用于步进式信号修改电路的误差校正的制作方法

用于步进式信号修改电路的误差校正
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年6月21日提交的题为“error correction for stepwise signal modification circuits”的美国专利申请第16/448,930号的优先权，该美国专利申请的内容通过引用整体并入本文。
3.本发明可以与下述专利和/或专利申请有关，这些专利和/或专利申请全部转让给本发明的受让人，这些专利和/或专利申请的全部内容通过引用并入本文：
4.·
于2018年6月20日提交的题为“high resolution attenuator or phase shifter with weighted bits”的美国专利申请序列号16/013,844，现为于2019年12月10日发布的美国专利第10,505,511号；
5.·
于2016年7月19日发布的题为“segmented attenuator with glitch reduction”的美国专利第9,397,635号；
6.·
于2017年4月25日发布的题为“state change stabilization in a phase shifter/attenuator circuit”的美国专利第9,634,650号；以及
7.·
于2018年8月28日发布的题为“reflection-based rf phase shifter”的美国专利第10,062,946号。


背景技术：
(1)技术领域
8.本发明总体上涉及电子电路，并且更具体地涉及用于步进式信号修改电路(例如衰减器和/或移相电路)的电子误差校正电路和方法。
9.(2)背景技术
10.许多电子电路——特别是被设计用于传送射频信号的电路——包括多个耦接级，所述多个耦接级一起提供所施加的输入信号的步进式修改或变换。
11.作为步进式信号修改电路的一个示例，数字步进衰减器(dsa)是以离散的步长降低所施加信号的功率而不会使其波形明显失真的电子设备。dsa经常与射频(rf)系统例如用于广播无线电的收发器、蜂窝电话和基于rf的数字网络(例如，wi-fi、蓝牙)一起使用。
12.典型的dsa由串联级联的可切换双态衰减器级构成。例如，图1是现有技术的二进制加权dsa100的示意图。示出了四个串联连接的衰减器级102a至102d。在将所提供的输入控制代码解码到各个控制线106中的选择器104的控制下，每个衰减器级102a至102d可以被切换到有效的“衰减”状态或“旁路”状态(也称为“参考状态”)。可以认为每个衰减器级102a至102d具有与一个单独的控制线106相关联的“位(bit)位置”。在该示例中，应用于选择器104的4位输入控制代码可以以1db的最小步长大小设置从未添加衰减(即，所有级处于旁路状态)到15db衰减(即，所有级处于衰减状态)的16种衰减组合。关于dsa的附加背景可以在上面引用的题为“high resolution attenuator or phase shifter with weighted bits”的专利申请中找到。
13.数字移相器(dps)电路是步进式信号修改电路的另一示例。dps电路用于改变信号的传输相位角，并且通常用于使rf信号移相。rf移相器电路可以用于诸如同相鉴别器、波束形成网络、功率分配器、功率放大器的线性化以及相控阵天线的应用。
14.典型的dps电路是数字受控的串联连接的多个移相器级的集合，串联连接的多个移相器级提供通过控制字或控制代码直接地或在解码之后选择的离散相位状态的集合，类似于dsa100。例如，图2是现有技术的二进制加权dps 200的示意图。示出了四个串联连接的移相器级202a至202d。在将所提供的输入控制代码解码到各个控制线206中的选择器204的控制下，每个移相器级202a至202d可以被切换到有效的“移相”状态或“旁路”状态(也称为“参考状态”)。因此，可以认为每个移相器级202a至202d具有与一个单独的控制线206相关联的“位位置”。在该示例中，应用于选择器204的4位输入控制代码可以以11.25
°
的最小步长大小设置从未添加移相(即，所有级处于旁路状态)到168.75
°
移相(即，所有级处于移相状态)的16种移相组合。关于dps的附加背景可以在上面引用的题为“high resolution attenuator or phase shifter with weighted bits”的专利申请中找到。
15.在诸如上述示例的dsa和dps中，通常将每个衰减器级或移相器级描述为从相关联的选择器104、204被分配有与各个控制线106、206中的一个控制线对应的位位置。例如，在图1中，衰减器级102d可以被认为与4位二进制加权控制字或控制代码的最高有效位(most significant bit，msb)相关联，而衰减器级102a可以被认为与4位二进制加权控制字或控制代码的最低有效位(least significant bit，lsb)相关联。二进制加权控制代码“1001”将衰减器级102d和102a设置成有效衰减状态(在所示的示例中总计为9db)，而衰减器级102b、102c将被设置成旁路(参考)状态。控制代码位到移相器级的类似映射可以应用于图2所示的dps 200。
