一种低压毫米波信号的相位补偿电路的制作方法

本发明涉及集成电路，特别涉及一种低压毫米波信号的相位补偿电路。

背景技术：

1、毫米波信号的相位补偿电路能够对输入毫米波段的时钟信号进行相位调节，常作为超高速信号采样器(sampler)、多通道时间交织模数转换器(analog-to-digitalconverter)中时钟链路的关键组件。时钟信号的相位补偿核心电路主要是由吉尔伯特单元电路组成，通过预设的矢量合成方式，输出不同相位的时钟信号。为了进一步提高模拟到数字信号的转换率，大多数采样器和时间交织模数转换器需要使用更高频的时钟信号，毫米波时钟信号的引入大大提高了采样系统的采样率，相比低频时钟信号，它缓解了超高速信号采样系统所需的通道数量，从而降低了通道间的失配，改善了采样系统的动态性能。尽管如此，对于目前超高速系统流行的多层采样方案，需要每层采样时钟信号的相位对齐，否则所产生的杂散信号以及信号能量的损失会严重限制高性能采样系统的性能。因此在超高速高性能的采样系统中，需要设计一种毫米波段时钟信号的相位补偿电路，它有效缓解了层级之间时钟相位失配带来的杂散较多及信号能量损失的问题，大大提高了超高速信号采样系统的动态性能和信噪比。同时，相位补偿电路也是多相时钟信号发生器的核心部件。就集成电路而言，目前先进cmos工艺，iii-v族化合物半导体工艺(如inp hbt)等主流工艺和特殊工艺均可用于毫米波段时钟信号相位补偿电路的研制，它们具有较高的截止频率，可实现毫米波段时钟信号的功率放大，同时相应的无源元件也可实现毫米波时钟信号的窄带选频功能，减小了输出时钟信号的抖动，从而提高超高速采样系统的动态性能。

2、在毫米波频段上，传统上可用开关线型(switched-line)或反射型(reflected)等无源方案来实现单片集成的时钟信号相位补偿功能，它们不会消耗直流功耗。但这种类型的结构会具有较大的插入损耗，同时相位补偿的精度和幅度一致性都较差，虽然可通过级联延迟线的方式来改善时钟信号的相位补偿精度，但这样做无疑又会加剧损耗。此外，传统无源方案的相位补偿范围由传输线电长度，要实现360度相位补偿范围非常具有挑战性。因此，目前时钟信号的相位补偿电路通常使用核心结构为吉尔伯特单元的有源方案来改善相位补偿精度和范围。

3、国际商业机器公司(ibm)在其申请的专利文献multiphase signal generator(专利号us11,368,143b1，授权日期2022.06.21)中公开了一种多相信号发生器电路。该多相信号发生器电路接收差分输入时钟信号，并在输出产生多组同频、相位间隔相等的时钟信号。其核心电路为相位内插单元，由尾电流源电路、电流舵电路以及相位补偿电路组成，用于实现高分辨率的多相信号产生。其中相位补偿电路利用外部多组dc内插权重电压来控制内插系数，从而精确调节多相时钟信号的相位。但是该相位补偿电路仍然存在的不足之处是，1)其相位内插单元由尾电流源、电流舵电路以及相位补偿核心电路堆叠而成，需要较大的电源电压以保证电路正常工作，从而增加了系统功耗；2)由于该相位补偿电路的负载使用电阻元件，没有一定范围的选频功能，导致输出时钟信号的抖动较大，会恶化系统的动态性能；此外，虽然该结构为宽带结构，理论上能实现大带宽的时钟信号相位补偿能力，但由于器件本身寄生因素等原因将导致电路带宽十分受限；3)为了实现360度相位调节功能，该专利提出的结构需要使用两组相位内插电路分别接收同相和反相信号，这不仅引入了失配，还增加复杂度和系统功耗，使得其在多相信号产生和低功耗的应用中受限。

4、文献an open-loop 28ghz 16-phase clock generator in 28nm cmos中提出了一种准毫米波段的多相时钟信号发生器电路。该论文基于开环结构，采用了16个相位延迟单元和8个相位内插单元实现16相信号产生的功能。其中每个延迟单元都具有相同的相位延迟量。然而实际中由于工艺、电压、温度、失配等非理想效应的存在，导致延迟单元的相位延迟与理想值并不相同，无法直接用于高精度多相信号的产生，于是需要对产生的时钟信号进行相位补偿。该论文认为虽然延迟单元的绝对相位延迟量与理想值存在偏差，但每个延迟单元在相同工作环境下的相对相位延迟量是一样的，于是该论文提出将延迟单元输出的非精确相位关系的多相信号进行内插，来实现信号的相位补偿功能。该方案的优势在于电路结构较为简单，功耗也相对比较低，同时实现了准毫米波时钟信号的相位补偿功能。但该方案仍然有不足之处，1)同样存在时钟抖动较大的缺点；2)延迟单元的相对相位延迟量在实际环境中也会发生变化，因此相位补偿的精度也不高；3)相位补偿没办法覆盖360度的范围，难以补偿电路中的一些极端失配情况。

