預設順序啟動該等開關元件，進而在一脈衝產生器輸出端產生一預設脈衝波形。
訊號產生臂的開關元件及電感器一起形成脈衝合成器，以取用來自控制器的訊號來合成輸出脈衝。與傳統傳輸器結構(例如圖1a及1b所示)相比，上轉換混合器(upconversion mixer)、數位類比轉換器及功率放大器的功能皆可由單一簡易電路來執行。其既節省面積亦節省功耗。
相較於以一對電阻將中心節點偏壓至VDD/2的先前設計，利用電感器來偏壓放大器可節能。在習知設計中，這些電阻消耗了與其電阻值成比例的微小直流功率。電感器並不會消耗任何直流功率，因而此配置較為節能。此配置亦有其它優點，例如可提升雜訊處理能力(較佳的電源抑制比(power supply rejection ratio,PSRR)，以及具備利用共振來衰減諧波的潛在性(儘管諧波較適合在後續階段進行處理)。
電感器的其它優點是其大小可被調整，藉此形成具有電容器的共振器。電容器可能是附加於電路的元件、已存在的寄生電容或二者的組合。電感器的大小可以被選擇，以將共振頻率設定為接近開關頻率，使該等開關元件的開關順序導致共振所驅動的輸出電壓在VDD之上，進而藉此放大訊號及提供更多輸出功率而不用從電源供應器取得更多功率。
電感器較佳為晶片上元件(on-chip component)，即做為晶片製程的一部分，而不是獨立晶片外部元件。需注意的是，與其它CMOS裝置相比，電感器通常是物理上較大的元件，其通常需要獨立製成技術來沉積厚金屬層以形成電感器。然而前述的優點勝過了這些潛在的缺點。
儘管單端脈衝產生器是有效且功能完善，但提供差動配置還有其他優點。根據較佳實施例，脈衝產生器更包含：一第二訊號產生臂，包括一第二電感器及複數個開關元件，每個開關元件透過第二電感器拉曳電流；其中，控制器配置為以一預設順序啟動第一訊號產生臂及第二訊號產生臂的該等開關元件，進而在第一訊號產生臂的一第一脈衝產生器輸出端及第二訊號產生臂的一第二脈衝產生器輸出端之間產生做為一差動訊號的一預設脈衝波形。
較佳地，第一訊號產生臂中的該等開關元件配置為拉曳不同電流量。在差動配置中，第二訊號產生臂中的該等開關元件較佳亦配置為拉曳不同電流量。藉由提供具有不同電流拉曳能力的不同開關元件，脈衝產生器可產生不同振幅的輸出脈衝的波峰及波谷。藉此，輸出脈衝的包絡可更靈活地調控/調整。開關元件的不同電流拉曳能力可由各種合適的方式達成，但開關元件較佳 為電晶體，且電流拉曳能力定義為電晶體的適合大小。舉例來說，電晶體結構的尺寸(寬度及長度)定義其運作特性。在其它範例中，不同電流拉曳能力可經由差動地偏壓閘極或塊體(bulk)、加載汲極或使源極退化來達成。此外亦可利用二階效應，例如擴散長度(length of diffusion，LOD)或距離。
二訊號產生臂的不同開關元件可依照任何次序觸發。舉例來說，在任何第二訊號產生臂的開關元件觸發而產生負輸出位準之前，第一訊號產生臂的不同電流拉曳能力的二開關元件可觸發而產生二正輸出位準。然而，在特定較佳實施例中，脈衝產生器配置為在二臂之間交替產生振盪輸出波形。藉此，在較佳實施例中，控制器配置為交替啟動第一訊號產生臂及第二訊號產生臂的開關元件，藉此產生振盪輸出。如前述，開關元件的大小及次序定義輸出脈衝的包絡。
不同脈衝波型可由此配置達成。舉例來說，具有衰減指數包絡(decaying exponential envelope)的振盪波形可藉由先觸發拉曳較高電流的開關元件後再觸發拉曳較低電流的開關元件等方式來達成。然而在某些較佳實施例中，控制器配置為以使每個訊號臂的連續開關元件所拉曳的電流先增後減的方式來啟動開關元件。此配置形成的輸出脈衝具有先提升至最大值後再次下降的振幅包絡(包絡之中具有振盪波形)。
在一範例中，該波形可具有線性上升振幅，藉此形成一個三角波形(或接續的二個三角波形)。然而，較佳配置是近似高斯包絡(Gaussian envelope)。藉此開關元件的開關次序(即預設順序)較佳配置為產生近似高斯微分脈衝波形(approximate Gaussian derivative pulse shape)。整個高斯包絡中發生的振盪次數會決定高斯微分脈衝的微分階級。可知的是在高頻率下，此近似值可相當粗劣，且 產生的訊號振幅可不如高斯包絡振幅精準。然而此近似值越近似，輸出脈衝的頻譜也越近似所需的頻譜。此高斯微分脈衝在超寬頻帶(UWB)應用上特別令人感到興趣，其可在規範的允許頻譜覆蓋範圍內使功率傳輸最大化。
如前述，單一或每個開關元件透過各自的電感器而連接至包含其的電路的高電位，例如VDD。電感器較佳連接於該高電位及各自的訊號產生臂的輸出端之間。此配置較佳用於n型裝置(例如NMOS裝置)。然而，可知其用於具有p型裝置(例如PMOS裝置)的等效電路時，電感器將位於開關元件與接地端之間。