16.虽然dsa和dps的上述示例使用二进制加权控制字或控制代码，但是通常使用的其他位位置加权方案是温度计加权(即，随着状态的每个单位改变，衰减或移相值递增或递减改变)和混合温度计/二进制加权。这样的常规加权的其他描述可以在上面引用的题为“segmented attenuator with glitch reduction”的专利申请中找到。
17.实际上，dsa、dps和其他多级步进式信号修改电路(例如，数模转换器或dac)通常在一个或更多个级中表现出误差。这导致信号修改(例如，衰减、移相等)相对于控制代码值的失真，这不利地影响准确度、差分非线性度和积分非线性度。
18.例如，图3a是针对具有0.25db分辨率的模型化的6级二进制加权dsa的根据标称级衰减的理想级衰减和实际级衰减的图表300。dsa可以实现为图1所示的四级dsa100示例的六级版本。假设模型化的dsa被设计为六个二进制加权级，其中，标称每级衰减分别为8db、4db、2db、1db、0.5db和0.25db。因此，在该示例中，从右到左，理想情况下每一级应当具有恰好是前一级的衰减的两倍的衰减(每一衰减级代码位置的左手边的条)。然而，由于部件的缺陷或其他变化，例如根据频率变化的衰减，在该示例中实际的每级衰减分别是8.75db、3.5db、2.27db、1.20db、0.4db和0.3db。图3b是根据标称级衰减代码的图3a所示的理想衰减值与实际衰减值之间的误差(差量)的图表310。
19.图3c是针对图3a中表示的dsa的根据二进制控制代码的理想衰减和模型化的实际多级衰减的图表320。
20.对于6级dsa，存在26(64)个控制代码。理想地，每个输入代码(在该示例中在从十
进制0至63的范围)应当使dsa的所选级具有将精确地落在理想直线320上的组合衰减值。由于级不是理想的衰减器，因此实际的输出衰减值替选地落在曲线322上。注意，在激活下一个最高有效位(msb)级的情况下，例如在十进制代码值15、31和47附近，通常发生衰减的大跳跃。例如，如虚线圈326内所示，当下一个msb级被激活时，代码值32(二进制100000)处的衰减从代码值31(二进制011111)处的衰减显著跳跃。然而，在一些情况下，下一个更高的代码导致更低的衰减水平而不是更高的衰减水平；这是在虚线圈324内的情况，其中，当下一个msb级被激活时，代码值16(二进制010000)处的衰减低于代码值15(二进制001111)处的衰减。
21.图3d是针对图3a中表示的dsa的根据二进制控制代码的差分非线性度(dnl)332和积分非线性度(inl)334的图表330。在给定示例级误差的情况下，所示dnl图线特别是距0db的偏差证明了衰减特性中的显著误差。
22.在多级步进式信号修改电路中需要高准确度。如果这样的误差是系统性的，则通常可以通过重新设计电路来校正这样的误差，但是这样的重新设计对于某些处理或应用来说可能成本高昂。因此，需要避免重新设计电路的校正多级步进式信号修改电路中的准确度误差。如果这样的校正提供了在诸如信号频率和/或温度的差异的一系列条件下校正准确度误差的灵活性，则这也将是有用的。本发明提供了满足这些需求或更多需求的解决方案。


技术实现要素：

23.本发明包括用于避免重新设计电路地校正多级步进式信号修改电路中的准确度误差的电路和方法。本发明的实施方式还提供了在诸如信号频率和/或温度的差异的一系列条件下校正准确度误差的灵活性。
24.第一实施方式包括：对多级步进式信号修改电路的实际值进行排序以生成实际值的单调列表；将输入代码映射到与排序后的实际值对应的新的顺序的代码；以及提供映射功能以将输入到多级步进式信号修改电路的每个输入代码转换成映射后的输出代码。
25.第二实施方式包括：针对对应于输入代码的每个理想值，在多级步进式信号修改电路的所有实际值中搜索最接近该理想值的实际值；将输入代码映射到与最接近的实际值对应的新的顺序的代码；以及提供映射功能以将输入到多级步进式信号修改电路的每个输入代码转换成映射后的输出代码。
26.在附图和以下描述中阐述本发明的一个或更多个实施方式的细节。本发明的其他特征、目的和优点将根据说明书和附图以及根据权利要求书变得明显。
附图说明
27.图1是现有技术的二进制加权dsa的示意图。
28.图2是现有技术的二进制加权dps的示意图。
29.图3a是针对具有0.25db分辨率的模型化的6级二进制加权dsa的根据标称级衰减的理想级衰减和实际级衰减的图表。
30.图3b是根据标称级衰减代码的图3a所示的理想衰减值与实际衰减值之间的误差(差量(delta))的图表。
31.图3c是针对图3a中表示的dsa的根据二进制控制代码的理想衰减和模型化的实际多级衰减的图表。
32.图3d是针对图3a中表示的dsa的根据二进制控制代码的差分非线性度(dnl)和积分非线性度(inl)的图表。
