專利名稱：在高精度長期頻率/定時測量中的噪聲抑制技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及噪聲抑制技術(shù)，尤其是涉及使用相關(guān)的噪聲抑制技術(shù)。
背景技術(shù)：
高精度長期頻率/定時測量技術(shù)在工程應(yīng)用中例如在通信、電子和傳感器系統(tǒng)的領(lǐng)域中具有至關(guān)重要的作用。在范圍從測量技術(shù)到頻率標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用中，精度常常受到低頻偏移相位噪聲的限制。這種噪聲可以部分地歸因于“有色噪聲” ("colored noise")，即作為頻率的函數(shù)而變化的噪聲，例如Ι/f3噪聲。有色噪聲在高頻測量中可以由低頻噪聲的上變頻引起。例如，閃變效應(yīng)噪聲可以出現(xiàn)在頻率/定時塊的基頻和諧波頻率處。由于有色噪聲在鄰近的測量樣本之間呈現(xiàn)高相關(guān)性，不能對它采用傳統(tǒng)的樣本平均方法進(jìn)行抑制。高精度長期頻率/定時測量技術(shù)在現(xiàn)代生物傳感器中例如在磁生物傳感器應(yīng)用中是非常重要的。以便攜式微陣列形式的磁生物傳感器已經(jīng)被提出以取代或加強(qiáng)傳統(tǒng)熒光傳感器，其需要體積大和昂貴的光學(xué)系統(tǒng)。此外，便攜式微陣列生物傳感器對護(hù)理地點 (Point-of Care) (POC)醫(yī)學(xué)應(yīng)用例如疾病檢測、控制和監(jiān)控是有前途的，其中關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)是手持便攜性、高靈敏度、電池級功率消耗以及低成本。但是，如所報道的磁傳感器迄今為止要求外部偏置磁場和/或復(fù)雜的后處理，限制了它們的形狀因子和成本。采用高精度頻率/定時測量技術(shù)的超靈敏頻移測量方案被提出以處理這些問題。然而，相位噪聲、尤其是在便攜式微陣列磁生物傳感器原型中的低頻噪聲仍然是存在問題的。因此，所需要的是大大地抑制在頻率/定時測量技術(shù)中的相位噪聲功率而不顯著地增加成本和功率消耗的方法和儀器。

發(fā)明內(nèi)容
在一方面，本發(fā)明涉及包括具有參考源輸出端子的參考源的頻率/定時測量儀器。至少一個目標(biāo)源具有目標(biāo)源輸出端子。至少一個目標(biāo)源通信地耦合到參考源。頻率定時測量塊具有電耦合到參考源輸出端子的第一輸入端子、電耦合到目標(biāo)源輸出端子的第二輸入端子、以及至少一個輸出端子。頻率定時測量塊被配置成執(zhí)行噪聲成形技術(shù)以減少可歸因于在該參考源和目標(biāo)源之間相關(guān)的相位噪聲的測量誤差，并在所述至少一個輸出端子處提供減少的相關(guān)噪聲測量。 在一個實施方式中，參考源和至少一個目標(biāo)源共享至少一個公共電路元件。
在另一實施方式中，所述至少一個公共電路元件以時間復(fù)用方式和同步方式中的所選擇的一個而被共享。在又一實施方式中，相位噪聲包括低頻相位噪聲。在又一實施方式中，低頻相位噪聲包括Ι/f3噪聲。在又一實施方式中，參考源包括參考源LC儲能電路，并且至少一個目標(biāo)源包括至少一個目標(biāo)源LC儲能電路，以及該參考源LC儲能電路和所述至少一個目標(biāo)源LC儲能電路被配置成以時間復(fù)用方式和同步方式中的所選擇的一個共享公共振蕩器有源核心。在又一個實施方式中，該儀器包括一個或多個集成單元，每個集成單元具有多個 LC儲能電路，LC儲能電路之一用作參考源LC儲能電路。在又一個實施方式中，該儀器包括以時間復(fù)用方式由多個復(fù)用器尋址的兩個或更多個集成單元。在又一個實施方式中，參考源包括參考源RC電路，而至少一個目標(biāo)源包括至少一個目標(biāo)源RC電路，并且參考源RC電路和至少一個目標(biāo)源RC儲能電路被配置成以時間復(fù)用方式和同步方式中的所選擇的一個共享公共張弛振蕩器放大器。