PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006024457A1 06.12.2007
Titel Integrierte Schaltung zum Senden und/oder Empfangen von Signalen
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Forstner, Johann Peter, Dipl.-Ing., 85643 Steinhöring, DE;
Jaeger, Herbert, Dr., Prambachkirchen, AT
Vertreter Schoppe, Zimmermann, Stöckeler & Zinkler, 82049 Pullach
DE-Anmeldedatum 24.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006024457
Offenlegungstag 06.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.12.2007
IPC-Hauptklasse H04B 1/38(2006.01)A, F, I, 20060524, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01P 1/213(2006.01)A, L, I, 20060524, B, H, DE   H03D 7/00(2006.01)A, L, I, 20060524, B, H, DE   
Zusammenfassung Eine integrierte Schaltung (300) zum Senden und/oder Empfangen von Signalen umfasst einen differentiellen Antennenanschluss (310) zum Koppeln mit einer Antenne (130; 330), eine Verarbeitungsschaltung (170) zum Verarbeiten von differentiellen Signalen und ersten differentiellen Leitungen (340), die den differentiellen Antennenanschluss (310) mit einem differentiellen Eingang und/oder Ausgang der Verarbeitungsschaltung (170) koppeln.

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Schaltung zum Senden und/oder Empfangen von Signalen mit einem differentiellen Antennenanschluss zum Koppeln mit einer Antenne, wie sie beispielsweise bei Kfz-Radargeräten zum Einsatz kommen kann.

Die Zahl von Hochfrequenz-Anwendungen, wie beispielsweise in der Kfz-Radar-Technik, nimmt ständig zu. Voraussetzung für die weite Verbreitung solcher Anwendungen sind niedrige Kosten der Bauteile und integrierten Schaltungen. Damit scheiden Hybrid-Aufbauten mit hohem Arbeits- und Abgleichaufwand, wie sie traditionell in der Hochfrequenztechnik üblich waren, für Massenanwendungen aus. Notwendig hingegen ist eine Integration möglichst vieler Hochfrequenz-Funktionen sowie eine gute und billige Aufbautechnik. Je nach Frequenzband und Anwendung ist die Integration der Schaltungen in unterschiedlichen Halbleitertechnologien möglich. Kandidaten sind sowohl Silizium-Technologien (Si-Technologien) wie auch III-V-Halbleitertechnologien. Für Anti-Kollisions-Systeme in der Kraftfahrzeugtechnik werden beispielsweise Frequenzbänder bei 5.8 GHz, 10.5 GHz, 24 GHz, 48 GHz und 77 GHz eingesetzt.

Bei Anwendungen im mm-Wellenlängenbereich werden oftmals Bonddrähte angewandt, um hochfrequente Signale von einem MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) mit einer Leiterplatte elektrisch zu verbinden. Dabei ist ein Bonddraht ein Anschlussdraht, der die von außen sichtbaren Anschlüsse auf dem Chip (sogenannte Chip-Pads) mit einem Substrat verbindet. Jedoch sind beispielsweise im 77 GHz-Band für Kfz-Radaranwendungen Bonddrähte sowohl fertigungstechnisch als auch hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften als kritisch einzuordnen. Um reproduzierbare Eigenschaften zu erreichen, sind sehr enge Fertigungstoleranzen einzuhalten. Darüber hinaus sind solche Bondverbindungen verlustbehaftet.

Bekannte Systeme für den mm-Wellenlängenbereich basieren auf unbalancierter Leitungsführung auf einer Leiterplatte. Der Übergang zum MMIC wird entweder durch Bonddrähte bewerkstelligt oder durch eine sogenannte Flip-Chip-Montage des Chips, bei der keine Drahtverbindungen notwendig sind. Allerdings entstehen dabei aufgrund der schlechteren Wärmeabfuhr erhöhte thermische Probleme. Ein anderer bekannter Ansatz ist die Verwendung sogenannter „Hot Vias", welche insbesondere bei GaAs-Halbleitertechnologien verwendet werden. Hierbei kontaktiert man mit Hilfe von Durchkontaktierungen die Chipvorderseite zur Rückseite hin durch. Über eine strukturierte Rückseite wird der Kontakt zur Leiterplatte hergestellt. Dies ist wiederum mit erhöhten Fertigungskosten verbunden und der Einsatz bei leitenden Halbleitersubstraten (z.B. Silizium mit 18.5 Ohm cm) verbietet sich.