33.图4a是示出从最低到最高排序的图3c的衰减值的图表。
34.图4b是针对图4a中表示的已校正dsa的根据二进制控制代码的差分非线性度(dnl)和积分非线性度(inl)的图表。
35.图5是概括用于使用排序且映射后的输入代码来校正多级步进式信号修改电路中的准确度误差的第一方法的处理流程图。
36.图6a是针对具有一定程度的准确度误差的dsa的根据二进制控制代码的理想衰减和模型化的实际多级衰减的图表。
37.图6b是针对图6a所示示例的输入控制代码映射到输出控制代码的图表。
38.图6c是针对图6a的使用校正且映射后的输入代码的dsa的根据二进制控制代码的理想衰减和模型化的实际多级衰减的图表。
39.图6d是针对图6c中表示的已校正dsa的根据二进制控制代码的差分非线性度(dnl)测量结果和积分非线性度(inl)测量结果的图表。
40.图7是概括用于使用适配且映射后的输入代码来校正多级步进式信号修改电路中的准确度误差的第二方法的处理流程图。
41.图8是可以用于将输入到多级步进式信号修改电路的每个输入控制代码转换成映射后的输出控制代码的示例电路的框图。
42.图9是可以用于使用缩减查找表将输入到多级步进式信号修改电路的每个输入控制代码转换成映射后的输出控制代码的示例电路的框图。
43.图10a是针对使用校正且映射后的输入代码的5位dsa的根据二进制控制代码的理想衰减和模型化的实际多级衰减的图表。
44.图10b是使用额外的分辨率位来映射输出代码的图10a的5位dsa的根据二进制控制代码的理想衰减和模型化的实际多级衰减的图表。
45.图11a是针对6位dsa的全部均根据二进制控制代码的理想衰减、原始多级衰减和重新排序的多级衰减的图表。
46.图11b是针对6位dsa的全部均根据二进制控制代码的理想衰减、使用值较小的msb级的原始多级衰减和重新排序的多级衰减的图表。
47.图11c是针对图11a的6位dsa的误差向量[x,1,0,0,0,0]的所得特性的图表。
[0048]
图11d是针对图11a的6位dsa、但使用负偏置的下一最高有效位级(即，第n-1级)的误差向量[x,1,0,0,0,0]的所得特性的图表。
[0049]
图11e是示出图11b和图11d中所示的实施方式的组合负偏置和所得的重新排序误差校正的曲线的图表。
[0050]
图12a是针对仅使用位重新排序不能校正误差量的示例6位dsa的全部均根据二进制控制代码的理想衰减、原始多级衰减和重新排序的多级衰减的图表。
[0051]
图12b是针对示例7位dsa的全部均根据二进制控制代码的理想衰减、具有添加的分数级的原始多级衰减和重新排序的多级衰减的图表。
[0052]
在各个附图中相似的附图标记表示相似的元件。
具体实施方式
[0053]
本发明包括用于避免重新设计电路地校正多级步进式信号修改电路中的准确度误差的电路和方法。本发明的实施方式还提供了在诸如信号频率和/或温度的差异的一系列条件下校正准确度误差的灵活性。
[0054]
为了便于说明，将根据数字步进衰减器(dsa)来描述本发明。然而，本发明的构思也适用于其他多级步进式信号修改电路，例如数字移相器(dps)和数模转换器(dac)。
[0055]
排序和重新排序实施方式
[0056]
如上所述，图3c是针对图3a中表示的dsa的根据二进制控制代码的理想衰减和模型化的实际多级衰减的图表320。在第一实施方式中，为了至少部分地校正实际曲线322与理想直线320的偏差或误差，对衰减值进行排序以生成衰减值的单调列表。例如，图4a是示出从最低到最高排序的图3c的衰减值的图表400。结果是改进的曲线402，其通过迫使代码到代码转换是单调的(即，没有例如在图3c的虚线圈324中发生的在相反方向上的衰减跳跃)来提供显著的改进。
[0057]
因为衰减值被排序，因此对应代码不再可能是顺序排序的。例如，在排序之后，代码值15可以对应于在排序之前由代码值17生成的衰减水平。因此，需要将输入代码映射到与排序后的衰减值对应的新的顺序的代码，以便将每个输入代码转换成映射后的代码。例如，映射功能可以被实现在硬件或软件实现的查找表(lut)中、被实现为软件实现的条件语句或者被实现在组合逻辑电路中。映射电路可以与多级步进式信号修改电路实施在同一集成电路(ic)器件上，或者在这样的ic器件外部实现。下面阐述映射功能的一个实施方式的细节。
[0058]
图4b是针对图4a中表示的已校正dsa的根据二进制控制代码的差分非线性度(dnl)422和积分非线性度(inl)424的图表420。与图3d中的dnl332相比，dnl422距0db的偏差显著减小。在该特定示例中，rms误差从约0.23db改善到约0.18db。另外，与图3d中的inl334相比，图4b中的inl424得到改善。
[0059]
如上所述，通过dsa示例描述的排序过程适用于表现出上述类型的准确度误差的任何多级步进式信号修改电路，例如dps或dac。
[0060]