在其它配置中，訊號產生臂的開關元件可做為源極隨耦器而不是共同源極。此意指電晶體的汲極將連接至VDD，而源極將提供輸出，且電感器將連接於源極及汲極之間。
較佳地，濾波器被提供於輸出端，以移除不需要的諧波。更高階的諧波可由開關元件產生。通常需要將這些諧波平滑而從輸出訊號中移除。在使用差動的實施例中，一個差動濾波器可被用於二訊號產生臂的輸出端。然而，可理解使用二個單端濾波器亦可被使用。
脈衝產生器較佳具有時序控制器的型態，以產生訊號來啟動及關閉(切換為開或切換為關)開關元件。該等訊號可由開放迴路延遲路徑產生。然而如前述，考量處理變化及溫度變化的一致性，其較佳係使用時脈訊號來改善時序精準度。時脈的使用比簡易開放迴路延遲路徑需要更多功率，此處描述的配置於功率損耗上的改善補償了時脈的內容，藉此可在其它功率規則中產生更精準的裝置。在較佳實施例中，控制器包含多相位時脈，其在複數個不同相位產生時脈訊號，其中不同相位配置為驅動開關元件。多重相位時脈產生器允許從單一較低頻率時脈中產生多個時脈相位，因此特別方便，每個時脈相位藉由一 短時序期間而各自獨立，藉此多重相位時脈產生器輸出的正緣(或負緣)頻率是基本時脈頻率的倍數。由功率損耗的觀點來看，基本時脈頻率被期望能盡可能地保持在低頻，而多重相位的使用允許高頻運作，如裝置(在此例中為開關元件)可被以時脈頻率倍數的觸發率來觸發。
多重相位時脈產生器可例如是相位鎖相迴路(phase locked loop，PPL)或延遲鎖相迴路(delay locked loop，DLL)，以使用輸入時脈訊號，並將其分為數個相同間隔的相位。每個相位訊號具有例如基本時脈頻率的相同頻率，但以基本時脈頻率的分數與鄰近相位分離。
在最簡易的範例中，開關元件的觸發次序可盡量簡化為將每個開關元件連接至多重相位時脈產生器的時脈相位(可能透過單擊裝置將開關元件的啟動時間限制為少於半個時脈週期)。然而，運作的改良可由施行略為複雜的配置來達成。藉此，每個開關元件較佳提供為具有致能邏輯，以基於一或多個時脈相位訊號來決定其開啟及關閉。致能邏輯可將一或多個時脈訊號結合及/或與其它輸入結合。舉例來說，整體致能訊號可被提供來確保脈衝僅會在需要時產生，而不會在每個時脈週期產生。此舉實質上允許脈衝傳輸在不使用時關閉，藉此節能。
多重時脈產生器的鄰近相位的時間間隔彼此接近的一個特殊優點是可產生短觸發脈衝來控制開關的啟動。藉此，致能邏輯較佳包含由時脈的二個相位訊號來驅動的單擊裝置。舉例來說，該單擊裝置可由具有其中一個輸入為負的及閘(AND gate)來形成。其二輸入取自二個鄰近的時脈相位，且其輸出為僅在輸入相位之間持續的延遲脈衝。較長的脈衝可因此由合併非鄰近脈衝來產生。
為了使時序控制更靈活，致能邏輯可包含多工器，其使用複數個時脈相位作為輸入，並且輸出選自該等輸入中的一或多個時脈相位。多工器的使用允許藉由選擇對應的時脈相位輸入使相關開關元件的啟動在時序上進行調整。在一些範例中，多工器可具有單一時脈相位輸出，但在其它範例中，特別是前述使用單擊的範例，多工器可有二輸出，較佳地是二個鄰近輸出(儘管非鄰近輸出可用於前述的較長單擊)。在一特別範例中，多工器可使用三個鄰近時脈相位作為輸入，並輸出選自該三個鄰近時脈的二個鄰近時脈相位輸入。
較佳地，多重相位時脈產生器的至少一相位(較佳為每個相位)被使用超過一次(在一些實施例中每個相位被使用二次)。較佳地，每個相位被使用於一正訊號產生臂及一負訊號產生臂的脈衝產生。此舉表示每個相位可能做為二個不同開關元件的觸發的一部分，其中一個開關元件位於正臂中，另一個位於負臂中。此舉使時脈相位的使用具有特別效果，其允許較小及較不複雜的多重相位產生器使用特定數量的脈衝。
特別在較佳配置中，致能邏輯包含極性輸入，其配置為在二個相反脈衝極性之間進行選擇。產生相反脈衝極性的能力特別有益於實現特定頻譜平滑技術，例如假亂數雙相位編碼(pseudo-random bi-phase coding)。在此技術中，假亂數位元串被產生，且脈衝串中的每個脈衝的相位是由位元串中所對應的位元的值來決定。對應的偵測器亦與位元串一起提供，其於回授訊號中找出脈衝的相位。
為了切換傳輸脈衝的極性，訊號的所有正部分必須反轉為負，反之亦然。因此在差動的實施例中，二訊號產生臂可實質地替換，藉此反轉差動輸出的極性。特定複數脈衝波型(complex pulse shapes)可能需要大量的邏輯來實 現。然而，在振盪訊號於相同(或至少相似)強度的正臂及負臂之間的開關元件之間交替的例子中，交替之樣式可藉由啟動具有相反訊號產生臂的順序而輕易地切換(因此脈衝極性可改變)。因此，在較佳配置中，致能邏輯配置為交替觸發第一訊號產生臂的開關元件及第二訊號產生臂的開關元件，且其中極性輸入配置為替換交替之樣式。
