一种基于16-QAM的3D封装无线收发机结构制造技术

本发明专利技术公开了一种基于16

【技术实现步骤摘要】
一种基于16
‑
QAM的3D封装无线收发机结构


[0001]本专利技术属于无线数据传输领域，涉及一种基于16
‑
QAM的3D封装无线收发机结构。

技术介绍

[0002]伴随着高性能计算需求的不断上升，逻辑电路的制程节点在不断降低，集成度不断提高，与此同时片上系统的其他部分如存储器、IO控制器等对制程不敏感的电路与逻辑电路部分直接集成至同一芯片成本较高。相对于有机基板上的简单2D集成与硅基板上的2.5D集成，3D封装集成能够显著在降低成本与开发周期的前提下，提高片上系统性能。由于其低延迟，高密度的特点，已有高性能电子设备应用基于TSV(硅通孔，Though Silicon Via)技术的高带宽存储(HBM)方案。然而基于TSV的有线连接极大的受制于封装的装配精度与工艺流程，良率相对较低，易于损坏，成本较高。
[0003]当前已经出现了利用3D封装片间耦合结构进行无线数据传输的报道。一些研究采用垂直方向上平行对齐的片上螺旋电感间的磁耦合效应，利用数据信号控制通过电感的周期短脉冲的方向，从而将数字信号调制为极性不同的不归零脉冲序列。在接收端通过对接收电感两端的感生电压的极性的判决，恢复出数据信号。这些脉冲调制的方案对片上电感有限的带宽的利用效率极低，因而传输速度较低；另一方面，脉冲调制较为丰富的频谱极易对片上集成的其他模拟和射频电路造成干扰。部分前沿报道采用了宽带的传输线耦合的方案进行片间无线数据传输，然而受限于传输线的巨大面积，此方案成本较高。
[0004]QAM(正交幅度调制)是一种同时编码载波的幅度与相位的调制方式。16
‑
QAM(16阶正交幅度调制)由于调制阶数适中，带宽利用率较高，广泛应用于无线通讯与超高速有线接口。采用高阶调制，能够有效利用耦合结构如片上电感或传输线的有限带宽。同时，更小的带宽占用与更高的速率也减少了3D封装系统所需要数据通道数量与占用面积，但目前未见有相关应用与报道。