图5是概括用于使用排序且映射后的输入代码来校正多级步进式信号修改电路中的准确度误差的第一方法的处理流程图500。该处理包括对多级步进式信号修改电路的实际值进行排序以生成实际值的单调列表(框502)；将输入代码映射到与排序后的实际值对应的新的顺序的代码，以生成对应的映射后的输出代码(框504)；以及提供映射功能以将输入到多级步进式信号修改电路的每个输入代码转换成映射后的输出代码(框506)。
[0061]
代码变换实施方式
[0062]
利用第二实施方式可以实现关于准确度误差的甚至更大的改进量。针对对应于理想衰减值的每个控制代码，在所有实际衰减值的列表中搜索衰减最接近该理想衰减值的值——实质上，针对每个理想衰减值找到“最佳适配”的实际衰减值，从而使得能够经由映射到新的代码集来变换输入代码。
[0063]
例如，图6a是针对具有一定程度的准确度误差的dsa的根据二进制控制代码的理
想衰减602和模型化的实际多级衰减604的图表600。每个代码值对应于理想的衰减水平。在所示的示例中，控制代码值40理想地使dsa具有10db的衰减水平。然而，由于每级准确度误差，代码值40实际上导致示例dsa具有大约11db的衰减水平。对所有实际衰减值的搜索表明，非常接近10db的实际衰减水平对应于代码值36。因此，输入代码值40应当被映射到代码值36。因此，当将输入控制代码值40应用于dsa时，映射功能替换为代码值36，并且dsa级中与代码值36对应的级被激活。
[0064]
在图6a中，将表示理想衰减602的直线连接至表示模型化的实际多级衰减604的曲线的短线606图形地示出了该实施方式的过程。每条短线606将对应于输入代码的一个理想衰减值连接至可用的最佳对应的实际衰减值。在该示例中，控制代码值30映射到恰好对应于分配给代码值30的理想衰减值的实际衰减值。如上所述，控制代码值40映射到通常将由代码值36生成的实际衰减值。在某些情况下，两个或更多个输入控制代码映射到同一最佳适配的实际衰减值。例如，在所示示例中，输入控制代码值33、34和35最佳地对应于通常将由输入控制代码值32生成的实际衰减值(差不多9db)(参见椭圆608)。
[0065]
图6b是针对图6a所示示例的输入控制代码映射到输出控制代码的图表620。图线622示出了输入控制代码映射到未排序的控制代码(即，输入控制代码＝输出控制代码)，而图线624示出了输入控制代码映射到重新排序的输出控制代码。未排序的输出控制代码与重新排序的输出控制代码之间的差值(差量)在图形曲线626中示出。如该示例所表明的，在大多数情况下，输入控制代码可以被映射到附近(例如，
±
3或
±
4)的输出控制代码值。
[0066]
图6c是针对图6a的使用校正且映射后的输入代码的dsa的根据二进制控制代码的理想衰减602和模型化的实际多级衰减634的图表630。如针对模型化的实际多级衰减634的图形曲线所示，作为上述代码变换的结果，实际衰减值更接近理想衰减值602。
[0067]
图6d是针对图6c中表示的已校正dsa的根据二进制控制代码的差分非线性度(dnl)测量结果642和积分非线性度(inl)测量结果644的图表640。在该特定示例中，inlrms误差从约0.59db改善到约0.13db。而dnlrms误差从约0.23db变为约0.20db。
[0068]
如上所述的m个输入控制代码到新的m个输出控制代码集合的变换可以在数学上表示为如下。定义：
[0069]ak
≡对输入控制代码k的理想响应，k∈{0,1,...,m}
[0070]bk
≡对输入控制代码k的实际响应，k∈{0,1,...,m}
[0071]ck
≡对输入控制代码k的优化的(“位重新排序的”)输出控制代码响应，k∈{0,1,...,m}
[0072]
然后：
[0073]ck
＝bm，m＝arg min{|b
m-ak|}，k∈{0，1，...，m}。
[0074]
与上述排序实施方式一样，对应于“最佳适配”的实际衰减值集合的代码不太可能是顺序排序的。因此，如图6b所示，需要将输入代码映射到与排序后的衰减值对应的新的顺序的代码，以便将每个输入代码转换成映射后的代码。映射功能可以被实现在例如硬件或软件实现的查找表(lut)中、被实现为软件实现的条件语句实现或者被实现在组合逻辑电路中。映射电路可以与多级步进式信号修改电路实施在同一集成电路(ic)器件上，或者在这样的ic器件外部实现。下面阐述映射功能的一个实施方式的细节。
[0075]
此外，通过dsa示例描述的代码变换过程适用于表现出上述类型的准确度误差的
任何多级步进式信号修改电路。在上面阐述的示例中，仅针对具有二进制加权级的“信号修改电路”描述了误差。构建这样的电路的另一种常见方式是使用“温度计编码”级，在“温度计编码”级中，每一级在总数上增加相等的增量，而不是二进制加权的增量。在一些应用中，使用二进制级和温度计级的组合。注意，上述位重新排序方法适用于所有这些实施方式。
[0076]
图7是概括用于使用适配且映射后的输入代码来校正多级步进式信号修改电路中的准确度误差的第二方法的处理流程图700。该处理包括：针对对应于输入代码的每个理想值，在多级步进式信号修改电路的所有实际值中搜索最接近理想值的实际值(框702)；将输入代码映射到与最接近的实际值对应的新的顺序的代码，以生成对应的映射后的输出代码(框704)；以及提供映射功能以将输入到多级步进式信号修改电路的每个输入代码转换成映射后的输出代码(框706)。