Ein bisher in Kfz-Radarsystemen nicht realisierter Ansatz, Mischer ins System zu integrieren, ist die Verwendung durchgängig differentieller Architekturen in Verbindung mit differentiellen Antennen. Bisher wurden hier integrierte Schaltungen basierend auf GaAs-Technologien verwendet. Dabei wurden die Leitungen und Übergänge von einer Leiterplatte zu einem Halbleiterchip meist unbalanciert ausgeführt. Bei diesen Architekturen führen Bonddrähte, die mit dem Massepotential verbunden sind, hochfrequente Signale. Dies hat unerwünschte Störungen in den integrierten Schaltungen zur Folge. Außerdem kann eine Modekonversion von unbalancierter auf balancierte Signalführung innerhalb des Chips notwendig sein, welche verlustbehaftet ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß Ausführungsbeispielen schafft die vorliegende Erfindung eine integrierte Schaltung zum Senden und/oder Empfangen von Signalen mit einem differentiellen Antennenanschluss zum Koppeln mit einer Antenne, einer Verarbeitungsschaltung zum Verarbeiten von differentiellen Signalen und differentiellen Leitungen, die den differentiellen Antennenanschluss mit einem differentiellen Eingang und/oder Ausgang der Verarbeitungsschaltung koppeln.

Somit weisen Ausführungsbeispiele der Erfindung den Vorteil auf, dass eine Verwendung eines differentiellen Antennenanschlusses auf einer integrierten Schaltung, der über differentielle Leitungen mit einem differentiellen Eingang und/oder Ausgang einer Verarbeitungsschaltung der integrierten Schaltung gekoppelt ist, ein Übergang eines Antennensignals zu der integrierten Schaltung differentiell stattfinden kann. Somit können Übergangsverluste reduziert werden. Außerdem kann der Einfluss von Fertigungstoleranzen minimiert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auf dem Chip weniger Modekonversionen von unsymmetrischer zu symmetrischer Signalführung durchgeführt werden muss. Außerdem wird durch die differentielle Signalführung das Übersprechen benachbarter Signale deutlich reduziert.

Kurzbeschreibung der Figuren

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine prinzipielle Darstellung eines Mischer-MMIC in Verbindung mit einer unsymmetrisch gespeisten Patch-Antenne;

2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen differentiellen Mischer-MMIC in Verbindung mit einer differentiellen Patch-Antenne; und

3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen differentiellen Mischer-MMIC in Verbindung mit einer unsymmetrisch gespeisten Patch-Antenne.

4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen differentiellen Radarsystems mit Mischer, Signalquelle und Frequenzwandler.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Bekannte Systeme für den mm-Wellenlängenbereich basieren auf unbalancierter Leitungsführung auf einer Leiterplatte. Ein solches System ist beispielsweise in 1 gezeigt. 1 zeigt eine prinzipielle Darstellung eines Radar-Empfangsmischers, der einen unsymmetrisch (unbalanced oder single ended) beschalteten Mischer-MMIC in Verbindung mit einer unsymmetrisch gespeisten Patch-Antenne aufweist.

1 zeigt einen Halbleiter-Chip 100, der auf einer Leiterplatte (nicht gezeigt) angeordnet ist. Der Chip 100 weist einen externen unsymmetrischen Antennenanschluss 110 für unsymmetrisch geführte elektrische Signale auf, der außerhalb des Chips 100 über eine Leitung 120 mit einer unsymmetrisch gespeisten Patch-Antenne 130 verbunden ist. Unter einem externen Anschluss ist dabei jeweils ein solcher zu verstehen, auf den von ausserhalb des Chips 100 zugegriffen werden kann, um eine Verbindung des Chips 100 mit externen Komponenten zu ermöglichen.

Der Antennenanschluss 110 ist über eine Leitung 140 mit einem unsymmetrischen Anschluss eines HF-Symmetriewandlers 150 (HF-Balun) verbunden. Ein symmetrischer Anschluss des Symmetriewandlers 150 ist über ein Leitungspaar 160 mit einem ersten differentiellen Eingangsanschluss eines differentiellen Mischers 170 verbunden. Ein differentieller Ausgangsanschluss des differentiellen Mischers 170 ist über ein Leitungspaar 180 mit einem externen differentiellen Ausgangsanschluss 190 des Halbleiterchips 100, der als Zwischenfrequenzanschluss (IF output) oder Niederfrequenzanschluss (LF output) bezeichnet werden kann, verbunden. Der differentielle Ausgangsanschluss ist dann mit einer Auswerteschaltung (nicht gezeigt) verbunden.

Ein externer unsymmetrischer Lokaloszillatoranschluss 200 des Halbleiterchips 100 ist über eine Leitung 210 mit einem unsymmetrischen Anschluss eines zweiten Symmetriewandlers 220 (LO-Balun) verbunden. Ein symmetrischer Anschluss des zweiten Symmetriewandlers 220 ist über ein Leitungspaar 230 mit einem zweiten Eingangsanschluss des differentiellen Mischers 170 gekoppelt.

Im Betrieb wird an dem Lokaloszillatoranschluss 200 ein Lokaloszillatorsignal (LO input) bei einer Frequenz von beispielsweise 77 GHz empfangen. An dem Antennenanschluss 110 wird ein Antennensignal empfangen bzw. gesendet. Der Antennenanschluss stellt somit einen Eingangs/Ausgangsanschluss dar, wobei zum Senden der Antennenanschluss über eine geeignete Kopplereinrichtung (nicht gezeigt) mit einem Sendesignal gekoppelt sein kann, beispielsweise über den Lokaloszillatoranschluss. Das Antennensignal kann daher ebenfalls eine Frequenz im Bereich von 77 GHz aufweisen. Der Mischer 170 mischt die an den differentiellen Eingängen desselben empfangenen Signale und gibt eine niederfrequentes Ausgangssignal an dem differentiellen Ausgang desselben aus, das eine Frequenz aufweist, die der Differenz der Frequenzen der an dem Antennenanschluss 110 und an dem Lokaloszillatoranschluss 210 empfangenen Signale entspricht.