換句話說，開關順序始於負訊號產生臂而非正訊號產生臂，或反之亦然。順序中的每對開關(一個正開關及一個負開關)依此方式簡易地替換。
作為特定範例，在高斯微分脈衝的例子中，一個脈衝極性可始於P1、N1、P2、N2、P4、N4、…(P及N定義為正訊號產生臂及負訊號產生臂，且數字取決於電流拉曳功率)。與其對應的相反極性脈衝將始於N1、P1、N2、P2、N4、P4…，並可藉由交換第一個脈衝及第二個脈衝的次序、交換第三個脈衝及第四個脈衝的次序、交換第五個脈衝及第六個脈衝的次序等來達成。
特別地，在較佳實施例中，致能邏輯包含多工器，其使用複數個時脈相位做為輸入，並輸出選自該等輸入中的一或多個時脈相位，其中極性輸入係將選擇的輸入提供至多工器，藉此切換開關元件的時序。在選擇三個鄰近時脈相位的二個鄰近時脈相位的多工器例子中，極性輸入在第一選項及第二選項之間進行選擇，第一選項為多工器輸入的第一個及第二個鄰近相位，第二選項為第二個及第三個鄰近相位。二鄰近相位輸出可用以啟動如前述的單擊裝置。可知的是，此二選項藉由單一時脈相位改變觸發開關元件的時序。相同配置(具有相同輸入時脈相位)被用在相反訊號產生臂的對應的開關元件，但第一選項及第二選項的選擇將會不同，當第一選項被選於第一訊號產生臂時，第二選項會選於第二訊號產生臂，反之亦然。在較佳配置中，此方式可由極性輸入被 直接提供於第一訊號產生臂及第二訊號產生臂其中之一，且在施加至另外一者之前進行反轉來達成。
在單端的實施例中，極性亦可採用實質相同的機制來進行替換，即在半個開關頻率週期對每個開關元件的觸發進行時間位移。此方式有移動輸出脈衝的波峰至否則會是波谷之處，反之亦然。儘管此方式並非精確的脈衝反轉，其通常足以近似並提供所需的效果，使這些二極性可用於雙相相位編碼。
前述的配置無需特別複雜的致能邏輯，即單一開關僅使用少數邏輯閘。對於更加複雜的脈衝波型，更多邏輯將被需要而犧牲掉晶片區域，儘管此方式可能遠小於電感器所需要的面積。僅少量增加邏輯，致能邏輯可配置為定義出跨過多於多重相位時脈的單一時脈週期的單一脈衝波型。
在其它實施例中，藉由使用額外邏輯，從所有可用的開關元件中適當選擇開關元件，並仔細地選擇開關元件的適當強度(不同大小的電晶體)，高斯微分脈衝的不同微分階數可被選擇。微分階數由峰/谷的數量來決定，並因此執行的開關元件的數量產生脈衝。微分階數影響頻率寬度，並可改變以根據不同國家所使用的不同脈衝遮罩產生最佳用法。另外，脈衝的中心頻率可藉由調整多重時脈產生器的基本時脈頻率而改變，再次允許最佳化地佈滿可用頻譜。
輸出功率的總量亦可改變以產生可用頻譜的最佳用法。傳輸器(脈衝產生器)的輸出功率部分依賴脈衝重複頻率(pulse repetition frequency，PRF)(輸出功率依照PRF而線性分級)，並取決於操作條件。舉例來說，在脈衝雷達應用中，脈衝重複頻率可依照其所要偵測的範圍而改變。因此，可調整的脈衝產生器的功率輸出是有所需求的。
在一些較佳實施例中，每個第一訊號產生臂及第二訊號產生臂包含：複數個並聯的訊號產生臂，皆配置為透過分享的電感器拉曳電流，其中並聯臂的至少其中之一可被致能或禁能以改變脈衝產生器的輸出功率。藉由提供數個可選擇性地使用或不使用的並聯臂(或子臂或臂元件)，脈衝產生器的全部輸出功率可被改變。舉例來說，藉由一起運作二個或更多個並聯臂(藉由使用相同時脈訊號而完全同步)，該等臂皆同步地拉曳電流並使整體功率輸出增加。不同的並聯臂可產生相同功率。但亦可不同。舉例來說，在二個平行臂的其中一臂較另一臂多拉曳一倍的電流的情況下，單獨使用其中一臂或一起使用該二臂將產生三種可能的輸出功率。
此電路的其它較佳特色包括了輸出訊號可提供至不同天線，第一電感器及第二電感器可以是變壓器的獨立繞組，或第一電感器及第二電感器可形成自單一中心抽頭電感器。
根據其它觀點，本發明提供一種產生脈衝的方法，包含：依照預設順序啟動第一訊號產生臂的複數個開關元件，進而透過第一訊號產生臂的第一電感器拉曳電流，藉此在脈衝產生器的輸出端產生預設脈衝波形。
可知的是，任何前述關於裝置的較佳或選項的特徵亦可適用此方法。
特別的是，第一訊號產生臂的複數個開關元件可具有不同電流拉曳能力，使得該等開關元件在啟動時拉曳不同電流量。該方法更包含：依照預設順序啟動第二訊號產生臂的複數個開關元件，進而透過第二訊號產生臂的第二電感器拉曳電流，使第一訊號產生臂及第二訊號產生臂一起在脈衝產生器的輸出端產生預設脈衝波形。