[0077]
映射功能
[0078]
图8是示例电路的框图，该电路可以用于将输入到多级步进式信号修改电路的每个输入控制代码转换成映射后的输出控制代码。广义多级步进式信号修改电路800包括n个串联连接的信号修改级802a至802n，其中，n是≥2的整数。在将提供的控制代码解码到各个控制线806中的选择器804的控制下，每个信号修改级802a至802n可以切换到有效状态(例如，衰减或移相状态)或切换到无效状态(例如，旁路或参考状态)。可以认为每个信号修改级802a至802n具有与对应控制线806相关联的“位位置”。
[0079]
与图1和图2中的示例相比，输入控制代码不直接应用于选择器804，而是替选地应用于映射功能810。映射功能810将每个输入控制代码映射到输出控制代码，输出控制代码又被应用于选择器804。
[0080]
映射功能810可以被实现在硬件或软件(例如硬件可寻址存储设备或查找表(例如，ram、rom、prom等))中，或者被实现为软件实现的查找表或条件语句(例如，作为设备驱动代码的一部分)，或者被实现在组合逻辑电路中。实现映射功能810的电路可以与多级步进式信号修改电路800实施在同一集成电路(ic)器件上，或者在这样的ic器件外部实现。
[0081]
如果映射功能810被实现为简单的查找表，则在最一般的情况下，表的大小将是2n×
n位(2n个地址
×
n位宽的输出，其中，n是≥1的整数)。然而，如上所述，在代码变换实施方式的情况下，输入控制代码通常可以被映射到附近(例如，
±
3或
±
4)的值(例如，参见图6b中的图线626)。由于变换的输出通常非常接近输入，因此可以利用仅存储输入控制代码与输出控制代码之间的差异的查找表来实现变换。该差异可以与输入控制代码相加以实现变换或位重新排序。虽然这种方法需要加法器电路，但是这样的电路通常小于另外需要的额外存储电路。
[0082]
例如，图9是示例替选映射功能电路810'的框图，该映射功能电路810'可以用于使用具有较小宽度的输出字或输出代码(例如，4位而不是6位)的缩减查找表将输入到多级步进式信号修改电路的每个输入控制代码转换成映射后的输出控制代码。在所示示例中，将6位输入控制代码应用于4位缩减查找表900和加法器902。示例缩减查找表900的4位输出也被应用于加法器902。加法器902的6位输出是6位输入控制代码与示例缩减查找表900的对应4位输出之和。然后将加法器902的输出作为输出控制代码应用于多级步进式信号修改电路800，如图8所示。
[0083]
使用图6b中的图线626的示例，误差(即，输入控制代码与输出控制代码之间的差
量)落在-6与+1之间。该值的范围可以由4位带符号数字(即，-8到+7)表示。当将6位输入控制代码应用于缩减查找表900时，从缩减查找表900输出对应的4位差量值，并且在加法器902中将该4位差量值与6位输入控制代码相加。作为结果，对于6位输入控制代码，缩减查找表900只有不使用加法器902时的4/6(即，2/3)大。当然，输入控制字和输出控制字可以具有少于或多于6位，并且将相应地调整缩减查找表900的大小。
[0084]
注意，在该示例中，当将4位带符号数字与6位无符号数字(如输入控制代码)相加时，由于下溢或上溢，结果可以是7位。然而，这可以通过有目的地限制缩减查找表900中针对接近零或满标值(full-scale value)的输入控制代码值的值来防止，从而实质上将对应输出控制代码分别限幅为零或满标值。相同的原理适用于具有少于或多于6位的控制代码。
[0085]
如上所述，可以通过重新设计多级步进式信号修改电路来减小准确度误差。然而，对于射频电路，某些级可能在不同的频率下表现地不同。如果是这样，则重新设计也可能在频率范围内不正确。相比之下，本发明的实施方式可以利用多个映射功能810，一个映射功能用于每个频率范围(例如，vhf、uhf等)和/或频带(例如，蜂窝无线电频带b1、b2、b3等)。例如，查找表可以具有多页，每页加载有用于不同频率范围和/或频带的映射变换。特定页面的选择将由与频率范围和/或频带相关的一个或更多个控制信号进行。类似的方法可以用于为具有随温度变化的级的多级步进式信号修改电路提供根据温度的映射变换。
[0086]
可以根据表征数据或校准数据来确定本发明的排序实施方式或代码变换实施方式所需的映射。可以通过测试电路的采样、根据上述描述确定合适的映射并且将该映射应用于电路的所有制造单元，来针对多级步进式信号修改电路的特定设计获得表征数据。可以通过测试多级步进式信号修改电路的每个单元、根据上述描述确定合适的映射并且将该映射应用于电路的被测单元来获得校准数据。
[0087]
有些令人惊讶的是，在多级步进式信号修改电路中使用非精确值级通常提供附加的设计灵活性。例如，在dsa中，特定非精确衰减级值的ic布局可以比精确值更好地缩放。
[0088]
扩展的准确度
[0089]