Der in 1 skizzierte Radar-Empfangsmischer basiert auf einer unsymmetrischen Leitungsführung auf der Leiterplatte, auf der der Chip 100 angeordnet ist, und am Übergang von der Leiterplatte zu dem Chip 100.

Die Architektur gemäß 1 ist dahingehend nachteilig, dass eine Modekonversion von unbalancierter auf balancierte Signalführung innerhalb des Chips 100 durch die Symmetriewandler 150, 220 notwendig ist, welche verlustbehaftet ist und die Mischerrauschzahl sowie den Konversionsgewinn negativ beeinflusst.

Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung werden differentielle Anschlüsse auf einer integrierten Schaltung bzw. einem Chip verwendet, um Signalübergänge zu einer Antenne zu implementieren. Dies ermöglicht die Verwendung differentieller Antennen in Verbindung mit einer differentiellen Leitungsführung zu differentiellen Verarbeitungsschaltungen, d.h. On-Chip-Schaltungarchitekturen, wie sie beispielsweise bei Si/SiGE-Radar-Hochgeschwindigkeitsschaltungen Anwendung finden. Somit können modekonvertierende Schaltungsblöcke (Symmetriewandler) auf der integrierten Schaltung entfallen, so dass On-Chip-Verluste reduziert oder minimiert werden können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung basieren auf einem bisher unbeschrittenen Weg, bei Kfz-Radarsystemen Mischer ins System zu integrieren, indem eine durchgängig differentielle Architekturen in Verbindung mit differentiellen Antennen verwendet wird. Hierbei können durch die Verwendung differentieller Übergänge die Übergangsverluste reduziert sowie der Einfluss von Fertigungstoleranzen minimiert werden. Im weiteren muss auf der integrierten Schaltung, d.h. dem Chip, keine Modekonversion (unsymmetrisch auf symmetrisch) mehr durchgeführt werden, welche ebenfalls verlustbehaftet ist und die Mischerrauschzahl sowie den Konversionsgewinn negativ beeinflusst.

Gemäß Ausführungsbeispielen schafft die vorliegende Erfindung eine integrierte Schaltung mit einem differentiellen Antennenanschluss auf dem Schaltungssubstrat zum Koppeln mit einer Antenne und/oder differentielle Oszillatoranschlüsse auf dem Schaltungssubstrat zum Koppeln mit einem differentiellen Ausgang einer Oszillatorschaltung, einer Verarbeitungsschaltung auf dem Schaltungssubstrat zum Verarbeiten von differentiellen Signalen und differentiellen Leitungen auf dem Schaltungssubstrat, die den die differentiellen Antennenanschluss und/oder den differentiellen Oszillatoranschluss mit einem differentiellen Eingang und/oder Ausgang der Verarbeitungsschaltung koppeln, wobei die integrierte Schaltung auf einem Halbleitersubstrat aufgebracht ist.

Gemäß Ausführungsbeispielen schafft die vorliegende Erfindung eine Radarschaltung mit einem Oszillator mit einem differentiellen Ausgangsanschluss, einer Antenne mit einem differentiellen Anschluss und einer integrierten Schaltung mit einem differentiellen Oszillatoranschluss, der mit dem differentiellen Ausgangsanschluss des Oszillators gekoppelt ist, einem differentiellen Antennenanschluss, der mit dem Anschluss der Antenne gekoppelt ist, einer Verarbeitungsschaltung mit einem ersten differentiellen Eingang und einem zweiten differentiellen Eingang und ersten differentiellen Leitungen, die den Antennenanschluss mit dem ersten differentiellen Eingang koppeln und zweiten differentiellen Leitungen, die den differentiellen Oszillatoranschluss mit den dem zweiten differentiellen Eingang koppeln.

Gemäß Ausführungsbeispielen schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer integrierten Schaltung, mit einem Schritt des Übertragens eines Antennensignals zwischen einem differentiellen Eingang und/oder Ausgang einer Verarbeitungsschaltung der integrierten Schaltung und einem differentiellen Antennenanschluss einer Antenne ausschließlich über eine differentielle Signalführung.