第一訊號產生臂及第二訊號產生臂的開關元件可交替啟動，進而產生振盪輸出。開關元件可依照使每個訊號臂的連續開關元件所拉曳的電流先增後減的方式而啟動。預設順序可配置為產生近似高斯微分脈衝波形。
該方法可包含在複數個不同相位產生時脈訊號，以及自不同相位驅動開關元件。每個開關元件可提供致能邏輯，以基於一或多個時脈訊號而決定啟動與否。致能邏輯可包含由時脈的二相位訊號驅動的單擊裝置。致能邏輯可包含多工器，其使用複數個時脈相位做為輸入，並輸出選自輸入中的一或多個時脈相位。
該方法可包含經由致能邏輯的極性輸入選擇脈衝極性。第二訊號產生臂可被提供，且致能邏輯可配置為交替觸發第一訊號產生臂及第二訊號產生臂的開關元件，其中極性輸入配置為交換交替之樣式。極性輸入可直接提供至第一訊號產生臂及第二訊號產生臂之其中之一，且在被施加至另一個訊號產生臂之前反轉極性。
致能邏輯可定義為單一脈衝波形，其跨過多於該多重時脈的單一訊號時脈週期。
單一或每個訊號產生臂可包含：複數個並聯的訊號產生臂，所有訊號產生臂配置經由該分享的電感器拉曳電流，其中該方法包括致能或禁能該等並聯的訊號產生臂之至少之一，以改變該脈衝產生器的輸出功率。
2:觸發訊號
40:差動脈衝產生器
4:參考時脈訊號
6:時脈域同步器
8:多重相位時脈產生器
10:時脈閘控及緩衝電路
12:波形產生器
14:功率控制輸入
16:極性輸入
18:偏壓及匹配電路
20:輸出濾波器
22:輸出
30:單端脈衝產生器
32:第一訊號產生臂
34、44:開關元件
36、46:電感器
37:濾波器
38、48:電容器
39:電阻器
42:第二訊號產生臂
47:差動濾波器
49:匹配電阻
(F):時脈頻率
φ<1>至φ<M>:相位訊號
φ’<1>至φ’<M>:致能相位訊號
W1至WM:權重
52、62:單擊裝置
54、64:多工器
100:脈衝產生器
Vp1、Vn1、Vp2、Vn2、VpM及VnM:電壓波形
ipos、ineg:波形
56:正反器
現在將描述本發明的較佳實施例，其僅是舉例，並請同時參考圖式，其中： 圖1a顯示傳統的直流轉換傳輸器結構；圖1b顯示傳統的極性傳輸器結構；圖2顯示基本開關模式功率放大器電路；圖3示意顯示各電路元件的概要；圖4顯示簡易單端脈衝產生器；圖5顯示簡易差動脈衝產生器；圖6顯示時脈電路的細節；圖7顯示單端脈衝產生器的更多細節；圖8顯示差動脈衝產生器的更多細節；圖9顯示圖8電路的各節點上的訊號；圖10顯示相反極性的二個高斯微分脈衝的範例；以及圖11顯示可產生不同功率的單端脈衝產生器。
圖3示意地顯示電路的各種元件。在左側，用以觸發脈衝產生的觸發訊號2被接收。觸發訊號2藉由時脈域同步器(clock domain synchroniser)6而與參考時脈4同步。參考時脈訊號4亦用以驅動一多重相位時脈產生器8，其可為一多重相位PLL或類似者。多重相位時脈產生器8輸出十二個時脈相位(而在不同實施方式中，相位的數量理當可不同)。接著時脈閘控及緩衝電路10接收同步觸發訊號及多重時脈相位。其將進一步於圖6中進行說明。時脈閘控及緩衝電路10的輸出訊號被輸入至波形產生器12，波形產生器12是用於從時脈/觸發輸入中產生及塑造輸出脈衝波形的主要電路。波形產生器12具有功率控制輸入14，且在一些 實施例中，其亦可接收可用以改變輸出脈衝極性的極性輸入16。波形產生器12的輸出被輸入至偏壓及匹配電路18，並接著被輸入至輸出濾波器20。濾波器20的輸出22可傳遞至天線以進行傳輸。
波形產生器12、偏壓及匹配電路18及輸出濾波器20可以是單端或差動二者之一。
圖4顯示一種簡易單端脈衝產生器30。波形產生器12與偏壓及匹配電路18以虛線顯示。波形產生器12包含單一訊號產生臂32，單一訊號產生臂32包含M個電晶體(開關元件)34。在本實施例中，電晶體34是NMOS裝置，該等電晶體34的源極連接至接地端，且該等電晶體34的汲極彼此連接。所有汲極皆透過電感器36而連接至Vdd。因此電感器36提供放大器負載。電感器36不消耗任何直流功率而有助於電路的功率效益(如非線性運作，即軌對軌(rail-to-rail)切換輸入至開關元件)。電容38可以是專用的元件，或其可簡易提供電路節點所發生的寄生電容(例如裝置及路徑寄生)。無論何種方式，電容器38及電感器36一起形成振盪器以調整開關頻率，進而當開關元件34被觸發，共振電路造成電感器36及電晶體汲極之間的輸出電壓在接地與2xVDD之間擺盪。電阻器39僅用於阻抗匹配之目的。輸出脈衝波形被傳遞至單端濾波器37以用於傳輸。開關元件34具有不同大小或分量W1,W2,…WM，故該等開關元件34具有不同電流拉曳能力。因此一些開關元件34在啟動時將比其它者拉曳更多電流。此方式將塑造波形的包絡。此塑造難以編碼置入波形產生器中(儘管如前述，一些改變或程式化能力可由透過可改變觸發時序及/或順序的額外邏輯來實現)，並因此實施上載波及調變將藉由相同開關電路12來執行。