已知在针对特定的多级步进式信号修改电路规划位重新排序代码变换的设计级处，存在将进一步改善准确度结果的一些设计改变。本部分描述了用于关于向其应用位重新排序代码变换的多级步进式信号修改电路扩展准确度的三种方法：精细位分辨率过度配置、一个或更多个级的负偏置以及添加的分数msb。
[0090]
精细位分辨率过度配置：可以添加额外的m位分辨率(其中，m是≥1的整数)，以便通过将n位输入控制代码(其中，n是≥2的整数)映射到(n+m)信号修改级来选择最佳适配的(n+m)位输出控制代码来降低分辨率噪声。分辨率的一个或多个“过度配置”位可以通过一个或更多个相对较小的添加的lsb级(“调整位”)来提供，较小的添加的lsb级例如为“正常”lsb级值的一半，该“正常”lsb级值否则将在没有过度配置的情况下存在。
[0091]
例如，图10a是针对使用校正且映射后的输入代码的5位dsa的根据二进制控制代码的理想衰减1002和模型化的实际多级衰减1004的图表1000。图10b是使用值小于图10a的配置的lsb的额外分辨率位来映射输出代码的图10a的5位dsa的根据二进制控制代码的理想衰减1002和模型化的实际多级衰减1024的图表1020。可以看出，图10b的图形曲线1024比图10a的图形曲线1004更靠近理想衰减线1002，这表示较小的误差。在数值上，图10a的系统的rms inl为约0.22db，而图10b的系统的rms inl为约0.13db。
[0092]
因此，本发明的实施方式可以使用过度配置来提供比所需输出状态的数量大的多个可能的状态(例如，2^(n+1)、2^(n+2)个等)，以增加n位输入控制代码与(n+m)位输出控制代码最佳适配的可能性。在以上引用的题为“reflection-based rf phase shifter”的专利申请中可以找到过度配置的其他讨论。
[0093]
一个或更多个级的负偏置：如果设计者知道问题位或误差可能发生在何处，则知道位重新排序代码变换是可用的，设计者可以调整设计以进行补偿。例如，如果msb级通常导致最大误差，则可以将msb级设计为值有意地小于某个理想值(例如，7db而不是8db)。实现目标原始msb值可能需要较小msb级的组合加上值较低的级的某一组合，但通过设计将至少存在解决方案，并且因此在重新排序中将不会跳过目标原始msb值(尽管折衷是缩减的整体范围)。
[0094]
例如，图11a是针对6位dsa的全部均根据二进制控制代码的理想衰减1102、原始多级衰减1104和重新排序的多级衰减1106的图表1100。由于msb级中相对较大的误差，当msb级被激活时，在输出衰减中存在大的跳跃(参见椭圆1108)，从而导致在所有较高输出值中基本上恒定的误差。如上所述对控制代码进行重新排序提供了整体误差的显著减少，但是在msb级误差不能被完全补偿的情况下仍然存在明显的误差(再次参见椭圆1108)。
[0095]
替换为值小于原始msb级的msb级通常允许更接近理想的重新排序。例如，图11b是针对6位dsa的全部均根据二进制控制代码的理想衰减1102、使用值较小的msb级的原始多级衰减1124和重新排序的多级衰减1126的图表1120。当msb级被激活时(参见椭圆1128)，对于所有较高的输出值都会引起一定程度的msb误差。然而，与图11a的配置中的msb级相比，通过有目的地将msb级设计为在被激活时具有较小的衰减，msb误差下降到理想衰减1102水平以下(即，负偏置)，并且因此可以通过重新排序来补偿。实质上，重新排序将msb误差的上限范围(msb+lsb的组合)向下偏移以与重新排序的值的下限范围交叠。如上所述，折衷是缩减的整体范围，如椭圆1129内的展平输出衰减所示(即，超过约59的控制代码值不会生成不同的输出衰减)。
[0096]
图11a所示的二进制误差对于dsa和dps是共同的。显然，当每个级电平被激活或去激活时值的突然阶跃导致大部分不可校正的误差。为了更一般地理解这样的误差，考虑这些步骤如何发生。以dsa为示例，对第k个控制字的实际响应由下式给出：
[0097][0098]
其中，γi是k的二进制扩展中的第i个系数，以及αi是第i级的实际衰减。我们可以根据级理想衰减2iδ和级衰减误差ei表示级的实际衰减：αi＝2iδ+ei。因此，总衰减误差由下式给出：
[0099][0100]
较大的衰减级往往具有较大的误差。考虑具有以下级误差向量的6位衰减器：[1,0,0,0,0,0]和[x,1,0,0,0,0]，其中，x是0或1(即，“无关”值)。图11a包括针对误差向量[1,0,0,0,0,0](即，原始多级衰减1104图线的“msb误差”部分)的所得特性的图形曲线。图11c
是针对图11a的6位dsa的误差向量[x,1,0,0,0,0]的所得特性的图表1130。
[0101]
如图11a的椭圆1108所示，当msb级(即，第n级)被激活时，最大误差与从[0,1,0,0,0,0]到[1,0,0,0,0,0]的改变相关联；参见图11a中椭圆1108中的突然阶跃。当下一最高有效位级(即第n-1级)被激活时，第二大误差出现在[x,0,1,1,1,1]与[x,1,0,0,0,0]之间；对于由图线1134a和1134b所示的原始多级衰减，参见图11c中的椭圆1138a和1138b中的突然阶跃。可以对应于每个较低有效位级的激活绘制类似的(但通常较小的)误差。如重新排序的多级衰减配置的图线1136所示，不能通过重新排序过程来校正椭圆1138a和1138b中的突然阶跃。