Gemäß Ausführungsbeispielen schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer integrierten Schaltung, mit einem Schritt des Übertragens eines differentiellen Oszillatorsignals zwischen einem differentiellen Ausgang eines Oszillators und einem differentiellen Eingang einer Verarbeitungsschaltung der integrierten Schaltung ausschließlich über eine differentielle Signalführung.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung weisen ein durchgehend differentielles Design auf, so dass die Vorteile hinsichtlich einer geringerer Anfälligkeit gegenüber Fertigungstoleranzen und hinsichtlich geringerer Verluste umfassend erreicht werden können.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind konfiguriert, um mit Hochfrequenzsignalen mit einer Frequenz von mehr als 1 GHz, bevorzugt mehr als 20 GHz und noch bevorzugter von mehr als 70 GHz zu arbeiten. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind für Radaranwendungen konfiguriert, um beispielsweise in einem Frequenzband bei 5.8 GHz, bei 10.5 GHz, bei 24 GHz, bei 48 GHz oder bei 77 GHz zu arbeiten. Bei Ausführungsbeispielen sind die erfindungsgemäßen integrierten Schaltungen Radarschaltungen, bzw. Kfz-Frontendschaltungen. Beispielsweise können die erfindungsgemäßen integrierten Schaltungen Elemente bzw. Komponenten aufweisen, die durch Sie/SiGe-Technologie-Prozessschritte hergestellt sind.

2 zeigt einen Halbleiter-Chip 300, der einen externen differentiellen Antennenanschluss 310 für differentiell geführte elektrische Signale aufweist, die über ein differentielles Leitungspaar 320 mit einer differentiell gespeisten Patch-Antenne 330 verbunden sind. Ferner ist der differentiellen Antennenanschluss 310 in dem Chip 300 über erste differentielle Leitungen 340 mit einem ersten differentiellen Eingang eines differentiellen Mischers 170 verbunden. Des Weiteren ist ein Ausgang des Mischers 170 über differentielle Leitungen 180 mit einem externen differentiellen Ausgangsanschluss 190 des Halbleiterchips 300 verbunden. Ferner weist der Halbleiter-Chip 300 einen externen differentiellen Lokaloszillatoranschluss 350 auf, welcher in dem Chip 300 über zweite differentielle Leitungen 360 mit einem zweiten differentiellen Eingang des Mischers 170 verbunden ist.

Der Halbleiter-Chip 300 ist auf einer Leiterplatte (nicht gezeigt) angeordnet, auf der ferner die mit dem Antennenanschluss (310) verbundene Antenne (330), ein mit dem Lokaloszillatoranschluss gekoppelter Lokal-Oszillator (nicht gezeigt) und/oder eine mit dem Ausgangsanschluss gekoppelte Auswertungsschaltung (nicht gezeigt) angeordnet sein kann. Die Signalführung auf der Leiterplatte findet differentiell statt.

Ferner finden die Signalübergänge von der Leiterplatte auf den Chip 300 differentiell statt.

Der Lokal-Oszillator kann beispielsweise in Form eines VCO's (Voltage Controlled Oscillator) oder eines DRO's (Dielektrischer Resonanz Oszillator) vorliegen.

Die in 2 gezeigte Schaltung kann, wie die vorher beschriebene Schaltung, als Radar-Empfangsmischer und insbesondere als Kfz-Radar-Empfangsmischer Einsatz finden.

Im Betrieb wird an dem Anschluss 310 von der Antenne 330 ein Antennensignal beispielsweise im Bereich einer Frequenz von 77 GHz empfangen, während an dem Lokaloszillatoranschluss 350 ein Lokaloszillatorsignal von dem Lokal-Oszillator beispielsweise mit einer Frequenz von 77 GHz empfangen wird. Die empfangenen Signale werden von dem Mischer 170 gemischt und an dem Ausgangsanschluss 190 wird ein niederfrequentes Ausgangssignal ausgegeben, das eine Frequenz aufweist, die der Differenz der Frequenzen der Signale an den Eingängen des Mischers 170 entspricht. Das niederfrequente Ausgangssignal wird dann der Auswertungsschaltung zugeführt.

Der Antennenanschluss 310 kann ein Eingangs/Ausgangsanschluss sein, über den sowohl Signale von der Antenne 330 empfangen werden als auch zu derselben ausgegeben werden. In 2 ist lediglich die für das Empfangssignal erforderliche Schaltungsstruktur dargestellt, während optionale Komponenten, um ein Sendesignal an den Antennenanschluss 310 anzulegen, beispielsweise ein Richtkoppler, über den der Antennenanschluss mit dem Lokaloszillatoranschluss gekoppelt sein kann, nicht dargestellt sind.

Die Schaltung basiert auf einer komplett symmetrischen, d.h. differentiellen Leitungsführung auf einer Leiterplatte und innerhalb des Halbleiterchips 300, dessen Substrat ein Silizium-Substrat sein kann und dessen Schaltungskomponenten durch hochfrequenzfähige Prozesse, insbesondere einen Si/SiGe-Prozess, hergestellt sein können. Die Si/SiGe-Technologie wird auf einem Siliziumwafer ausgeführt. Beispielsweise wird bei einer solchen Technologie während der Herstellung der integrierten Schaltung die Basis von Bipolartransistoren mit Germanium dotiert, damit die Transistoren höhere Frequenzen, insbesondere Frequenzen größer als 10 GHz, übertragen können. Die einzelnen Prozessschritte für die Herstellung von Si/SiGe Bipolartransistoren auf einem Siliziumsunstrat sind dem Fachmann geläufig und werden hier nicht weiter im Detail erörtert.

