TWI764219B - 適用於毫米波裝置之發射器單元 - Google Patents

適用於毫米波裝置之發射器單元

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Abstract

本發明係關於具有效率增加的發射器，例如可用在毫米波裝置中。一種半導體裝置，包括發射器，包括：調變器，被配置為接收具有第一頻率的差分輸入信號並提供具有該第一頻率和第一時脈相位的差分調變信號；包括一個或多個倍頻器的串聯，其中，該串聯的倍頻器被配置為接收該差分調變信號並提供具有大於該第一頻率的第二頻率以及具有第二時脈相位的差分第二信號；以及輸出變壓器，被配置為接收該差分第二信號並將該差分第二信號轉換為單端輸出信號。使用這種發射器的方法。用於製造包括這種發射器的裝置的系統。

Description

適用於毫米波裝置之發射器單元
一般而言，本發明係關於複雜的半導體裝置，更具體而言，關於適用於毫米波裝置的發射器單元。
在使用毫米(mm)波信號的裝置方面已經取得了許多進展。關於毫米波應用的半導體裝置包括基於約30千兆赫茲(Gigahertz；GHz)到約300GHz的無線電頻帶頻率的電磁頻譜來工作的裝置。毫米波無線電波的波長在1毫米(mm)到約10mm的範圍內。這一頻段有時被稱為極高頻(EHF)頻帶範圍。毫米波應用的實例包括雷達裝置、高速通信裝置(例如無線千兆位(wireless gigabit；WiGig)裝置)等。雷達裝置已在各種應用中實現，如車輛安全和自動化應用。
在為這些應用設計電路時，實現毫米波應用帶來了許多挑戰。例如，毫米波裝置(例如車載雷達裝置、5G電信裝置等)中的調頻連續波(FMCW)發射器可能會遭受輸出功率效率低下的困擾。
期望具有可以提高效率的FMCW發射器。
以下給出了本發明的簡要概述，以便提供對本發明的某些方面的基本理解。該概述不是本發明的窮舉性概述，其並非旨在標識本發明的關鍵或重要元件或描述本發明的範圍。其唯一目的是以簡化的形式提出一些概念，作為稍後討論的更詳細描述的序言。
在一實施例中，本發明是針對一種半導體裝置，包括發射器，包括：調變器，被配置為接收具有第一頻率的差分輸入信號並提供具有該第一頻率以及第一時脈相位的差分調變信號；串聯，包括一個或多個倍頻器，其中，該串聯的倍頻器被配置為接收該差分調變信號並提供具有大於該第一頻率的第二頻率以及具有第二時脈相位的差分第二信號；以及輸出變壓器，被配置為接收該差分第二信號並將該差分第二信號轉換為單端輸出信號。
在一實施例中，本發明是針對一種方法，包括接收具有第一頻率的差分輸入信號；提供具有該第一頻率和第一時脈相位的差分調變信號；乘以該差分調變信號以產生具有大於該第一頻率的第二頻率並且具有第二時脈相位的差分第二信號；將該差分第二信號轉換為單端輸出信號；以及發射該單端輸出信號。
在一實施例中，本發明是針對一種製造系統，其被配置為製造半導體裝置，例如上述提及的該半導體裝置。
本文中的實施例可以提供具有增加效率的毫米波發射器單元。
100:系統、毫米波裝置
110:毫米波裝置、雷達裝置、裝置
120:雷達前端單元
130:天線單元
140:控制器單元
150:信號處理單元
170:資料庫
210:記憶體單元
212:RAM
214:非揮發性記憶體
220:邏輯單元
230:處理器單元
310:信號產生單元
320:發射器單元
330:接收器單元
410:發射器、第一組發射器、第二組發射器
410a-410n:第一發射器至第N發射器
510a-510n:第一接收器至第N接收器
610:類比濾波器單元
620:A/D轉換器
630:DSP單元
640:記憶體
710:發射天線
715:發射天線部分
720:接收天線
725:接收天線部分
810:調頻連續波產生器、FMCW產生器
812:參考信號產生器
820:數位鎖相環、DPLL
825:數位控制振盪器、DCO
827:低壓差調節器、LDO調節器
830:第一倍頻器、倍頻器
832:第二倍頻器、倍頻器
835:第三倍頻器、倍頻器
840:功率放大器
842:功率檢測器
850:巴倫電路
852:前置放大器
860:混頻器
865:ABB
868:濾波器電路
870:A/D轉換器
872:飽和檢測電路
905:環形振盪器
906:開關電路
907a-907d:射頻開關、RF開關
910:緩衝器
910a-910d:級
915m:反相器
915p:反相器
920:頻道
922:BPSK調變器
924:第一倍頻器、倍頻器
925:第二倍頻器、倍頻器
926:注入鎖定功率放大器、ILPA
928:功率放大器
930:變壓器
932:初級繞組
934:次級繞組
935:輸出子電路
940:控制器
1110a-1110b:電容器
1120a-1120b:電阻器
1122a-1122b:電阻器
1124a-1124b:電阻器
1130a-1130b:電晶體
1200:方法
1210-1250:步驟
1300:系統
1310:半導體裝置處理系統
1312:介面
1314:處理工具
1315:積體電路、裝置、晶圓
1316:計量工具
1320:處理控制器
1340:積體電路設計單元
1350:傳送機構
藉由參考以下結合附圖的描述，可以理解本發明，其中，相同 的元件符號表示相同的元件，其中：