圖5與圖4相似，但顯示一種差動脈衝產生器40。除了關於圖4所述的單端元件之外，差動脈衝產生器40亦具有第二訊號產生臂42，第二訊號產生臂42包含複數個開關元件44，且與第一訊號產生臂32的配置相似。二訊號產生臂32、42一起組成波形產生器12。第二訊號產生臂42具有其自身的電感器46，並以與第一電感器36相同的方式運作來放大來自第二訊號產生臂42的訊號。此處第一訊號產生臂32的電流顯示為irf-pos，且第二訊號產生臂42的電流顯示為irf-neg。二訊號產生臂34、42的輸出形成差動輸出，並輸入至差動濾波器47，差動濾波器47交替產生可例如由差動天線進行傳輸的差動輸出。圖4的偏壓及匹配電路18亦與圖3的偏壓及匹配電路18相似，而二訊號產生臂32、42則分享電容器48及匹配電阻49。
在一替代實施例中，差動濾波器47可由二個單端濾波器取代。
在圖4及圖5中，為使圖式清楚，開關元件的輸入部分已被省略。之後將更詳細說明此部分。
圖6顯示用以啟動開關元件34、44的時序訊號的產生。多重相位時脈產生器8具有時脈頻率(F)以鎖住時脈來源，時脈來源例如是晶體振盪器、微機電系統(MEMS)振盪器、電感電容(LC)振盪器、弛緩振盪器或類似元件。多重相位時脈產生器8通常施行DLL或PLL，以將時脈週期分為多個等量的相位，以產生用於每個相位的個別時脈相位訊號。每個時脈相位訊號具有相同時脈頻率F，但各自從基本時脈訊號進行相位位移。M個相位訊號φ<1>,φ<2>,φ<3>,…,φ<M>與由時脈域同步器6所提供並閘控多重時脈產生器8的輸出時脈相位的一致能訊號進行及運算(ANDed)，因此僅在接收到觸發訊號時，該等相位訊號才被分配至波形產生器。如圖9所示，致能訊號的高電位僅會與輸出時脈相位的單一 期間的高電位一致。當致能訊號結束(或轉為低電位)，將不會存在用於啟動開關元件的脈衝。致能相位訊號與原始時脈相位輸出相同，但為了將二者區別，致能相位訊號將標示角分符號(prime)，如下：φ’<1>,φ’<2>,φ’<3>,…,φ’<M>。這些致能輸出將輸入至波形產生器12。
可理解的是，脈衝產生器所產生的波形的中心頻率是由開關元件34、44的頻率來決定，且開關元件34、44的頻率較基本時脈頻率(F)高出M/2因子，M為時脈相位的數量及每個訊號產生臂32的開關元件的數量。因此多重時脈產生器8允許脈衝產生器產生具有更高中心頻率的脈衝而無須一個高基本時脈頻率。
圖7顯示如圖4所示的單端脈衝產生器，但顯示用於開關元件34的觸發機制。圖8顯示與圖7相似的差動版本。圖8將在必要之處詳細描述與圖7的差異。
圖8顯示脈衝產生器100的電路圖。脈衝產生器100包含二訊號產生臂；分別是第一(正)訊號產生臂32及第二(負)訊號產生臂42(圖7為單端架構，僅具有第一訊號產生臂32)。第一訊號產生臂32透過第一電感器36而連接至VDD。第二訊號產生臂42透過第二電感器46而連接至VDD(其為圖4及圖5所示的偏壓及匹配電路18的一部分)。第一訊號產生臂32具有為N型金屬氧化物場效電晶體(NMOSFET)形式的M個開關元件34(各自具有分量W1至WM)，每個開關元件34具有連接至電感器36的汲極以及連接至接地端的源極(如圖4及圖5所示)。該等開關元件34具有不同強度(分量)，並因此具有不同電流拉曳能力。此特性可透過NMOS裝置的適當大小而於製程時刻達成。
每個開關元件34由單擊裝置52來驅動，單擊裝置52例如是由具有反相輸入端的及閘(AND gate)形成。單擊裝置52的輸入是由鄰近的時脈相位訊號 提供，而較先的相位提供至非反相輸入端，較後的相位提供至反相輸入端，因此及閘僅會於較先時脈相位輸入的正緣及較後時脈相位輸入的正緣之間啟動開關元件34。