Unter einem differentiellen Anschluss wird in dieser Anmeldung jeweils ein Anschluss mit einem Paar von zwei Anschlusspolen verstanden. Der Abstand zwischen den Anschlusspolen eines jeweiligen Anschlusspolpaars kann kleiner als 1000 &mgr;m, bevorzugt kleiner als 100 &mgr;m und noch bevorzugter kleiner als 50 &mgr;m sein. Verbindungen zwischen den Anschlusspolen und jeweiligen Anschlussstrukturen auf der Leiterplatte können beispielsweise durch Bonddrähte bewerkstelligt werden. Die differentiellen Leitungen der Leitungspaare 180, 340, 360 können jeweils einen Abstand von weniger als 1000 &mgr;m, bevorzugt von weniger als 100 &mgr;m und noch mehr bevorzugt von weniger als 10 &mgr;m zueinander aufweisen und können so zueinander angeordnet sein, dass sie einen vorbestimmten Wellenwiderstand (beispielsweise 50 Ohm) aufweisen.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem der anhand von 2 bereits beschriebene Halbleiter-Chip 300 über den differentiellen Antennenanschluss 310 und die differentielle Leitung 320 mit einem Eingang eines 180° Leistungsteilers 400 (bzw. 180° Balun) verbunden ist. Ein erster unsymmetrischer Ausgang des 180° Leistungsteilers ist über eine Leitung 410 mit einer unsymmetrisch gespeisten Patch-Antenne 130 gekoppelt. Ein zweiter unsymmetrischer Ausgang des 180° Leistungsteilers 400 kann mit anderen Schaltungskomponenten (nicht gezeigt) gekoppelt sein, beispielsweise mit einer weiteren unsymmetrisch gespeisten Patch-Antenne.

Es sei darauf hingewiesen, dass bei weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine auf dem Chip 300 integrierte Verarbeitungsschaltung zusätzlich zu dem oder anstatt des in 2 und 3 dargestellten Mischers 170 auch weitere Schaltungskomponenten zum Verarbeiten differentieller Signale enthalten kann.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen differentiellen Radarsystems mit Mischer, Signalquelle und Frequenzwandler.

4 zeigt ein differentielles FMCW Radar-System (FMCW = Frequency Modulated Continuous Wave) als weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei lediglich ein Empfangspfad dargestellt ist. Ein anhand von 2 bereits beschriebener Halbleiter-Chip 300 ist über einen differentiellen Antennenanschluss 310 und eine differentielle Leitung 320 mit einer Antenne 330 verbunden. Ein differentieller Anschluss 190 des Halbleiter-Chips 300 ist mit einem analogen Eingang eines AD-Wandler 500 (AD = Analog/Digital) verbunden, dessen digitaler Ausgang mit einem Signalverarbeitungsblock 510 gekoppelt ist. Ein differentieller Lokaloszillatoranschluss 350 des Halbleiter-Chips 300 ist über differentielle Leitungen mit einer Signalquelle 520 verbunden, welche wiederum über differentielle Leitungen mit einem Frequenzwandler 530 verschaltet ist.

Bei einem FMCW-Radarsystem, von dem lediglich ein Empfangspfad in 4 gezeigt ist, wird ein linear frequenzmoduliertes Hochfrequenz-Signal verwendet, d.h. eine Sendefrequenz steigt z.B. in einem Zeitintervall linear an (Frequenz-Sweep). Da bei FMCW-Radarsystemen gleichzeitig gesendet und empfangen wird, wird typischerweise eine Sende-/Empfangs-Separationseinheit, wie z.B. ein Zirkulator, ein Hybrid, ein Koppler oder zwei Antennen benötigt. Solch eine Sende-/Empfangs-Separationseinheit ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in 4 nicht gezeigt. Das linear frequenzmoduliertes Hochfrequenz-Signal kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass die Signalquelle 520 und der Frequenzwandler 530 als Teile einer PLL (PLL = Phase Locked Loop) fungieren. Eine Referenzfrequenz an einem Eingang der PLL (nicht gezeigt), die um Größenordnungen tiefer liegen kann als die von der PLL gesteuerten Signalquelle 520 erzeugte Radarfrequenz, ist beispielsweise durch einen DDS (DDS = Direct Digital Synthesizer) bereits linear frequenzmoduliert. Durch eine Verzögerungszeit während einer Signalausbreitung zu einem Reflektor ändert sich zwischenzeitlich die Sendefrequenz, so dass man mit dem Mischer 170 aus der Differenz der momentanen Sendefrequenz, die am Eingang 350 anliegt, und der Empfangsfrequenz, die am Antenneneingang 310 anliegt, ein niederfrequentes Signal (typisch bis einige kHz) am Ausgang 190 erhält. Dessen Frequenz ist proportional zu einem Reflektorabstand. Bei FMCW-Radarsystemen wird also eine Verzögerungszeit in eine Frequenz umgewandelt. Ist der Frequenz-Sweep linear, bleibt die Frequenz des Niederfrequenz-Mischsignal während des Sweepvorgangs konstant. Durch die niedrigen resultierenden Signalfrequenzen ist die weitere Signalverarbeitung in dem Block 510 technisch relativ einfach und sehr genau möglich. Gewöhnlich geschieht die Auswertung mittels digitaler Signalverarbeitung.