圖1示出了根據本文實施例的毫米波雷達系統的一實施例框圖；
圖2示出了根據本文實施例的控制器單元140的實施例框圖；
圖3示出了根據本文實施例的圖1的雷達前端單元的實施例框圖；
圖4示出了根據本文實施例的圖3的發射器單元的實施例框圖；
圖5示出了根據本文實施例的圖3的接收器單元的實施例框圖；
圖6示出了根據本文實施例的圖1的信號處理單元的實施例框圖；
圖7示出了根據本文實施例的圖1的天線單元的實施例框圖；
圖8示出了根據本文實施例的圖1的系統的示例性雷達應用的實施例框圖；
圖9A示出了根據本文實施例的具有二進制相移鍵控(BPSK)調變的發射器的實施例框圖；
圖9B示出了根據本文實施例的具有BPSK調變的替代發射器的實施例框圖；
圖10A示出了根據本文實施例的BPSK調變器的實施例框圖；
圖10B示出了根據本文實施例的適用於包括兩個倍頻器的發射器中使用的開關電路的實施例框圖；
圖10C示出了根據本文實施例的適用於包括一個倍頻器的發射器中使用的開關電路的實施例框圖；
圖11A示出了根據本文實施例的差分射頻(RF)開關的實施例電路圖；
圖11B示出了根據本文實施例的具有浮動背閘的差分RF開關的實施例電路圖；
圖12示出了根據本文實施例的方法的流程圖；以及
圖13示出了根據本文實施例的用於製造半導體裝置的系統的實施例圖。
雖然本文所披露的主題容易受到各種修改和替代形式的影響，但是具體實施例已經在附圖中以示例的方式予以示出，並在本文中被詳細描述。然而，應當理解，本文中對具體實施例的描述並不是為了將本發明限定於所披露的特定形式，相反，其旨在涵蓋所附申請專利範圍所限定的本發明的精神和範圍內的所有修改、等效物和替換物。此外，附圖中所示的實施例描述並不是按任何絕對比例繪製的。
下面描述本發明的各種說明性實施例。為了清楚起見，本說明書中並沒有描述實際實現的所有特性。當然，應當認識到，在任何此類實際實施例的開發過程中，必須做出許多實現特定的決策，以實現開發人員的特定目標，例如，遵守系統相關和業務相關的約束，這些約束將因實現而異。此外，應當認識到，這樣的開發工作可能是複雜和耗時的，但是對於受益於本發明的普通技術人員來說，這將是一項常規工作。
現將參考附圖說明本主題。在附圖中示意性地描述了各種結 構、系統和裝置，僅出於解釋的目的，且不使用本領域技術人員熟知的細節來掩蓋本發明。然而，所包括的附圖用於描述和解釋本發明的說明性實施例。本文中使用的詞語和短語應被理解和解釋為具有與相關技術領域技術人員對這些詞語和短語的理解相一致的含義。對於術語和短語的特殊定義，即不同於本領域技術人員所理解和慣常含義的定義，並不打算通過本文中術語或短語的一致用法來暗示。在某種程度上，術語和短語意在具有特殊含義，即，除了技術熟練的技術人員所理解的含義之外，這種特殊定義將以直接和明確地提供術語或短語的特殊定義的方式在說明書中予以明確闡述。
本文的實施例提供了具有改善效率的毫米波發射器。本文的實施例提供了二進制相移鍵控(BPSK)調變器，其被佈置在發射鏈(transmit chain)的早期，並且對具有比最終發射率頻率更低的頻率的信號進行操作。可以使用完全耗盡的絕緣體上矽(FDSOI)製程來形成本文實施例中描述的電晶體裝置。
為了便於說明，本文的實施例是在雷達裝置的背景下描述的，然而，本領域技術人員應當理解，本文所披露的概念可以在其他類型的裝置中實現，例如雷達裝置、網絡裝置、高清晰度裝置等。現轉至圖1，其示出了根據本文實施例的毫米波系統的示例性框圖。
系統100可以包括毫米波裝置110和資料庫170。毫米波裝置110可以是雷達裝置或可替換地是無線通信裝置、資料網絡裝置、視頻裝置等。為了說明的目的並為了清楚和易於描述，在雷達應用的背景下描述毫米波裝置110；因此，毫米波裝置110在下文中也可被稱為雷達裝置110。然而，受益於本發明的本領域技術人員將理解，本文所描述的概念可應用於各種類型的 毫米波應用，包括無線網絡應用、資料網絡應用、視頻和音頻應用等。
雷達裝置110能夠發射第一雷達信號，接收第二雷達信號並處理該第二雷達信號。
毫米波裝置110可以包括雷達前端單元120、天線單元130、控制器單元140和信號處理單元150。雷達前端單元120可以包括多個組件、電路、和/或模組，並且能夠發送、接收、處理雷達信號。在一實施例中，毫米波裝置110可以被包括在單積體電路(IC)晶片中。在一些實施例中，毫米波裝置110可形成在位於單IC晶片上的多個積體電路上。在其他實施例中，毫米波裝置110可以形成在單積體電路上，該積體電路被覆罩在IC晶片中。
雷達前端單元120能夠提供輸出信號，例如第一雷達信號。在一實施例中，由毫米波裝置110處理的雷達信號的頻率範圍可以在大約10GHz到大約90GHz的範圍內。在圖3及下述隨附描述中提供了對雷達前端單元120的更詳細的描述。
繼續參考圖1，天線單元130還可包括發射天線和/或接收天線。此外，每個發射天線和接收天線可包括子部分以形成天線陣列。發射天線用於發射第一雷達信號，而接收天線用於接收第二雷達信號。在圖7和下述隨附描述中提供了天線單元130的更詳細描述。