提供至單擊裝置52的時脈相位並非硬編碼(hard-coded)至此範例的電路中(儘管在其它範例中可進行硬編碼)，而是藉由多工器54的方式而可進行選擇。在此範例中，每個多工器54具有三個可選擇的輸入，並將該等輸入中的其中二個做為輸出。在此範例中，每個多工器54的三個輸入是鄰近的時脈相位輸入(儘管第一訊號產生臂32的每個多工器54具有不同組的三個時脈相位做為輸入)。在此範例中，用於正訊號產生臂上的第一個開關元件(具有分量W1及閘電壓Vp1)的多工器54係使用週期中的前三個時脈相位φ’<1>、φ’<2>及φ’<3>做為輸入，並根據其選擇輸入來輸出其中前二個相位φ’<1>、φ’<2>或後二個相位φ’<2>、φ’<3>。(如前述，這些時脈相位實際為致能時脈相位訊號)。第一訊號產生臂32上用於第二個開關元件(具有分量W2及閘電壓Vp2)的下一個多工器54係使用週期中的第三至第五個時脈相位φ’<3>、φ’<4>及φ’<5>做為輸入，並根據其選擇輸入來輸出其中前二個相位φ’<3>、φ’<4>或後二個相位φ’<4>、φ’<5>。因此第二個開關元件是在第一個開關元件啟動的後續時間階段啟動。第一(正)訊號產生臂32的每個開關元件採用相似的配置，彼此在時間上等間距，並具有一時間間隔於相鄰的正開關元件34的啟動之間。第二(負)訊號產生臂42的所有開關元件亦採用相似的配置。
第一(正)訊號產生臂32的所有多工器54的選擇器輸入是使用共同輸入，稱之為極性輸入16。當極性輸入16是低狀態時(指示輸出脈衝的第一極性)，所有多工器54皆從它們的三個輸入中選擇前二個相位。當極性輸入16是高 狀態時(指示輸出脈衝的第二(相反)極性)，所有多工器45皆從它們的三個輸入中選擇後二個相位。因此，當極性輸入16由低狀態變成高狀態時，第一(正)訊號產生臂32的所有開關元件34在時脈週期的相位上向後移動一個時隙(slot)。
第二(負)訊號產生臂42與第一(正)訊號產生臂32一致，儘管此處第二(負)訊號產生臂42與第一(正)訊號產生臂32為鏡像配置。然而，極性輸入16通過正反器56，使得與提供至第一訊號產生臂32的多工器54的訊號極性相反的選擇訊號提供至第二訊號產生臂42中的多工器64。如此使得當第一訊號產生臂32的多工器54於較先的二個可能的時隙啟動各自的開關元件34時，第二訊號產生臂42的對應(鏡像)的多工器64將於較後的二個可能的時隙啟動各自的開關元件44。當極性訊號16反轉時，此情況亦會反轉，使得第一訊號產生臂32較後產生脈衝，而第二訊號產生臂42較先產生脈衝。
可知的是，此配置中，多重相位時脈產生器8的每個相位被使用二次(即相位重複使用)，一次用於正臂以產生正脈衝，一次用於負臂以產生負脈衝。舉例來說，如圖9所示，φ<2>被使用於產生Vp1的負緣以及Vn1的正緣。此方式使得時脈相位被有效率的使用，每個相位被使用多於一次將最小化多重相位時脈產生器所需的複雜度。
由前述可知，對特定的極性訊號16而言，第一訊號產生臂32的開關元件34及第二訊號產生臂42的開關元件44交替啟動，進而產生振盪輸出波形。極性輸入16決定二臂32、42的訊號是否以交錯的方式由正臂32啟動或由負臂42啟動，並因此允許脈衝產生器100藉由設定極性輸入16而簡單地產生相反極性的一致性脈衝。
此範例中，開關元件34、44的強度被設定以產生高斯微分波形，即開關元件34、44的強度(分量)形成定義振盪波形振幅的高斯包絡。因此，分量W1及WM相對其它分量較低(其設計用於在這些開關元件34、44啟動時產生較低振幅振盪)，分量W2及WM-1比分量W1及WM高，並依此類推，在序列中間會具有近似高斯曲線的最大振幅。圖10顯示二相反脈衝極性的範例，此範例具有彼此交疊的二相反極性，使得其中一波形的波峰對應另一波形的波谷。
圖9顯示差動脈衝產生器電路的各節點的訊號時序圖。請同時參考圖6及圖8。在圖9的頂側，觸發訊號(TRIGGER)2具有觸發脈衝產生順序的正緣。圖9顯示二個正緣。參考時脈訊號(REFCLK)4不對應觸發訊號2啟動，但時域同步器6確保在觸發訊號2的正緣之後，參考時脈訊號(REFCLK)4的處理會開始進行。具有與多重相位時脈產生器8的時脈相位φ<1>相同且具有二倍期間(即高位準半周期跨過φ<1>的高位準及低位準週期)的相位的致能訊號(Enable)被產生。在其它實施例中，致能訊號原則上可具有任何延續，只要其正緣及負緣皆與φ<n>的其中之一同步即可。極性訊號(POLARITY)定義將被輸出的脈衝的極性。在圖9中，極性訊號於第二個觸發訊號時由低位準轉為高位準，使得圖9的左手側產生一極性，右手側產生相反極性。
時脈相位φ<1>至φ<M>被呈現，每個時脈相位具有相同時脈頻率，但各自相位在時序上逐步位移。基於如前述的二鄰近時脈相位訊號，單擊52輸出短觸發脈衝。用於開關元件34、44的單擊脈衝的電壓波形Vp1、Vn1、Vp2、Vn2、VpM及VnM顯示於圖9中。此處可知極性訊號的影響；在圖9的左手側，脈衝順序起始於正臂(Vp1)，接著負臂(Vn1)，接著正臂(Vp2)…等，而在圖9的右手側，脈衝順序起始於負臂(Vn1)，接著正臂(Vp1)，接著負臂(Vn2)…等。這些觸發 順序結合開關元件34、44的相異分量的影響可由ipos及ineg的波形得知。可再次得知，在左手側是由ipos起始，接著才是ineg，而右手側則是由ineg起始，接著才是ipos。差動訊號的最終輸出可示為RFOUT_P-RFOUT_N，其清楚顯示二個不同極性的近似高斯微分脈衝，各自顯示於圖的左手側及右手側。