Beispielsweise könnte bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Signalquelle auf dem Chip vorgesehen sein, die einen differentiellen Ausgang aufweist, der mit dem differentiellen Eingang der Signalverarbeitungseinrichtung, die durch einen Mischer gebildet sein kann, gekoppelt ist. Dabei könnte die Signalquelle beispielsweise ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) oder ein dielektrischer Resonanzoszillator (DRO) sein. Im Gegensatz zu den in 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispielen sind hier Mischer und Signalquelle gemeinsam auf dem Chip integriert.

Alternativ kann die Signalquelle einen Schaltung sein, die ein empfangenes Oszillatorsignal verarbeitet. Die Signalquelle kann somit einen differentiellen Eingang aufweisen, der über differentielle Leitungen mit dem Lokaloszillatoranschluss gekoppelt ist.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann der Chip eine Verarbeitungsschaltung mit einem Mischer mit einem ersten differentiellen Eingang und einem zweiten differentiellen Eingang, einer Signalquelle mit einem ersten und zweiten differentiellen Ausgang sowie einen Frequenzwandler mit einem differentiellen Eingang und einem differentiellen Ausgang aufweisen, wobei der erste differentielle Eingang des Mischers über differentielle Leitungen mit dem differentiellen Antennenanschluss gekoppelt ist, der zweite differentielle Eingang des Mischers über differentielle Leitungen mit dem ersten differentiellen Ausgang der Signalquelle und der differentielle Eingang des Frequenzwandlers mit dem zweiten differentiellen Ausgang der Signalquelle gekoppelt ist.

Die komplett differentielle Architektur der beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung beruht auf dem Ansatz, die Differenz zwischen zwei Signalen auszuwerten, anstelle des Absolutwertes eines Signals und einer Schwelle bzw. eines Bezugspotentials. Der Weg über die Differenz zwischen zwei Signalen bietet die Möglichkeit, auch bei extrem verrauschten Werten beispielsweise ein logisches High-Signal von einem logisches Low-Signal unterscheiden zu können.

Störungen in einem System beeinflussen Signale üblicherweise im Gleichtakt. Da bei einer Gleichtaktstörung die Störung auf alle Signale die gleichen Auswirkungen hat, lässt sich ein differentielles Signal immer noch ohne Probleme erkennen. Aus dem Vorzeichen der Differenz lässt sich beispielsweise bestimmen, ob es sich bei dem Signal um Low- oder High-Signal handelt.

Was Störungen betrifft, so erweist sich das Massepotential meistens als Ursache. Sämtliche Komponenten in einem System sind mit dem Massepotential verbunden. Wird durch eine Komponente eines Systems eine Störung auf dem Massepotential verursacht, so wirkt sich diese Störung bei einer unbalancierten Architektur auf andere Komponenten des Systems aus, d.h. die Isolation zwischen den einzelnen Komponenten ist begrenzt. Bei einer rein differentiellen Architektur sind solche Störungen des Massepotentials unerheblich. Der erhöhte Störabstand zusammen mit der Gleichtaktunterdrückung differentieller Architekturen sorgt dafür, dass differentielle Architekturen auch in störbehafteten Umgebungen ein exzellentes Verhalten aufweisen. Die differentielle Signalübertragung kommt so mit extrem niedrigen Spannungsänderungen aus. Bei gleicher Flankensteilheit liegt die mit einem differentiellen Signal mögliche Arbeitsfrequenz deutlich über der von unbalancierten Schaltungen, denn der für die Übertragung eines gültigen Signals benötigte Spannungsschub ist sehr viel kleiner.

Ein weiterer Vorteil der differentiellen Architektur ist der Umstand, dass die beiden differentiellen Signale auf gleich großen, aber zueinander komplementären Strömen beruhen. Verlaufen die Ströme gleich groß und komplementär zueinander, so trifft dies auch auf deren Magnetfelder zu. Solange die Leiterbahnen eng beieinander liegen, löschen sich die Anteile der Magnetfelder weitgehend gegenseitig aus, was die Störstrahlung reduziert.