繼續參考圖1，毫米波裝置110還可以包括信號處理單元150，信號處理單元150能夠對毫米波裝置110發射和/或接收的信號執行各種類比和/或數位處理。例如，由毫米波裝置110發射的第一雷達信號可以在其發射之前被放大。此外，由毫米波裝置110接收的第二雷達信號可以藉由一個或多個類比濾波級(analog filter stage)發送。然後，接收的雷達信號可以藉由信號處理 單元150中的一個或多個類比至數位轉換器(ADC)轉換為數位信號。數位信號處理(DSP)可以對數位化信號執行。在圖6和和下述隨附描述中提供了信號處理單元150的更詳細描述。
繼續參考圖1，毫米波裝置110還可以包括控制器單元140。控制器單元140可以執行毫米波裝置110的各種控制操作。這些功能包括產生雷達信號，發射雷達信號，接收傳入的雷達信號，以及處理該傳入的雷達信號。
現轉至圖2，根據本文的實施例，提供了控制器單元140的一實施例框圖。控制器單元140可以包括能夠控制裝置110的各種功能的處理器單元230。處理器單元230可以包括微處理器、微控制器、現場可編程閘陣列(FPGA)、專門積體電路(ASIC)等。
控制器單元140也可包括邏輯單元220。邏輯單元220可以包括能夠執行各種邏輯操作、接收資料、和或執行與輸入資料(data_in)和輸出資料(data_out)有關的介面功能的電路。信號data_in可以表示從處理和分析接收到的雷達信號中導出的資料。信號data_out可以表示為發射的雷達信號產生的資料。
控制器單元140還可以包括記憶體單元210。記憶體單元210可以包括非揮發性記憶體214和RAM 212。非揮發性記憶體214可以包括快閃記憶體和/或可編程唯讀(PROM)裝置。記憶體單元210能夠儲存用於控制裝置110的操作的操作參數。記憶體單元210還可儲存用於對毫米波裝置110中的任何FPGA裝置進行編程的資料。因此，記憶體單元210可細分為程式資料記憶體(program data memory)、狀態資料記憶體和反應資料記憶體。這種細分可以邏輯性的執行，也可以物理性的執行。
現轉至圖3，示出了根據本文實施例的雷達前端單元120的實施例框圖。雷達前端單元120可以包括信號產生單元310、發射器單元320、和接收器單元330。信號產生單元310能夠以預定頻率產生雷達信號。例如，可產生在約70GHz至約85GHz範圍內的信號。信號產生單元310能夠提供用於發射的雷達信號。下面將提供信號產生單元310的更詳細描述。
繼續參考圖3，由信號產生單元310向發射器單元320提供用於處理和發射的信號。發射器單元320可以包括用於處理來自信號產生單元310的信號的多個濾波器、信號調節電路、緩衝器、放大器等。發射器單元320提供要發射到天線單元130的雷達信號。
BPSK調變器922可以執行背閘偏壓以執行相位調整。在一些實施例中，BPSK調變器922可以實現在每個發射器410的每個頻道920上。此可用於校準不同發射頻道的異相失配(out phase mismatch)和/或功率合成器本身內的異相失配。在一些實施例中，每個頻道的輸入信號可以藉由調整BPSK調變器922的背閘偏壓電晶體裝置的DC電壓來提前或延遲。在圖9A和圖9B以及下述隨附描述中將說明BPSK調變器922。
圖4示出了根據本文實施例的發射器單元320的實施例框圖。一併參考圖3和圖4，發射器單元320可以包括多個相似的發射器，即，第一發射器410a、第二發射器410b、至第N發射器410n(合稱“410”)。在一實施例中，第一發射器至第N發射器410可以各自處理來自信號產生單元310的單信號並向一個或多個天線提供輸出發射信號。在另一實施例中，信號產生單元310可以向N個發射器410提供多個信號。例如，信號產生單元310可以為每個發射器410提供單發射信號，或可替代地，為第一組發射器410提供第一發 射信號並為第二組發射器410提供第二發射信號。
繼續參考圖3，向接收器單元330提供接收信號(即，接收到的雷達信號)。接收器單元330能夠從天線單元130接收經處理的接收信號。接收器單元330能夠執行類比數位(A/D)轉換、信號緩衝、DSP等。在一些實施例中，信號處理單元150可以執行A/D轉換和DSP；然而，在其他實施例中，這些任務可以由接收器單元330執行。接收器單元330能夠將data_out導出到控制器單元140。
圖5示出了根據本文實施例的接收器單元330的實施例框圖。同時參考圖3和圖5，接收器單元330可以包括多個類似的接收器，即，第一接收器510a、第二接收器510b、至第N接收器510n(合稱“510”)。在一實施例中，第一接收器至第N接收器510可以各自處理來自信號產生單元310的單信號並向控制器單元140提供信號。在另一實施例中，可以向N個接收器510提供多個信號。例如，天線單元130可以向每個接收器510提供信號，或可替換的，為第一組接收器510提供第一接收器信號，並為第二組接收器510提供第二接收信號。
現轉至圖6，其示出了本文實施例的信號處理單元150的實施例框圖。信號處理單元150可以包括類比濾波器單元610、A/D轉換器620、DSP單元630、以及記憶體640。類比濾波器單元610能夠對信號處理單元150接收到的類比毫米波信號執行濾波和放大。在執行毫米波信號的放大之前，可以由類比濾波器單元610執行噪聲濾波。