技术实现思路

[0005]为了解决
技术介绍
中的问题，本专利技术提供了一种基于16
‑
QAM的3D封装无线收发机结构。
[0006]本专利技术采取的技术方案如下：
[0007]首先，本专利技术提供了一种基于16
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QAM的3D封装无线收发机结构，其包括一个发射机和至少一个接收机；发射机包括数据发射模块、时钟发射模块、时钟发生模块、数据发射耦合结构和时钟发射耦合结构；接收机包括数据接收模块、时钟接收模块、解调时钟发生模块、数据接收耦合结构和时钟接收耦合结构；3D封装层叠中作为发射方的芯片集成发射机，3D封装层叠中作为接收方的芯片集成接收机；
[0008]所述时钟发生模块生成四相正弦时钟信号输出至时钟发射模块，四相正弦时钟信号同时与待发射的数字信号共同输入至数据发射模块，数据发射模块输出调制信号至数据发射耦合结构，时钟发射模块输出连接至时钟发射耦合结构；时钟接收耦合结构输出至时
钟接收模块，时钟接收模块输出至解调时钟发生模块；解调时钟发生模块生成采样时钟与同步恢复载波信号；采样时钟、同步恢复载波信号与数据接收耦合结构的耦合信号同时输入数据接收模块恢复出数据信号；数据发射耦合结构与数据接收耦合机构在垂直方向上平行对齐，建立起耦合关系；时钟发射耦合结构与时钟接收耦合机构在垂直方向上平行对齐，建立起耦合关系；
[0009]所述的时钟发射模块为由反相器对所组成的H桥；
[0010]所述的时钟接收模块包括无电感低功耗低噪声放大器与差分放大器；输入时钟接收模块的信号连接至无电感低功耗低噪声放大器，无电感低功耗低噪声放大器输出至差分放大器；
[0011]所述的解调时钟发生模块包括多相滤波器、数控插值延迟器与分频器，输入至解调时钟发生模块的差分信号同时输入至多相滤波器和分频器；多项滤波器输出信号至数控插值延时器，输出同步恢复载波信号；分频器分频输出采样时钟信号；解调时钟发生模块同时输出同步恢复载波信号与采样时钟信号；
[0012]所述的数据发射模块包括串行并行转换器、编码控制器、共模调制器、QAM功率放大器，串行的待发射数据通过串行并行转换器转换为并行信号，并输入至编码控制器；编码控制器输出控制QAM功率放大器，QAM功率放大器通过驱动数据发射耦合结构最终将信号发射出去；
[0013]所述的数据接收模块包括无电感低功耗低噪声放大器、无源下变频器、低通滤波器、可变增益放大器、高速动态比较器、锁存器；低功耗低噪声放大器将数据接收耦合结构输入的感应信号放大后输出。无电感低功耗低噪声放大器的输出信号与同步恢复载波信号共同输入至无源下变频器，经无源下变频器的下混频，输出至低通滤波器进行滤波。低通滤波器的输出的基带信号输出至可变增益放大器进行放大，可变增益放大器的输出信号与采样时钟共同输入至高速动态比较器，高速动态比较器输入至锁存器，最终输出4路并行的恢复数据。
[0014]作为本专利技术的优选方案，所述的时钟发生模块包括振荡器与CML正交分频器。振荡器输出差分正弦信号至CML正交分频器，经由CML正交分频器2分频输出4路相位分别为0
°
、90
°
、180
°
、270
°
的正弦载波信号。在本专利技术的一个实施例中，所述振荡器为带有可变电容阵列的LC振荡器。
[0015]作为本专利技术的方案，解调时钟发生模块中，所述的多相滤波器为仅有电阻和电容组成的无源移相网络；所述的数控插值延时器为数字控制的相移在0
‑
90
°
可控的相位插值器；所述的分频器为CML分频器与多个D触发器所组成的复合分频器，输入高频正弦信号先由CML分频器进行模拟分频，再由D触发器链进行分频，输出矩形波采样时钟信号。
[0016]作为本专利技术的方案，所述的无电感低功耗低噪声放大器为利用Double Gm
‑
boost与交叉耦合电容增强跨导技术的输入阻抗匹配在50欧姆的无电感低功耗低噪声放大器。
[0017]作为本专利技术的方案，所述的共模调制器调制载波信号的相位与直流电平；所述共模调制器由带有MOS开关管的源极跟随器对组成；所述源极跟随器对为两个相同的源极连接到同一个电流源的NMOS，两个NMOS的栅极分别为一高一低的直流电平偏置，漏极分别通过开关MOS管连接至电源；共模调制器的输入载波信号通过电容同时耦合到两个NMOS的栅极；共模调制器输出源极跟随器对的源极信号。
[0018]作为本专利技术的方案，所述的QAM功率放大器包括完全相同的同相支路和正交支路，每一支路包含正支路输出端和负支路输出端两个输出端；同相支路与正交支路的2个正支路输出端相连接作为QAM功率放大器输出端的一个输出，同相支路与正交支路的2个负支路输出端相连接作为QAM功率放大器输出端的另一个输出；
[0019]每一个支路包括4个共模调制器(7，8，9，10)、4个交叉补偿电容、4个功率MOS管与2个开关MOS管，功率MOS管的源极全部连接本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于16
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QAM的3D封装无线收发机结构，其特征在于包括一个发射机(6)和至少一个接收机(5)；发射机(6)包括数据发射模块、时钟发射模块、时钟发生模块、数据发射耦合结构(2)和时钟发射耦合结构(1)；接收机包括数据接收模块、时钟接收模块、解调时钟发生模块、数据接收耦合结构(4)和时钟接收耦合结构(3)；3D封装层叠中作为发射方的芯片集成发射机(6)，3D封装层叠中作为接收方的芯片集成接收机(5)；所述时钟发生模块生成四相正弦时钟信号输出至时钟发射模块，四相正弦时钟信号同时与待发射的数字信号共同输入至数据发射模块，数据发射模块输出调制信号至数据发射耦合结构(2)，时钟发射模块输出连接至时钟发射耦合结构(1)；时钟接收耦合结构(3)输出至时钟接收模块，时钟接收模块输出至解调时钟发生模块；解调时钟发生模块生成采样时钟与同步恢复载波信号；采样时钟、同步恢复载波信号与数据接收耦合结构