5、综上所述，现有的高速信号缓冲器，主要存在输出信号频率低、相位补偿精度低，输出时钟信号抖动较大，补偿范围不能覆盖360度的缺点；同时，上述的几种类型的相位补偿电路功耗也较大。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种低压毫米波信号的相位补偿电路，解决传统相位补偿电路中功耗大、补偿范围窄的问题，同时具有毫米波信号的选频功能，降低时钟抖动。本发明的低压毫米波信号相位补偿电路不仅降低了电源电压和时钟抖动，实现了时钟信号的毫米波段输出频率，而且还能够使用一个补偿电路完成输出信号360度的相位调节范围，这对于补偿系统中时钟信号的相位失配十分关键，对于改善系统的动态性能十分有利。

2、为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种低压毫米波信号的相位补偿电路，由正交信号发生器、相位控制器、低压相位内插单元以及输出驱动器组成；

3、所述正交信号发生器用于产生相位分别为0°、90°、180°、270°的信号，其输入端接原始差分信号vin，4个差分输出端接至低压相位内插单元，其中0°和180°相位的同相差分输出端与低压相位内插单元的同相差分输入端相连，90°和270°相位的正交差分输出端与低压相位内插单元的正交差分输入端相连；

4、所述相位控制器用于实现预设参考电流大小的调节，并将输出的不同大小的参考电流提供给低压相位内插单元处理，其输入端接外部提供的数字码字vctrl_code，其同相参考电流输出端和正交参考电流输出端分别连接到低压相位内插单元的同相参考电流输入端和正交参考电流输入端；

5、所述低压相位内插单元，用于实现和控制同相和正交信号的相位合成，合成得到的差分信号vsum与原始输入差分信号vin存在一个预设的期望相位差，其差分输出端连接至输出驱动器的差分输入端；

6、所述输出驱动器用于将上述预设相位的合成差分信号vsum放大到饱和状态得到输出信号vout。

7、进一步，所述相位控制器包括两个相同结构的参考电流控制单元，分别输出同相参考电流和正交参考电流，每个参考电流控制单元由控制电流镜和输出电流镜组成；

8、所述控制电流镜的结构为：

9、输入支路的第零nmos管，其漏极接参考电流iref，栅极漏极连接，源极接地；

10、第一nmos管、第二nmos管、第三nmos管、第四nmos管、第五nmos管分别作为五个输出支路，其漏极互连形成第一参考点，其栅极均连接至第零nmos管栅极；

11、第一nmos管源极接地，第二nmos管源极接第二十一nmos管漏极，第三nmos管源极接第三十一nmos管漏极，第四nmos管源极接第四十一nmos管漏极，第五nmos管源极接第五十一nmos管漏极；

12、第二十一nmos管栅极接数字码字nbit<3>，源极接地；

13、第三十一nmos管栅极接数字码字nbit<2>，源极接地；

14、第四十一nmos管栅极接数字码字nbit<1>，源极接地；

15、第五十一nmos管栅极接数字码字nbit<0>，源极接地；

16、所述第零nmos管和第一nmos管、第二nmos管、第三nmos管、第四nmos管、第五nmos管之间的镜像比例分别为1:k、1:k/2、1:k/4、1:k/8、1:k/16；

17、所述第一参考点作为控制电流镜的输出端接至输出电流镜的输入端，输出电流镜的输出端作为同相参考电流输出端或正交参考电流输出端。

18、更进一步，所述输出电流镜的结构为：

19、第一pmos管源极接电源电压vcc，栅极与漏极连接且连接至第二pmos管栅极，漏极接第一参考点；

20、第二pmos管源极接电源电压vcc，漏极作为同相参考电流输出端或正交参考电流输出端。

21、进一步，所述低压相位内插单元的结构为；

22、同相输入匹配变压器的初级线圈两端作为同相差分输入端接收0°和180°相位的同相信号；

23、正交输入匹配变压器的初级线圈两端作为正交差分输入端接收90°和270°的正交信号；

24、第一电流镜主边mos管的栅极接同相输入匹配变压器的次级线圈中心抽头，漏极作为同相参考电流输入端，栅极与漏极连接，源极接地；

25、第二电流镜主边mos管的栅极接正交输入匹配变压器的次级线圈中心抽头，漏极作为正交参考电流输入端，栅极与漏极连接，源极接地；

26、第一同相侧mos管和第二同相侧mos管的栅极分别接同相输入匹配变压器的次级线圈两端，源极接地；

27、第一正交侧mos管、第二正交侧mos管的栅极分别接正交输入匹配变压器的次级线圈两端，源极接地；

28、同相输入匹配变压器的次级线圈两端与其中心抽头之间分别接有第一电阻r1；

29、正交输入匹配变压器的次级线圈两端与其中心抽头之间也分别接有第一电阻r1；

30、第三同相侧mos管和第六同相侧mos管的栅极相接并接至同相侧相位交换端的负输入端，第四同相侧mos管和第五同相侧mos管的栅极相接并接至同相侧相位交换端的正输入端；