A/D轉換器620能夠將濾波和/或放大的類比信號轉換為數位信號。A/D轉換器620可以執行預定精度或可變精度的轉換。例如，A/D轉換器 620可以具有12位、24位或更高精度的精度。轉換後的毫米波信號被提供至DSP單元630。
DSP單元630能夠對數位毫米波信號執行各種DSP操作。例如，數位毫米波的數位濾波可以由DSP單元630執行。例如，在預定頻率範圍之外(例如70GHz至約85GHz)的信號分量可以被濾波為低振幅。在其他示例中，可以對毫米波信號執行諸如快速傅立葉變換(FFT)之類的數學函數。來自DSP單元630的經處理的數位輸出可以被發送到控制器單元140以進行分析。在其他示例中，數位輸出可以被緩衝或儲存至記憶體640中。在一些情況下，記憶體640可以是先進先出(FIFO)記憶體。在其他情況下，來自DSP單元630的經處理的數位輸出可被儲存至控制器單元140的記憶體單元210中。
現轉至圖7，其示出了根據本文實施例的圖1的天線單元的實施例框圖。要發送的毫米波信號(例如雷達信號、網絡資料信號、無線通信信號等)可以由發射器單元320(圖3)提供給發射天線710。在一實施例中，發射天線710可以包括多個發射天線部分715。發射天線部分715以預定模式(例如陣列矩陣)佈置，如圖7所示。
接收天線720可以捕獲所要接收的毫米波信號(例如雷達信號、網絡資料信號、無線通信信號等)。接收天線720將接收到的毫米波信號提供給接收器單元330(圖3)。在一實施例中，接收天線720可以包括多個接收天線部分725。接收天線部分725也以預定模式佈置，例如，圖7示例的陣列矩陣。
現轉至圖8，示出了根據本文實施例的系統100的示例性雷達應用的實施例框圖。圖8示出了信號產生單元310(圖3)的示例性實現以及發 射器單元320和接收器單元330的示例性部分。
信號產生單元310產生要發送並定向到目標區域的信號(例如，雷達信號)，例如，朝向車輛前方的區域。調頻連續波(FMCW)產生器810提供在約20GHz範圍內的毫米波信號。FMCW產生器810可被配置成提供低速斜坡(low speed ramp；LSR)信號或高速斜坡(high speed ramp；HSR)信號。在替換實施例中，FMCW產生器810可由脈衝序列產生器(pulse train generator)代替，以應用脈衝多普勒雷達系統。
此外，參考信號由參考信號產生器812提供。來自FMCW產生器810的毫米波信號和參考信號都被發送至數位鎖相環(DPLL)820。DPLL 820將來自FMCW產生器810的毫米波信號的相位與參考信號的相位鎖定。DPLL 820的輸出被發送到數位控制振盪器(DCO)825。DCO的輸出反饋給DPLL。因此，DCO 825能夠提供穩定的DCO信號。在一實施例中，DCO信號大約為20GHz。
多個低壓差(LDO)調節器827，其可包括參考電壓、誤差放大器、反饋分壓器、和多個導通元件(pass element)，例如電晶體。LDO調節器827被配置成向圖8的電路的各個部分提供穩壓電源。通常，這種穩壓電源低於電源電壓。
在一些實施例中，期望發送80GHz信號，例如，在車輛雷達應用中。DCO 825提供20GHz信號，因此，兩個倍頻器可被用來乘以20GHz信號以提供40GHz，然後乘以40GHz信號以提供80GHz信號以進行發射。因此，第一倍頻器830用於將20GHz信號加倍以產生40GHz信號。第二倍頻器832用於將40GHz信號加倍以產生80GHz信號。第二倍頻器832的輸出被提供 給功率放大器840。功率放大器840的輸出可以被提供給天線以進行發射。功率檢測器842可以檢測功率放大器840的輸出的功率，並且可以促使反饋調整以保持發射信號的預定功率位準。
接收信號可以由圖8所示的電路進行處理。例如，來自信號處理單元150的接收信號被提供至巴倫(balun)電路850，巴倫可以包括變壓器，並且向前置放大器852提供差分輸出。在對接收信號執行預定放大之後，將來自前置放大器852的輸出提供給混頻器860。
混頻器860能夠組合來自前置放大器852的接收信號與來自第三倍頻器835的輸出信號。第三倍頻器835的輸出是來自第一倍頻器的40GHz信號的倍增版本。也就是說，第三倍頻器835的輸出是80GHz參考信號。混頻器860接收參考80GHz信號，並在一實施例中，將其乘以接收信號，接收信號是從發射信號的反射產生的反射信號或回波信號。混頻器的輸出可用於確定關於反射發射信號的對象的各種特性，包括對象的方向、位置、軌跡和/或速度。
第一倍頻器830、第二倍頻器832、第三倍頻器835中的每一個可以是完全差分推挽倍頻器(fully differential push-push frequency doubler)。下文將進一步詳細描述倍頻器830、832、835所採用的倍頻器。
混頻器860的輸出被提供至ABB 865。ABB 865的輸出被提供給自動增益控制(AGC)和濾波器電路868。飽和檢測電路872可以檢測由AGC/濾波器電路868處理的信號的任何飽和並執行響應調整。AGC/濾波器電路868的輸出被提供給A/D轉換器870。A/D轉換器870的輸出可以提供給控制器單元140以用於進一步的處理和響應動作。
本領域技術人員將意識到，可以針對圖2至圖8所示的示例性實 施例進行例行修改。