Vergleicht man nun das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit der in 1 gezeigten Schaltung, so fällt auf, dass aufgrund der differentiellen Signalführung auf dem Chip 300 die beiden Baluns 150, 220 entfallen. Durch Baluns werden die Isolationsbedingungen gegen Erde/Masse transformiert (symmetrisch/unsymmetrisch). Durch den Wegfall der Baluns 150, 220 verbessert sich in Folge reduzierter Verluste die Mischerrauschzahl um etwa 1 bis 2 dB bei einer Frequenz von f = 77 GHz. Eine zusätzliche Verbesserung der Mischerrauschzahl entsteht in Folge reduzierter Übergangsverluste von Signalen außerhalb des Chips 300 in den Chip 300 hinein aufgrund der Verwendung der differentiellen Bonds 310, 350.

Bestehende Radar-Empfangsmischer, wie sie in 1 gezeigt sind, beruhen meist auf GaAs-Technologie. Aufgrund des geringeren Preises von Silizium und dessen größere Einkristalle, wodurch mehr Chips in einem Durchgang produziert werden können, und der Möglichkeit, in Silizium leichter isolierende Bereiche zu erzeugen, als es bei GaAs möglich ist, ist eine Realisierung obiger Radar-Empfangsmischer in einer Si/SiGe-Technologie vorteilhaft. Demnach basiert bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung das Schaltungssubstrat auf einer Si/SiGe-Technologie.


Anspruch[de]
Integrierte Schaltung (300) zum Senden und/oder Empfangen von Signalen mit folgenden Merkmalen:

einem differentiellen Antennenanschluss (310) zum Koppeln mit einer Antenne (130; 330);

einer Verarbeitungsschaltung (170) zum Verarbeiten von differentiellen Signalen; und

erste differentielle Leitungen (340), die den differentiellen Antennenanschluss (310) mit einem differentiellen Eingang und/oder Ausgang der Verarbeitungsschaltung (170) koppeln.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1 mit einem differentiellen Oszillatoranschluss (350) zum Koppeln mit einem differentiellen Ausgang eines Oszillators. Integrierte Schaltung nach Anspruch 2 mit zweiten differentiellen Leitungen (360), die den differentiellen Oszillatoranschluss (350) mit einem differentiellen Eingang und/oder Ausgang der Verarbeitungsschaltung (170) koppeln. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der differentielle Antennenanschluss (310) und/oder der differentielle Oszillatoranschluss (350) jeweils ein Paar von Anschlusspolen aufweisen. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die integrierte Schaltung (300) auf einem Halbleitersubstrat aufgebracht ist. Integrierte Schaltung nach Anspruch 5, wobei das Halbleitersubstrat ein Siliziumsubstrat ist. Integrierte Schaltung nach Anspruch 6, wobei die integrierte Schaltung (300) Schaltungselemente aufweist, die durch einen Si/SiGe-Prozess hergestellt worden sind. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signale eine Frequenz von mehr als 1 GHz, bevorzugt mehr als 20 GHz und noch mehr bevorzugt von mehr als 70 GHz aufweisen. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 3–8, bei der die Verarbeitungsschaltung einen Mischer (170) mit einem ersten differentiellen Eingang und einem zweiten differentiellen Eingang aufweist, wobei der erste Eingang über die ersten differentiellen Leitungen (340) mit dem differentiellen Antennenanschluss (310) gekoppelt ist und der zweite Eingang über die zweiten differentiellen Leitungen (360) mit einem oder dem differentiellen Oszillatoranschluss (350) gekoppelt ist. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 3–8, bei der die Verarbeitungsschaltung einen Mischer (170) mit einem ersten differentiellen Eingang und einem zweiten differentiellen Eingang sowie eine Signalquelle mit einem differentiellen Ausgang aufweist, wobei der erste differentielle Eingang des Mischers (170) über die ersten differentiellen Leitungen (340) mit dem differentiellen Antennenanschluss (310) gekoppelt ist, und der zweite differentielle Eingang des Mischers über die zweiten differentiellen Leitungen mit dem differentiellen Ausgang der Signalquelle gekoppelt ist. Integrierte Schaltung nach Anspruch 10, wobei die Signalquelle ein erster spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) oder ein erster dielektrischer Resonanzoszillator (DRO) ist. Integrierte Schaltung Anspruch 10 oder 11, bei der die Verarbeitungsschaltung einen Frequenzwandler mit einem differentiellen Eingang und einem differentiellen Ausgang aufweist, wobei die Signalquelle einen ersten und einen zweiten differentiellen Ausgang aufweist, wobei der differentielle Eingang des Frequenzwandlers mit dem zweiten differentiellen Ausgang der Signalquelle gekoppelt ist. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, die ferner einen differentiellen Ausgangsanschluss (350) aufweist, wobei der Mischer (170) einen differentiellen Ausgang aufweist, der über die zweiten differentiellen Leitungen (360) mit dem differentiellen Ausgangsanschluss (350) gekoppelt ist. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sämtliche Signalwege differentielle Leitungen aufweisen. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der differentielle Antennenanschluss (310) und/oder der differentielle Oszillatoranschluss (350) ein Paar von Anschlusspolen mit jeweils einem Abstand von weniger als 1000 Mikrometer, bevorzugt von weniger als 100 Mikrometer und noch mehr bevorzugt von weniger als 50 Mikrometer aufweisen. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die differentiellen Leitungen einen Abstand von weniger als 1000 Mikrometer, bevorzugt von weniger als 100 Mikrometer und noch mehr bevorzugt von weniger als 10 Mikrometer jeweils zueinander aufweisen. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die differentiellen Leitungen so zueinander angeordnet sind, dass sie einen vorbestimmten Wellenwiderstand aufweisen. Integrierte Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antenne eine differentielle Antenne ist. Integrierte Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche wobei die Antenne ein eingliedriges Antennenelement aufweist, das über einen Leistungsteiler mit dem differentiellen Antennenanschluss gekoppelt ist, wobei der Leistungsteiler bevorzugt ein 180°-Leistungsteiler ist. Integrierte Schaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Oszillator ein lokaler Oszillator (LO) ist. Integrierte Schaltung mit folgenden Merkmalen:

einem differentiellen Antennenanschluss (310) zum Koppeln mit einer Antenne (130; 330) und/oder differentielle Oszillatoranschlüsse (350) zum Koppeln mit einem differentiellen Ausgang einer Oszillatorschaltung;

einer Verarbeitungsschaltung (170) zum Verarbeiten von differentiellen Signalen; und

erste und zweite differentiellen Leitungen (180; 340; 360), die den die differentiellen Antennenanschluss (310) und/oder den differentiellen Oszillatoranschluss (350) mit einem differentiellen Eingang und/oder Ausgang der Verarbeitungsschaltung koppeln,

wobei die integrierte Schaltung auf einem Halbleitersubstrat integriert ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 21 wobei die Schaltung (300) Schaltungselemente aufweist, die mit Si/SiGe-Technologieprozesschritten hergestellt sind. Integrierte Schaltung nach Anspruch 21 oder 22 zur Verwendung für Hochfrequenzsignale, die eine Frequenz von mehr als 1 GHz, bevorzugt mehr als 20 GHz und noch bevorzugter mehr als 70 GHz aufweisen. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 21–23, bei der die Verarbeitungsschaltung (300) einen Mischer (170) mit einem ersten differentiellen Eingang und einem zweiten differentiellen Eingang aufweist, wobei der erste Eingang über die ersten differentiellen Leitungen (340) mit dem differentiellen Antennenanschluss (310) gekoppelt ist und der zweite Eingang über die zweiten differentiellen Leitungen mit dem differentiellen Oszillatoranschluss (350) gekoppelt ist. Integrierte Schaltung nach Anspruch 24, die ferner einen differentiellen Ausgangsanschluss (190) aufweist, wobei der Mischer einen differentiellen Ausgang aufweist, der über dritte differentielle Leitungen (180) mit dem differentiellen Ausgangsanschluss (190) gekoppelt ist. Integrierte Schaltung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, bei der sämtliche Signalwege differentielle Leitungen aufweisen. Integrierte Schaltung mit folgenden Merkmalen:

einer Einrichtung zum Empfangen differentieller Antennensignale von einer Antenne;

einer Einrichtung zum Empfangen differentieller Oszillatorsignale von einem differentiellen Ausgang eines Oszillators;

einer Einrichtung zum Verarbeiten von differentiellen Signalen; und

Einrichtungen zur differentiellen Signalführung, die die Einrichtungen zum Empfangen differentieller Signale mit einem differentiellen Eingang und/oder Ausgang der Einrichtung zum Verarbeiten verbinden.
Radarschaltung mit folgenden Merkmalen:

einem Oszillator mit einem differentiellen Ausgangsanschluss;

einer Antenne (330) mit einem differentiellen Anschluss; und

einer integrierten Schaltung (300), die folgende Merkmale aufweist:

einen differentiellen Oszillatoranschluss (350), der mit dem differentiellen Ausgangsanschluss des Oszillators gekoppelt ist;

einen differentiellen Antennenanschluss (310), der mit dem Anschluss der Antenne (330) gekoppelt ist;

eine Verarbeitungsschaltung (170) mit einem ersten differentiellen Eingang und einem zweiten differentiellen Eingang; und

ersten differentiellen Leitungen (340), die den Antennenanschluss (310) mit dem ersten differentiellen Eingang koppeln und zweiten differentiellen Leitungen 360), die den differentiellen Oszillatoranschluss (350) mit dem zweiten differentiellen Eingang koppeln.
Verfahren zum Betreiben einer integrierten Schaltung, mit folgendem Schritt:

Übertragen eines Antennensignals zwischen einem differentiellen Eingang und/oder Ausgang einer Verarbeitungsschaltung der integrierten Schaltung und einem differentiellen Antennenanschluss einer Antenne ausschließlich über eine differentielle Signalführung.
Verfahren zum Betreiben einer integrierten Schaltung, mit folgendem Schritt:

Übertragen eines differentiellen Oszillatorsignals zwischen einem differentiellen Ausgang eines Oszillators und einem differentiellen Eingang einer Verarbeitungsschaltung der integrierten Schaltung ausschließlich über eine differentielle Signalführung.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com