[0102]
注意，如果误差相对于理想衰减1102绘图线被负偏置，则绘制的误差可以被最小化，因为使用上述重新排序方法，仅误差中的正跳跃产生不可校正的间隙。例如，假设衰减级误差在-2iδ/8db与+2iδ/8db之间均匀分布。因此，8db级将具有在
±
1db之间的误差，4db级将具有在
±
0.5db之间的误差等。本发明的一些实施方式的一个方面是将误差部分地负偏置。例如，合理的折衷将是以7db、3.5db、2db、1db、0.5db和0.25db的级衰减值作为目标，而不是以8db、4db、2db、1db、0.5db和0.25db的常规值作为目标。因此，前两个最高有效位将以7db和3.5db而不是以8db和4db被加权。
[0103]
如上所述，图11b示出了负偏置msb级的效果(在该示例中通过使用7db的msb级值；注意，来自其他级的误差在图11b中被忽略)。类似地，图11d是针对图11a的6位dsa、但使用负偏置的下一最高有效位级(即，第n-1级)的误差向量[x,1,0,0,0,0]的所得特性的图表1140。图11d的图线1144a和1144b示出了根据控制代码的原始(未排序的)输出衰减的所得负偏置误差。针对重新排序的多级衰减配置的图线1146示出了：图11c的椭圆1138a和1138b中的原始突然阶跃能够通过重新排序过程通过实质上将重新排序的值的上限范围向下偏移以与重新排序的值的下限范围交叠来进行校正。
[0104]
查看该过程的另一种方式是：相对于理想衰减水平负偏置一些级会将误差开始的位置(例如，在图11a的椭圆1108和图11c的椭圆1138a和1138b内)移动到每个这样的级的范围的顶部。重要的是，通过应用上述重新排序过程，移动后的误差开始通常可以与下一较大级的重新排序校正一起被校正(其中，总的剩余误差移动到组合级的范围的顶部)。因此，例如，在图11d中，第n-1级的所有不可校正误差被移动到控制代码值30和60附近。当通过应用上述重新排序处理来校正第n级时，通常可以校正控制代码值30附近的误差。
[0105]
图11b示出与图11a相比使用值较小的级的原始多级衰减1124的msb级(即，第n级)的负偏置。类似地，图11d示出了与图11c相比使用值较小的级的原始多级衰减1124的下一个最高有效位级(即，第n-1级)的负偏置。图11e是示出图11b和图11d中所示的实施方式的组合负偏置和所得到的重新排序误差校正的绘图的图表1150。图线1154实质上是图11b的图线1124与图11d的图线1144a和1144b的向量和。针对重新排序的多级衰减配置的图线1156示出了：图11a的椭圆1108和图11c的椭圆1138a和1138b中的突然阶跃能够通过重新排序过程通过实质上将重新排序值的上限范围向下偏移以与重新排序值的下限范围交叠来进行校正，其中整体范围有一些轻微的损失。
[0106]
添加的分数msb：用于提高准确度的第三设计修改通过添加分数msb级来利用上述位重新排序技术。例如，图12a是针对仅使用位重新排序不能校正误差量的示例6位dsa的全部均根据二进制控制代码的理想衰减1102、原始多级衰减1204和重新排序的多级衰减1206
的图表1200。
[0107]
可以通过添加相对于msb级具有分数值的中间级来提高dsa的准确度。例如，在图12a中，误差的跳跃是由于控制代码从[0,1,0,0,0,0]变换到[1,0,0,0,0,0]以及从[x,0,1,1,1,1]变换到[x,1,0,0,0,0]。通过添加小于msb级衰减的一半(例如在该示例中为3db)的额外衰减级，可以通过应用如上所述的重新排序变换来校正跳跃。例如，图12b是针对具有映射到7位dsa核心的6个输入控制位的示例6位dsa的全部均根据二进制控制代码的理想衰减1102、具有添加的分数级的原始多级衰减1224和重新排序的多级衰减1226的图表1220。如可以看到的，通过能够在重新排序过程中包括添加的分数级，图12中看到的跳跃被校正。此外，虽然全7位衰减范围减小，但与图12a的dsa相比，实际衰减范围增大。
[0108]
准确度提高技术的组合：在本发明的实施方式中，可以组合上述三种准确度提高技术——精细位分辨率过度配置、一个或更多个级的负偏置以及添加的分数msb——中的两种或更多种。添加衰减器级可能增加插入损耗，这对于准确度是最重要的系统是可接受的。另一方面，一个或更多个级的负偏置不会引起额外的插入损耗，其中折衷是范围的一些减小。因此，本发明的该方面给予设计者在结合上述重新排序技术提高多级步进式信号修改电路的准确度方面的大的灵活性。
[0109]
二维重新映射
[0110]
一些rf应用利用串联的移相多级步进式信号修改电路和衰减多级步进式信号修改电路二者。移相电路的许多实施方式根据所选移相程度影响输入rf信号的衰减水平，以及衰减器电路的许多实施方式根据所选衰减水平影响输入rf信号的相位。因此，移相电路和衰减电路的串联耦接(以任一顺序)呈现出复杂性，其中选择期望的最终移相程度和衰减水平是两个相互依赖的电路的功能。