圖9A描繪了根據本文實施例的調頻連續波(FMCW)發射器的實現。FMCW發射器可以是毫米波裝置100的發射器單元320，但在其他實施例中，FMCW發射器可以是另一裝置的組件。
發射器單元320包括一個或多個發射器410，在圖9A中部分地示出了一個代表性發射器410。發射器410包括有緩衝器910，其被配置為接收具有第一頻率的差分輸入信號。在圖9A所示的實施例中，第一頻率可以是從大約19GHz到大約20.25GHz。在其他實施例中，第一頻率可以在不同的頻率範圍內。例如，在圖9B所示的實施例中，第一頻率可以從大約38GHz到大約40.5GHz。
緩衝器910被配置為向頻道920提供差分輸出。
在頻道920中，BPSK調變器922被配置為接收由緩衝器910輸出的差分信號。BPSK調變器922被配置為提供具有第一頻率和第一時脈相位的調變頻率。與設置在發射鏈末端的先前的BPSK調變器不同，後者被配置為提供具有180°的第一時脈相位的調變信號，而BPSK調變器922被配置為提供具有較低時脈相位的調變信號，例如45°或90°的調變信號。稍後將參考圖10A至圖10C更詳細地描述BPSK調變器922。
BPSK調變器922將差分調變信號提供給頻道920的後續分量。例如，BPSK調變器922可以將差分輸出信號提供給包括一個或多個倍頻器的串聯。在一些實施例中，術語“包括一個或多個倍頻器的串聯”可以指其中一個或多個倍頻器以串聯配置佈置的電路。在所示的實施例中，BPSK調變器922將差分輸出信號提供給第一倍頻器924和第二倍頻器925。第一倍頻器924和 第二倍頻器925各自可以是推挽倍頻器(PPFD)，如本領域中所已知的。在第一頻率為約19GHz至約20.25GHz的實施例中，包括第一倍頻器924和第二倍頻器925的串聯可提供具有約76GHz至約81GHz的第二頻率的輸出信號。一般而言，第二頻率將取決於第一頻率、倍頻器的數量以及每個倍頻器提供的倍頻。
在未示出的其他實施例中，可以省略倍頻器，並且頻道920提供具有等於緩衝器910接收的差分信號的第一頻率的頻率的輸出信號。
頻道920還可以包括注入鎖定功率放大器(ILPA)926，如圖9A和圖9B所示。ILPA是已知的，因此不需要詳細描述ILPA 926。ILPA 926是視需要的，並對於受益於本發明的本領域普通技術人員而言，可以將其作為常規事項予以省略。
頻道920進一步包括功率放大器928。功率放大器928被配置成放大由BPSK調變器922和頻道920的任何其他組件提供的差分信號的功率。功率放大器是已知的並且功率放大器928將不被進一步詳細描述。
發射器410進一步包括變壓器930。頻道920向變壓器930的初級繞組932提供差分輸入，並且次級繞組934將信號轉換為由輸出子電路935提供的單端射頻輸出。輸出子電路935可以在任何合適的電阻下驅動輸出負載，例如，在一個實施例中，50Ω。射頻輸出可以適合於由毫米波裝置100發射。
在實施例中，變壓器930可包括具有雙UTM的垂直耦合變壓器或具有單UTM或雙UTM的側向耦合變壓器。受益於本發明的本領域普通技術人員可以常規地實現變壓器930的其他實施例。
儘管前面的討論參考了圖9A，但它基本上完全適用於圖9B。在圖9B所示的實施例中的不同之處在於第一頻率來自約38-40.5GHz，並且頻道920僅包括第一倍頻器924。圖9B的其他元件如上關於圖9A所述，不需要再進一步討論。
轉至圖10A，將更詳細地描述發射器單元320的頻道920的BPSK調變器922。在所述實施例中，BPSK調變器922包括可以是差分四級注入鎖定環振盪器的環形振盪器905和開關電路906。
環形振盪器905包括四個級，910a、910b、910c和910d。每個級(通常為910)接收兩個相位相距180°的輸入。在本文中，相位相距180°的任何一對信號可被稱為“P”/“+”和“M”/“-”。期望地，這些信號是從VDD快速擺動到接地的每一方波信號。此外，每個級910反轉每個接收輸入，將每個接收輸入移位135°，並提供相位相距180°的兩個輸出。例如，級910a接收相位為180°(+)和360°(-)的信號，將輸入反轉並移位135°，並提供45°(-)和225°(+)的輸出。級910b接收相位為45°(+)和225°(-)的信號，將輸入反轉並移位135°，並提供270°(-)和90°(+)的輸出。級910c接收相位為270°(+)和315°(-)的信號，將輸入反轉並移位135°，並提供360°(-)和180°(+)的輸出。
四級差分環形振盪器905進一步包括兩個注入輸入(即VINJP和VINJM)到其中一個級(例如級910b)。注入輸入的頻率驅動四級差分環振盪器905。如圖所示，在被第三級910b接收之前，注入輸入VINJP和VINJM分別通過反相器915p或915m。
在四個級910a-910d中，每個級的輸出被提供給開關電路906。 下面將參考圖10B和圖10C更詳細地描述開關電路906的示例性實施例。