(4)的耦合信号同时输入数据接收模块恢复出数据信号；数据发射耦合结构(2)与数据接收耦合机构(4)在垂直方向上平行对齐，建立起耦合关系；时钟发射耦合结构(1)与时钟接收耦合机构(3)在垂直方向上平行对齐，建立起耦合关系；所述的时钟发射模块为由反相器对所组成的H桥；所述的时钟接收模块包括无电感低功耗低噪声放大器与差分放大器；输入时钟接收模块的信号连接至无电感低功耗低噪声放大器，无电感低功耗低噪声放大器输出至差分放大器；所述的解调时钟发生模块包括多相滤波器、数控插值延迟器与分频器，输入至解调时钟发生模块的差分信号同时输入至多相滤波器和分频器；多项滤波器输出信号至数控插值延时器，输出同步恢复载波信号；分频器分频输出采样时钟信号；解调时钟发生模块同时输出同步恢复载波信号与采样时钟信号；所述的数据发射模块包括串行并行转换器、编码控制器、共模调制器、QAM功率放大器，串行的待发射数据通过串行并行转换器转换为并行信号，并输入至编码控制器；编码控制器输出控制QAM功率放大器，QAM功率放大器通过驱动数据发射耦合结构(2)最终将信号发射出去；所述的数据接收模块包括无电感低功耗低噪声放大器、无源下变频器、低通滤波器、可变增益放大器、高速动态比较器、锁存器；低功耗低噪声放大器将数据接收耦合结构(4)输入的感应信号放大后输出。无电感低功耗低噪声放大器的输出信号与同步恢复载波信号共同输入至无源下变频器，经无源下变频器的下混频，输出至低通滤波器进行滤波。低通滤波器的输出的基带信号输出至可变增益放大器进行放大，可变增益放大器的输出信号与采样时钟共同输入至高速动态比较器，高速动态比较器输出至锁存器，最终输出4路并行的恢复数据。2.根据权利要求1所述的一种基于16
‑
QAM的3D封装无线收发机结构，其特征在于所述的无电感低功耗低噪声放大器为利用Double Gm
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boost与交叉耦合电容增强跨导技术的输入阻抗匹配在50欧姆的无电感低功耗低噪声放大器。3.根据权利要求1所述的一种基于16
‑
QAM的3D封装无线收发机结构，其特征在于所述的共模调制器调制载波信号的相位与直流电平；所述共模调制器由带有MOS开关管的源极跟随器对组成；所述源极跟随器对为两个相同的源极连接到同一个电流源的NMOS，两个NMOS的栅极分别为一高一低的直流电平偏置，漏极分别通过开关MOS管连接至电源；共模调
制器的输入载波信号通过电容同时耦合到两个NMOS的栅极；共模调制器输出源极跟随器对的源极信号。4.根据权利要求1所述的一种基于16
‑
QAM的3D封装无线收发机结构，其特征在于所述的QAM功率放大器包括完全相同的同相支路和正交支路，每一支路包含正支路输出端和负支路输出端两个输出端；同相支路与正交支路的2个正支路输出端相连接作为QAM功率放大器输出端的一个输出，同相支路与正交支路的2个负支路输出端相连接作为QAM功率放大器输出端的另一个输出；每一个支路包括4个共模调制器(7，8，9，10)、4个交叉补偿电容、4个功率MOS管(13，14，15，16)与2个开关MOS管(11，12)，功率MOS管的源极全部连接至地；其中两个功率MOS管的漏极相连接，作为正支路输出端，剩余两个功率MOS管的漏极相连接，作为负支路输出端；4个共模调制器(7，8，9，10)分别输出至4个功率MOS(13，14，15，16)的栅极，同时每一个功率MOS的栅极都通过一个补偿电容连接至相反极性的支路输出端；对于同相支路的连接到正支路输出端的两个功率MOS管栅极上连接的共模调制器，其输入载波信号的相位分别为0
°
和180
°
；对于同相支路的连接到负支路输出端的两个功率MOS管栅极上连接的共模调制器，其输入载波信号的相位分别为180
°
和0
°
；同相支路内，所有连接相反极性输出支路的且栅极上连接共模调制器输入载波信号相位相反的功率MOS管栅极通过开关MOS管相连接；对于正交支路的连接到正支路输出端的两个功率MOS管栅极上连接的共模调制器，其输入载波信号的相位分别为90
°
和270
°
；对于正交支路的连接到负支路输出端的两个功率MOS管栅极上连接的共模调制器，其输入载波信号的相位分别为270
°
和90
°
。5.根据权利要求1所述的一种基于16
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QAM的3D封装无线收发机结构，其特征在于所述的低通滤波器为截止频率大于2倍以上基带信号带宽的低通滤波器。6.根据权利要求1所述的一种基于16
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QAM的3D封装无线收发机结构，其特征在于所述的时钟发射耦合结构(1)、时钟接收耦合结构(3)、数据接收耦合结构(4)与数据发射耦合结构(2)为带有中心抽头的差分对称片上螺旋电感或片上传输线；时钟传输与数据传输的工作频带均分别在所述的时钟收发耦合结构和数据收发耦合结构的工作带宽以内。7.一种应用于权利要求4所述结构的基于16
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QAM的3D封装无线通讯方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：发射机中的时钟发生模块产生相位分别为sin(2πft)、cos(2πft)、
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sin(2πft)、
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cos(2πft)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱晓雷，孙崇惠，陶汝硕，杨坤，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：