[0111]
这种复杂性可以通过实质上将级联电路视为修改相位和幅度两者的单个“二维”(或“2-d”)多级步进式信号修改电路来克服。因此，上述重新排序技术可以应用于2-d电路，例如，通过将相位和衰减输入控制代码的每个组合映射到表示由2d电路生成的最接近的实际值(相位和幅度)的列表的对应输出控制代码来应用于2-d电路。使用不同校正方法的2-d映射的其他讨论可以在上面引用的题为“state change stabilization in aphase shifter/attenuator circuit”的专利申请中找到。
[0112]
附加方法
[0113]
以上关于图5和图7描述的方法可以通过包括以下方面中的一个或更多个方面来扩充：其中，多级步进式信号修改电路包括数字移相器(dps)电路和/或数字步进衰减器(dsa)电路中的至少一个；其中，多级步进式信号修改电路修改具有至少100mhz的频率的信号；其中，多级步进式信号修改电路被制造为mosfet电路；其中，使用绝缘体上硅(soi)制造工艺来制造多级步进式信号修改电路；其中，映射功能电路被配置成将n个输入控制代码映射到n+m个输出控制代码，其中，n是≥2的整数，以及m是≥1的整数；以及/或者其中，多级步进式信号修改电路根据相位和衰减输入控制代码对信号相位和信号幅度两者进行修改，并且其中，映射功能电路还被配置成将相位和衰减输入控制代码的每个组合映射到表示由多级步进式信号修改电路生成的最接近的实际相位和幅度值的列表的输出控制代码。
[0114]
制造技术和选项
[0115]
如对于本领域的普通技术人员应当明显的，可以实现本发明的各种实施方式以满
足各种各样的规范。特别地，选择用于多级步进式信号修改电路和/或映射功能电路的合适部件和部件值是设计选择的问题，并且本发明的各种实施方式可以以任何合适的集成电路(ic)技术(包括但不限于mosfet结构)或以混合或离散电路形式来实现。可以使用任何合适的衬底和工艺(包括但不限于标准体硅、绝缘体上硅(soi)和蓝宝石上硅(sos))来制造集成电路实施方式。本发明可以以其他晶体管技术来实现，其他晶体管技术例如双极、gaas hbt、gan hemt、gaas phemt和mesfet技术。然而，上述本发明构思对基于soi的制造工艺(包括sos)以及对具有类似特性的制造工艺特别有用。根据soi或sos工艺的cmos制造使电路能够具有低功耗、由于fet堆叠而在操作期间承受高功率信号的能力、良好的线性度和高频操作(特别地至少100mhz并且包括高达以及超过50ghz的无线电频率)。单片ic实现方式是特别有用的，因为可以通过精心设计而将寄生电容通常保持得低(或保持为最小，跨所有单元保持一致，允许对寄生电容进行补偿)。
[0116]
如在本公开内容中使用的，术语“mosfet”意指具有绝缘栅极并且包括金属或金属类、绝缘体和半导体结构的任何场效应晶体管(fet)。术语“金属”或“类金属”包括至少一种导电材料(例如，铝、铜或其他金属、或高掺杂的多晶硅、石墨烯或其他电导体)，“绝缘体”包括至少一种绝缘体材料(例如，硅氧化物或其他介电材料)，并且“半导体”包括至少一种半导体材料。
[0117]
如本说明书中所使用的，术语“射频”(rf)是指在约3khz至约300ghz范围内的振荡速率。该术语还包括无线通信系统中使用的频率。rf频率可以是电磁波的频率或是电路中的交流电压或电流的频率。
[0118]
依赖于特定规范和/或实现技术(例如，nmos、pmos或cmos以及增强模式或耗尽模式的晶体管器件)，可以调整电压电平以及/或者将电压和/或逻辑信号极性反转。部件电压、电流和功率的处理能力可以根据需求进行调整，例如，通过调整器件的尺寸、串联“堆叠”部件(特别是fet)以承受更大的电压以及/或者使用并联的多个部件以处理更大的电流来进行调整。可以添加附加电路部件以增强所公开的电路的能力以及/或者在不显著改变所公开的电路的功能的情况下提供附加功能。
[0119]
总结
[0120]
已经描述了本发明的许多实施方式。应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。例如，以上描述的步骤中的一些可以是与顺序无关的，并且因此可以以与所描述的顺序不同的顺序来执行。此外，上述步骤中的一些步骤可以是可选的。可以以重复、串行或并行的方式执行关于以上标识的方法所描述的各种动作。
[0121]
应当理解，前述描述旨在说明而非限制本发明的范围，该范围由所附权利要求书的范围限定，并且其他实施方式在权利要求书的范围内。特别地，本发明的范围包括所附权利要求书中阐述的过程、机器、制造或物质组成中的一种或更多种的任何和所有可行组合。(注意，权利要求元素的括号里的标记用于易于指代这样的元素，并且本身不指示特定的要求的排序或元素的枚举；此外，在对附加元素的引用不被视为开始互相冲突的标记序列的情况下，可以在从属权利要求中重复使用这样的标记)。