圖10B描繪了適於在頻道920中使用的開關電路906的一個實施例，頻道920包括兩個倍頻器924和925。本實施例的開關電路906包括四個射頻(RF)開關907a-907d(通常，RF開關907)。兩個RF開關(例如RF開關907a和907d)是僅為方便製造包含開關電路906的半導體裝置而包括的偽開關。(在未示出的其他實施例中，可以省略偽開關)。兩個主動開關907b和907c各自配置為接收來自環形振盪器905的一級的差分信號，例如，RF開關907b被配置為接收來自級910b的信號，RF開關907c被配置為接收來自級910c的信號。需注意的是，參考圖10A，來自級910b和910c的信號相差45°，即信號具有相差45°的第一相移和第二相移。
系統級控制器(在圖10B中由標記為“控制器940”的區塊表示)向兩個主動開關907b和907c提供BPSKEN和BPSKENB兩個信號。控制器940被配置為當BPSKEN或BPSKENB中的一個為高時，另一個為低。開關907b被配置為由BPSKEN啟用(enabled)，而開關907c被配置為由BPSKENB啟用。根據BPSKEN和BPSKENB的獨立斷言或解除斷言，在操作期間，開關電路906將信號的第一相移從級910b經由開關907b傳遞到VOUTP和VOUTM(當BPSKEN為高時)或將信號的第二相移從級910c經由開關907c傳遞到VOUTP和VOUTM(當BPSKENB為高時)。在圖10B的實施例中，VOUTP和VOUTM信號將具有45°的第一時脈相位。在將這些信號提供給圖9A的串聯倍頻器時，即第一倍頻器924和第二倍頻器925，乘以4以得到第二個頻率，將產生具有180°的期望值的第二時脈相位。
圖10C示出了根據本發明實施例的適於在包括一個倍頻器的發 射器中使用的BPSK調變器的實施例框圖。圖10C與圖10B有許多共同的元件。下面對圖10C的討論將指向其與圖10B之間的區別。
首先，圖10C所示的開關電路906包括有兩個主動RF開關907b和907d。參考圖10A，可以看到提供給RF開關907b和907d的信號來自級910b和910d，其第一相移和第二相移相差為90°。因此，在圖10C的實施例中，開關電路將提供第一時脈相位為90°的VOUTP和VOUTM信號。一旦將這些信號提供給圖9B的倍頻器，即第一倍頻器924，乘以2以產生第二頻率，將產生具有180°的期望值的第二時脈相位。
圖11A示出了根據本文實施例的差分射頻(RF)開關907的實施例電路描述。RF開關907包括兩個子電路，一個從級910接收信號VINP，另一個從級910接收VINM信號。每個子電路包括電容器1110a或1110b，以及電晶體1130a或1130b，從中提供輸出信號VOP或VOM。每個電晶體1130a或1130b的前閘極由信號EN控制，分別通過電阻器1120a或1120b而浮動。每個電晶體1130a或1130b的輸入分別由信號ENB調變，分別通過電阻器1122a或1122b而浮動。
圖11B示出了根據本發明實施例的具有浮動背閘的差分RF開關的實施例電路描述。圖11B中所示的RF開關907類似於圖11A中所示的RF開關907，下面的討論將集中於差異處。具體而言，電晶體1130a和1130b的背閘由分別通過電阻器1124a或1124b浮動的信號EN控制。
在各種實施例中，本發明係關於一種半導體裝置，包括發射器，包括調變器，其被配置成接收具有第一頻率的差分輸入信號並提供具有第一頻率和第一時脈相位的差分調變信號；包括一個或多個倍頻器的串聯，其 中，該倍頻器串聯被配置成接收差分調變信號並提供具有大於第一頻率的第二頻率且具有第二時脈相位的差分第二信號；以及輸出變壓器，其被配置為接收該差分第二信號並將該差分第二信號轉換為單端輸出信號。
在一實施例中，第一頻率是(i)從約19GHz到約20.25GHz或(ii)從約38GHz到約40.5GHz，並且第二頻率是從約76GHz到約81GHz。
在一實施例中，調變器包括注入鎖定環振盪器，其被配置成產生多個相移；以及開關電路，其被配置成從多個相移中選擇第一個時脈相位。在另一實施例中，開關電路包括多個射頻(RF)開關，其包括被配置成在第一相移時提供第一時脈相位的第一RF開關和被配置為在第二相移時提供第一時脈相位的第二RF開關，其中，第一相移和第二相移相距45°或90°。
在一實施例中，該倍頻器串聯包括配置成將差分調變信號的頻率乘以2的第一倍頻器和配置為將差分調變信號的頻率進一步乘以2的第二倍頻器。在一實施例中，調變器包括至少兩個RF開關，其被配置成從相距90°的多個相移中選擇第一時脈相位。
在一實施例中，該倍頻器串聯包括配置成將差分調變信號的頻率乘以2的第一倍頻器。在一實施例中，調變器包括至少兩個RF開關，其被配置成從相距45°的多個相移中選擇第一時脈相位。
在一實施例中，半導體裝置進一步包括一串聯功率放大器，其中該串聯功率放大器被配置成接收差分第二信號，放大差分第二信號，並將放大後的差分第二信號提供給輸出變壓器。在另一實施例中，該串聯功率放大器包括一注入鎖定功率放大器(ILPA)和功率放大器。
圖12提供了根據本文實施例的方法1200的流程圖。如圖所示， 方法1200包括接收(在步驟1210處)具有第一頻率的差分輸入信號。該接收(在步驟1210處)可以由調變器執行，例如如上所述的BPSK調變器。在一實施例中，第一頻率可為約19GHz至約20.25GHz。在另一實施例中，第一頻率可為約38GHz至約40.5GHz。