圖11顯示與圖4及圖7相似的單端脈衝產生器100。然而除了這些圖式所示的結構，脈衝產生器100具有由二並聯訊號產生臂32及70所提供的可程式化輸出功率。該單擊52現在驅動另一及閘72。及閘72的其它輸入是功率控制訊號(POWER_CONTROL<x>)，在此實施例中是POWER_CONTROL<0>(用於訊號產生臂32)或POWER_CONTROL<1>(用於訊號產生臂70)二者之一。可知的是，此方式可輕易拓展而包括其它選項。電晶體的寬度(大小)被分級，使得來自同組時脈相位的第二組電晶體74具有第一組電晶體34的二倍寬度。可知的是，其它電晶體大小的比值亦可被使用。
致能POWER_CONTROL<0>僅產生相對功率為1的輸出脈衝，致能POWER_CONTROL<1>僅產生相對功率為2的輸出脈衝，當一併致能POWER_CONTROL<0>及POWER_CONTROL<1>僅產生相對功率為3(=2+1)的輸出脈衝。禁能POWER_CONTROL<0>及POWER_CONTROL<1>不產生輸出脈衝。須注意的是，所有電晶體的輸出端(汲極)連接相同節點，因此透過相同電感器36拉曳電流。
16:極性輸入
18:偏壓及匹配電路
20:輸出濾波器
22:輸出
32:第一訊號產生臂
34、44:開關元件
42:第二訊號產生臂
52:單擊裝置
54、64:多工器
56:正反器
62:單擊裝置
100:脈衝產生器
Vp1、Vn1、Vp2、Vn2、VpM及VnM:電壓波形
φ’<1>至φ’<M>:致能相位訊號
ipos、ineg:波形

Claims (41)

  1. 一種脈衝產生器，包含：一第一訊號產生臂，包括一第一電感器及複數個開關元件，該等開關元件各自配置為透過該第一電感器拉曳電流；以及一控制器，配置為以一預設順序啟動該等開關元件，進而在一脈衝產生器輸出端產生一預設脈衝波形。
  2. 如請求項1所述之脈衝產生器，其中：該第一訊號產生臂中的該等開關元件配置為拉曳不同電流量。
  3. 如請求項2所述之脈衝產生器，其中該等開關元件為電晶體，且每個電晶體的電流拉曳能力係由電晶體的大小來定義。
  4. 如請求項1、2或3所述之脈衝產生器，更包含：一第二訊號產生臂，包括一第二電感器及複數個開關元件，每個開關元件透過該第二電感器拉曳電流；以及其中，該控制器配置為以一預設順序啟動該第一訊號產生臂及該第二訊號產生臂的該等開關元件，進而在該第一訊號產生臂的一第一脈衝產生器輸出端及該第二訊號產生臂的一第二脈衝產生器輸出端之間產生做為一差動訊號的一預設脈衝波形。
  5. 如請求項4所述之脈衝產生器，其中該控制器配置為交替地啟動該第一訊號產生臂及該第二訊號產生臂的該等開關元件，進而產生一振盪輸出。
  6. 如請求項4所述之脈衝產生器，其中該控制器配置為依照使每個訊號臂的連續開關元件所拉曳的該電流先增後減的方式來啟動該等開關元件。
  7. 如請求項1、2或3所述之脈衝產生器，其中該預設順序配置為產生一近似高斯微分脈衝波形(approximate Gaussian derivative pulse shape)。
  8. 如請求項1、2或3所述之脈衝產生器，其中每個開關元件透過各自的該電感器而連接至一高電壓軌(high voltage rail)。
  9. 如請求項1、2或3所述之脈衝產生器，更包含一濾波器，其提供於該輸出端以移除不需要的諧波。
  10. 如請求項1、2或3所述之脈衝產生器，其中該控制器包括一多重相位時脈以在複數個不同相位上產生一時脈訊號，且其中該等不同相位配置為驅動該等開關元件。
  11. 如請求項10所述之脈衝產生器，其中每個開關元件具有致能邏輯，以基於一或多個時脈相位訊號來決定該開關元件的啟動或不啟動。
  12. 如請求項11所述之脈衝產生器，其中該致能邏輯包含由該時脈的二相位訊號驅動的一單擊裝置。
  13. 如請求項11所述之脈衝產生器，其中該致能邏輯包含一多工器，其使用複數個時脈相位做為輸入，且輸出選自該等輸入中的一或多個時脈相位。
  14. 如請求項13所述之脈衝產生器，其中該多工器使用複數個鄰近的時脈相位做為輸入。
  15. 如請求項14所述之脈衝產生器，其中該多工器輸出至少二個鄰近的時脈相位。
  16. 如請求項10所述之脈衝產生器，其中在產生該脈衝波形時，該多重相位時脈產生器的至少一相位被使用超過一次。
  17. 如請求項16所述之脈衝產生器，其中在脈衝產生時，該多重相位時脈產生器的每個相位被同時用於一正訊號產生臂及一負訊號產生臂。