31、第三同相侧mos管和第四同相侧mos管的源极相接并接至第一同相侧mos管的漏极；第五同相侧mos管和第六同相侧mos管的源极相接并接至第二同相侧mos管的漏极；

32、第三同相侧mos管和第五同相侧mos管的漏极相连形成第二参考点，第四同相侧mos管和第六同相侧mos管的漏极相连形成第三参考点；

33、第三正交侧mos管和第六正交侧mos管的栅极相接并接至正交侧相位交换端的负输入端，第四正交侧mos管和第五正交侧mos管的栅极相接并接至正交侧相位交换端的正输入端；

34、第三正交侧mos管和第四正交侧mos管的源极相接并接至第一正交侧mos管的漏极；第五正交侧mos管和第六正交侧mos管的源极相接并接至第二正交侧mos管的漏极；

35、第三正交侧mos管和第五正交侧mos管的漏极相连形成第四参考点，第四正交侧mos管和第六正交侧mos管的漏极相连形成第五参考点；

36、所述第二参考点和第四参考点相连形成第六参考点，所述第三参考点和第五参考点相连形成第七参考点，第六参考点和第七参考点分别接至输出匹配变压器的初级线圈两端，第六参考点和第七参考点之间还接有第一电容；输出匹配变压器的初级线圈中心抽头接电源电压vcc，输出匹配变压器的次级线圈两端作为输出差分信号vsum的差分输出端。

37、进一步，所述正交信号发生器由输入缓冲器电路、正交移相器电路以及输出缓冲器电路组成，输入缓冲器电路输入端接原始差分信号vin，缓冲后的输出差分信号vbuff接正交移相器电路输入端，正交移相器电路产生相位分别为0°、90°、180°、270°的信号，其四个输出端接至输出缓冲器电路进行缓冲后输出接至所述低压相位内插单元。

38、更进一步，所述正交移相器电路由两个lange耦合器构成，两个lange耦合器的两个输入端分别接原始差分信号vin、两个直通端分别输出0°和180°相位的同相差分输出信号、两个耦合端分别输出90°和270°相位的正交差分输出信号，端接电阻接在两个隔离端之间。

39、传统的lange耦合器利用平面微带线之间的紧耦合来实现正交信号的产生，一个lange耦合器只有一个输入端口，其直通端的输出信号和耦合端的输出信号具有90°的相位差。本发明采用两个lange耦合器构成全差分正交耦合器结构，能够得到0°、90°、180°、270°的输出信号。端接电阻用于实现阻抗匹配减少信号反射并提高隔离度。

40、再进一步，所述两个lange耦合器使用两个纵向堆叠的片上变压器形成紧密的磁耦合。将两个片上变压器的线圈纵向堆叠来增强线圈之间的磁耦合，从而提高绕组之间的寄生电容，同时还能减少该耦合器的版图布局面积。

41、本发明的有益效果是：

42、一、由于采用了全差分的电路结构，使得本发明提出的低压毫米波信号相位补偿电路克服了电源扰动等干扰信号，具有较好的共模噪声抑制能力；

43、二、由于不再单独使用电流舵电路，而是将跨导级和电流舵合为一体，这使得本发明提出的低压毫米波信号相位补偿电路可以使用较低的电源电压，具有降低功耗的优点；

44、三、由于使用了相位选择开关，可以通过外部控制信号来翻转输入差分信号的相位，从而得到不同相位维度的信号合成能力，这使得仅需使用单个电路即可实现360度的相位补偿能力，有利于降低电路的复杂性和失配，此外还能降低整体系统的功耗；而具体实现相位补偿功能的原理则是通过调节正交输入电流的大小，该输入电流是输入电压信号通过一个跨导级产生，尾电流的大小确定了跨导值，因此，通过调节尾电流大小，实现了电压到电流的不同放大能力，通过合成即可实现不同相位的补偿能力，补偿精度由尾电流调节精度决定，即由电流镜的镜像数量决定，通过控制外部电流镜的镜像比例即能得到不同大小的尾电流值，这种方法的优点是，无需拷贝多个内插单元进行相位控制，这不仅降低了失配，而且对于输入和输入匹配网络的设计也更加容易。

45、四、由于使用了输入、输出选频网络，这使得只有目标带宽内的毫米波频率输入信号才可以被电路处理，而频率外的其他干扰信号则被滤除和抑制，这种选频网络的优点是，可以降低时钟网络的时钟抖动大小，这对于超高速信号采样系统和多路时间交织数据转换器十分重要，可以大大改善系统的动态性能。

46、五、由于在输出级使用了缓冲器，而且设计保证其工作在功率饱和区域，这使得相位补偿电路输出的各个合成输出信号具有一致的幅度，这样可以保证输出信号具有一致的信号时间窗口和一致的抖动性能，这对于某些超高速信号采样系统也十分重要，比如电流模采样系统，一致的信号时间窗口可以保证信号幅度的一致，从而保证信号带宽的平坦度和信噪比。

47、六、由于本发明作为一类通用的相位补偿方案，对具体使用的半导体工艺类型没有特殊要求，也就是说，本发明的毫米波相位补偿方案具有工艺兼容性友好的优点。