方法1200還關於提供(在步驟1220處)具有第一頻率和第一時脈相位的差分調變信號。該提供(在步驟1220)可由上述的調變器執行。在一實施例中，第一時脈相位為45°。在另一實施例中，第一時脈相位為90°。
隨後，方法1200係關於乘以差分調變信號(在步驟1230處)，以產生具有大於第一頻率的第二頻率且具有第二時脈相位的差分第二信號。在一實施例中，第二時脈相位為180°。乘法(在步驟1230處)可以由串聯的一個或多個倍頻器來執行。在一實施例中，乘法(步驟在1230處)可以由兩個倍頻器執行。在另一實施例中，乘法(在步驟1230處)可以由一個倍頻器執行。
在一實施例中，其中，第二頻率是第一頻率的整數倍，方法1200還可以包括(在步驟1225處)選擇第一時脈相位，其中，第一時脈相位是從第一相移和第二相移中選擇，所述第一相移和第二相移的差值為第二時脈相位除以整數倍。選擇(在步驟1225處)可由上述調變器執行。例如，整數倍可以是2，例如可以藉由由一個倍頻器執行的乘法(在步驟1230處)來實現。例如，整數倍可以是4，例如可以藉由由兩個倍頻器執行的乘法(在步驟1230處)來實現。
方法1200進一步包括(在步驟1240處)將差分第二信號轉換為單端輸出信號。轉換(步驟1240處)可以由輸出變壓器執行。
此外，方法1200包括發射(在步驟1250處)單端輸出信號。方法1200可適用於雷達應用、通信應用或任何其他毫米波應用。
現轉到圖13，示出了根據本發明的實施例的用於製造包含發射器單元320的半導體裝置封裝的系統1300的實施例描述。圖13的系統1300可以包括半導體裝置處理系統1310和積體電路設計單元1340。半導體裝置處理系統1310可以基於由積體電路設計單元1340提供的一個或多個設計來製造積體電路裝置。
半導體裝置處理系統1310可以包括各種處理站，例如蝕刻處理站、光微影處理站、CMP處理站等。每個處理站可以包括一個或多個處理工具1314和/或計量工具1316。基於來自計量工具1316的資料的反饋可用於修改由處理工具1314用於執行製程步驟的一個或多個處理參數。
半導體裝置處理系統1310還可以包括能夠提供處理工具1314、計量工具1316與控制器(例如處理控制器1320)之間的通信的介面1312。由半導體裝置處理系統1310執行的一個或多個處理步驟可以由處理控制器1320控制。處理控制器1320可以是工作站電腦、桌上型電腦、膝上型電腦、平板電腦或包括一個或多個軟體產品的任何其他類型的計算裝置，該軟體產品能夠控制處理、接收處理反饋、接收測試結果資料、執行學習週期調整、執行處理調整等。
半導體裝置處理系統1310可在介質(例如矽晶片)上產生積體電路。更具體而言，半導體裝置處理系統1310可以產生積體電路，該積體電路包括毫米波裝置100，該毫米波裝置100包括具有至少一個發射器410的發射器單元320，如圖9A或圖9B所示。
半導體裝置處理系統1310的積體電路的生產可以基於積體電路設計單元1340提供的電路設計。半導體裝置處理系統1310可在傳送機構1350(例如輸送系統)上提供經處理的積體電路/裝置1315。在一些實施例中，輸送系統可以是能夠傳送半導體晶片的精密潔淨室傳送系統。
在一些實施例中，標記為“1315”的項目可以表示單個晶圓，而在其他實施例中，項目1315可以表示一組半導體晶圓，例如“一批”半導體晶圓。積體電路或裝置1315可以包括電晶體、電容器、電阻器、記憶體單元、處理器等。
系統1300的積體電路設計單元1340能夠提供可以由半導體裝置處理系統1310製造的電路設計。積體電路設計單元1340可以確定要放置在裝置封裝中的裝置(例如，發射器單元320等)的數量。基於這些裝置的細節，積體電路設計單元1340可以確定要製造的裝置的規格。基於這些規格，積體電路設計單元1340可以提供用於製造本文所述的半導體裝置封裝的資料。
系統1300可以對關於各種技術的各種產品進行分析和製造。例如，系統1300可接收用於製造CMOS技術、Flash技術、BiCMOS技術、功率裝置、記憶體裝置(例如，DRAM裝置)、NAND記憶體裝置和/或各種其它半導體技術的設計和生產資料。該資料可由系統1300用於製造本文所述的半導體裝置。
本文實施例中描述的發射器單元320的電晶體可以使用完全耗盡的絕緣體上矽(FDSOI)製程形成。由系統1300執行的處理可以是FDSOI製程。
以上公開的特定實施例僅為說明性的，因為本發明可以不同但 等效的方式修改和實踐，對受益於本文教導的本領域技術人員來說，這些方式是顯而易見的。例如，可以以不同的順序執行上述處理步驟。此外，除以下權利要求中所述的情況外，對本文所示的結構或設計細節不作任何限制。因此，顯而易見的是，可以改變或修改以上公開的特定實施例，並且在本發明的範圍和精神範圍內考慮所有這些變化。因此，本文所尋求的保護如本案申請專利範圍所述。
410:發射器、第一組發射器、第二組發射器
910:緩衝器
920:頻道
922:BPSK調變器
924:第一倍頻器、倍頻器
925:第二倍頻器、倍頻器
926:注入鎖定功率放大器、ILPA
928:功率放大器
930:變壓器
932:初級繞組
934:次級繞組
935:輸出子電路

Claims (18)