  18. 如請求項11所述之脈衝產生器，其中該致能邏輯包含一極性輸入，其配置為在二個相反脈衝極性之間進行選擇。
  19. 如請求項18所述之脈衝產生器，更包含：一第二訊號產生臂，包括一第二電感器及複數個開關元件，每個開關元件配置為透過該第二電感拉曳電流；以及其中該致能邏輯配置為交替地觸發該第一訊號產生臂及該第二訊號產生臂的開關元件，且其中該極性輸入配置為交換交替之樣式。
  20. 如請求項19所述之脈衝產生器，其中該致能邏輯包含一多工器，其使用複數個時脈相位做為輸入，且輸出選自該等輸入中的一或多個時脈相位，以及其中該極性輸入提供選擇之輸入至該多工器，藉此切換該等開關元件的時序。
  21. 如請求項20所述之脈衝產生器，其中該極性輸入係直接提供給該第一訊號產生臂及該第二訊號產生臂其中之一，並且在施加至另一訊號產生臂之前反轉極性。
  22. 如請求項11所述之脈衝產生器，其中該致能邏輯配置為定義一單一脈衝波形，跨過多於該多重相位時脈的一單一時脈週期。
  23. 如請求項1、2或3所述之脈衝產生器，其中該訊號產生臂或每個訊號產生臂包含： 複數個並聯的訊號產生臂，皆配置為透過該分享的電感器拉曳電流，其中該等並聯的訊號產生臂之至少之一可致能或禁能以改變該脈衝產生器的輸出功率。
  24. 如請求項1、2或3所述之脈衝產生器，更包含一第二訊號產生臂，其包括一第二電感器及複數個開關元件，每個開關元件配置為透過該第二電感器拉曳電流；以及其中該第一電感及該第二電感為一變壓器的獨立繞組。
  25. 如請求項1、2或3所述之脈衝產生器，更包含一第二訊號產生臂，其包括一第二電感器及複數個開關元件，每個開關元件配置為透過該第二電感器拉曳電流；以及其中該第一電感器及該第二電感器係形成自一單一中心抽頭電感器。
  26. 如請求項1、2或3所述之脈衝產生器，其中該第一電感器為晶片上電感器，而該第二電感器可為晶片上電感器。
  27. 一種產生脈衝的方法，包含：以一預設順序啟動一第一訊號產生臂的複數個開關元件，藉此透過該第一訊號產生臂的一第一電感器拉曳電流，並因此在一脈衝產生器的輸出端產生一預設脈衝波形。
  28. 如請求項27所述之方法，其中：該第一訊號產生臂中的該等開關元件具有不同的電流拉曳能力，以在啟動時拉曳不同的電流量。
  29. 如請求項27或28所述之方法，更包含：以一預設順序啟動一第二訊號產生臂的複數個開關元件，藉此透過該第二訊號產生臂的一第二電感器拉 曳電流，該第一訊號產生臂及該第二訊號產生臂一起在一脈衝產生器的輸出端產生一預設脈衝波形。
  30. 如請求項29所述之方法，其中該第一訊號產生臂及該第二訊號產生臂的該等開關元件係交替啟動，藉此產生一振盪輸出。
  31. 如請求項29所述之方法，其中該等開關元件係依照使每個訊號臂的連續開關元件所拉曳的電流先增後減的方式而啟動。
  32. 如請求項27或28所述之方法，其中該預設順序配置為產生一接近高斯微分脈衝波形。
  33. 如請求項27或28所述之方法，更包含在複數個不同相位產生一時脈訊號，以及於該等不同相位驅動該等開關元件。
  34. 如請求項33所述之方法，其中每個開關元件具有致能邏輯，以基於一或多個時脈相位訊號來決定該開關元件的啟動或不啟動。
  35. 如請求項34所述之方法，其中該致能邏輯包含由該時脈的二相位訊號驅動的一單擊裝置。
  36. 如請求項34所述之方法，其中該致能邏輯包含一多工器，其使用複數個時脈相位做為輸入，並從該等輸入中選擇輸出一或多個時脈相位。
  37. 如請求項34所述之方法，更包含經由該致能邏輯的一極性輸入來選擇一脈衝極性。
  38. 如請求項37所述之方法，其中一第二訊號產生臂被提供，且其中該致能邏輯配置為交替地觸發該第一訊號產生臂及該第二訊號產生臂的開關元件，且其中該極性輸入配置為交換交替之樣式。
  39. 如請求項38所述之方法，其中該極性輸入係直接提供至該第一訊號產生臂及該第二訊號產生臂之其中之一，且在被施加至另一個訊號產生臂之前反轉極性
  40. 如請求項34所述之方法，其中該致能邏輯定義一單一脈衝波形，跨過多於該多重時脈的一單一訊號時脈週期。
  41. 如請求項27或28所述之方法，其中該訊號產生臂或每個訊號產生臂包含：複數個並聯的訊號產生臂，所有訊號產生臂配置經由該分享的電感器拉曳電流，其中該方法包括致能或禁能該等並聯的訊號產生臂之至少之一，以改變該脈衝產生器的輸出功率。
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