  1. 一種半導體裝置，包括：發射器，包括：第一電路，被配置為接收具有第一頻率的差分輸入信號，並提供具有該第一頻率以及第一時脈相位的差分調變信號，其中，該第一電路包括注入鎖定環形振盪器，被配置成產生複數個相移，以及開關電路，被配置成從該複數個相移中選擇該第一時脈相位，且該開關電路復包括複數個射頻(RF)開關，該複數個射頻(RF)開關包括被配置成在第一相移時提供該第一時脈相位的第一射頻開關，以及被配置成在第二相移時提供該第一時脈相位的第二射頻開關；第二電路，包括一個或多個倍頻器，其中，串聯的倍頻器被配置為接收該差分調變信號並提供具有大於該第一頻率的第二頻率和具有第二時脈相位的差分第二信號；以及輸出變壓器，被配置為接收該差分第二信號並將該差分第二信號轉換為單端輸出信號。
  2. 如請求項1所述的半導體裝置，其中，該第一頻率為(i)從約19GHz至約20.25GHz或(ii)從約38GHz至約40.5GHz，且該第二頻率為從約76GHz至約81GHz。
  3. 如請求項1所述的半導體裝置，其中，該第一相移和該第二相移彼此相距45°或90°。
  4. 如請求項3所述的半導體裝置，其中：該第二電路包括被配置為將該差分調變信號的該頻率乘以2的第一倍頻器和被配置為將該差分調變信號的該頻率進一步乘以2的第二倍頻器。
  5. 如請求項4所述的半導體裝置，其中：該第一電路包括被配置成從相距45°的複數個相移中選擇該第一時脈相位的至少兩個射頻開關。
  6. 如請求項3所述的半導體裝置，其中：該第二電路包括被配置為將該差分調變信號的該頻率乘以2的第一倍頻器。
  7. 如請求項6所述的半導體裝置，其中：該第一電路包括被配置成從相距90°的該複數個相移中選擇該第一時脈相位的至少兩個射頻開關。
  8. 如請求項1所述的半導體裝置，進一步包括：串聯的功率放大器，其中，該串聯的功率放大器被配置成接收該差分第二信號，放大該差分第二信號，並將放大後的該差分第二信號提供給該輸出變壓器。
  9. 如請求項8所述的半導體裝置，其中：該串聯的功率放大器包括一注入鎖定功率放大器(ILPA)和功率放大器。
  10. 一種製造半導體裝置的方法，該方法包括：藉由調變器接收具有第一頻率的差分輸入信號；藉由該調變器提供具有該第一頻率和第一時脈相位的差分調變信號；藉由該調變器之注入鎖定環形振盪器產生複數個相移，並藉由該調變器之開關電路從該複數個相移中選擇該第一時脈相位，其中，該開關電路復包括複數個射頻(RF)開關，該複數個射頻(RF)開關包括被配置為在第一相移時提供該第一時脈相位的第一射頻開關以及在第二相移時提供該第一時脈相位的第二射頻開關；藉由串聯的一個或多個倍頻器乘以該差分調變信號以產生具有大於該第一頻率的第二頻率以及具有第二時脈相位的差分第二信號；藉由輸出變壓器將該差分第二信號轉換為單端輸出信號；以及 發射該單端輸出信號。
  11. 如請求項10所述的方法，其中，該第二頻率是該第一頻率的整數倍，且該方法進一步包括：藉由該調變器選擇該第一時脈相位，其中，該第一時脈相位是從第一相移和第二相移中所選擇，該第一相移和該第二相移的差值為該第二時脈相位除以該整數倍。
  12. 如請求項11所述的方法，其中，該整數倍為2或4。
  13. 一種製造半導體裝置的系統，該系統包括：半導體裝置處理系統，用於製造半導體裝置；以及處理控制器，可操作地耦合到該半導體裝置處理系統，該處理控制器被配置為控制該半導體裝置處理系統的操作；其中，該半導體裝置處理系統適於：藉由形成下述以形成發射器；調變器，被配置為接收具有第一頻率的差分輸入信號並提供具有該第一頻率和第一時脈相位的差分調變信號，其中，該調變器之注入鎖定環形振盪器，被配置成產生複數個相移，以及該調變器之開關電路，被配置成從該複數個相移中選擇該第一時脈相位，且該開關電路係藉由複數個射頻(RF)開關形成，該複數個射頻(RF)開關包括被配置成在第一相移時提供該第一時脈相位的第一射頻開關，以及被配置成在第二相移時提供該第一時脈相位的第二射頻開關；包括一個或多個倍頻器的串聯，其中，該串聯的倍頻器被配置為接收該差分調變信號並提供具有大於該第一頻率的第二頻率以及具有第二時脈相位的差分第二信號；以及 輸出變壓器，被配置為接收該差分第二信號並將該差分第二信號轉換為單端輸出信號。
  14. 如請求項13所述的系統，其中，該第一相移和該第二相移彼此相距45°或90°。
  15. 如請求項14所述的系統，其中，該半導體裝置處理系統適於藉由形成下述以形成該串聯的倍頻器：第一倍頻器，被配置為將該差分調變信號的該頻率乘以2，以及第二倍頻器，被配置為將該差分調變信號的該頻率進一步乘以2。
  16. 如請求項15所述的系統，其中，該半導體裝置處理系統適於藉由形成下述以形成該調變器：至少兩個射頻開關，被配置為從相距45°的複數個相移中選擇該第一時脈相位。
  17. 如請求項14所述的系統，其中，該半導體裝置處理系統適於藉由形成下述以形成該串聯的倍頻器：第一倍頻器，被配置為將該差分調變信號的該頻率乘以2。
  18. 如請求項17所述的系統，其中，該半導體裝置處理系統適於藉由形成下述以形成該調變器：至少兩個射頻開關，被配置為從相距90°的該複數個相移中選擇該第一時脈相位。
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