在又一個實施方式中，頻率/定時測量儀器集成在公共基片上。在又一個實施方式中，頻率定時測量塊包括多個級聯(lián)延遲器和頻率計數(shù)器。在又一個實施方式中，頻率計數(shù)器的至少一個包括一位計數(shù)器。在又一個實施方式中，頻率/定時測量儀器包括M個頻率計數(shù)器和M個級聯(lián)延遲器。這M個級聯(lián)延遲器的每一個被配置成具有延遲TD。在又一個實施方式中，MXTd等于或大于參考頻率和目標(biāo)源頻率中的所選擇的一個的振蕩周期。在又一個實施方式中，儀器包括磁生物傳感器陣列。在又一個實施方式中，磁生物傳感器陣列被配置成利用相關(guān)雙計數(shù)噪聲抑制技術(shù)。在另一方面，本發(fā)明涉及抑制相關(guān)噪聲的方法，其包括下列步驟提供產(chǎn)生參考源信號的參考源和產(chǎn)生目標(biāo)源信號的至少一個目標(biāo)源，參考源和目標(biāo)源被配置成建立在參考源信號和至少一個目標(biāo)源信號之間的相位噪聲的相關(guān)性；提供配置成測量參考源信號和目標(biāo)源信號中的所選擇的一個的測量塊；對至少一個目標(biāo)源信號和參考信號的至少一個差分地計數(shù)N次以提供N個差分測量；基于這N個差分測量的平均值來計算至少一個目標(biāo)源的每一個的減少的相關(guān)噪聲測量；以及記錄每一個減少的相關(guān)噪聲測量。在一個實施方式中，提供測量塊的所述步驟包括提供頻率定時塊
在另一實施方式中，提供頻率定時測量塊的步驟包括提供分?jǐn)?shù)計算塊。在又一實施方式中，差分地計數(shù)的步驟包括同步相關(guān)差分計數(shù)方案。在又一實施方式中，差分地計數(shù)的步驟包括正常模式相關(guān)差分計數(shù)方案。在又一實施方式中，差分地計數(shù)的步驟包括交錯N模式相關(guān)差分計數(shù)方案。在又一實施方式中，差分地計數(shù)的步驟包括在τ /N的時間間隔上差分地計數(shù)，其中τ是所述參考源的測量和所述目標(biāo)源的測量中的所選擇的一個的總的累積測量，而N是交錯部分的總數(shù)。在又一實施方式中，分?jǐn)?shù)計算塊包括多個級聯(lián)延遲器和頻率計數(shù)器。在又一實施方式中，相位噪聲包括低頻相位噪聲。
在又一實施方式中，低頻相位噪聲包括l/f3噪聲。在又一實施方式中，提供參考源和至少一個目標(biāo)源的步驟還包括提供參考源LC 儲能電路和至少一個目標(biāo)源LC儲能電路，參考源LC儲能電路和至少一個目標(biāo)源LC儲能電路被配置成以時間復(fù)用方式和同步方式中的所選擇的一個共享公共振蕩器有源核心。在又一實施方式中，提供參考源和至少一個目標(biāo)源的步驟還包括提供參考源RC 電路和至少一個目標(biāo)源RC電路，參考源RC電路和至少一個目標(biāo)源RC電路被配置成以時間復(fù)用方式和同步方式中的所選擇的一個共享公共張弛振蕩器放大器。在又一方面，本發(fā)明涉及包括具有參考源端子的參考源的頻率/定時測量儀器。 至少一個目標(biāo)源具有目標(biāo)源端子。至少一個有源核心具有至少兩個有源核心輸入和一個有源核心輸出端子。有源核心被配置成產(chǎn)生表示至少一個目標(biāo)源的電感和參考源的電感中的所選擇的一個的頻率。開關(guān)電路配置成以時間復(fù)用方式和同步方式中的所選擇的一個將有源核心電耦合到參考源端子和至少一個目標(biāo)源端子中的所選擇的一個。頻率定時測量塊具有電耦合到有源核心輸出端子的頻率定時測量塊輸入端子、和至少一個頻率定時測量塊輸出端子。頻率定時測量塊被配置成執(zhí)行噪聲成形技術(shù)以減少可歸因于在參考源和目標(biāo)源之間相關(guān)的相位噪聲的測量誤差，并在至少一個頻率定時測量塊輸出端子處提供減少的相關(guān)噪聲測量。本發(fā)明的上述和其它目的、方面、特征以及優(yōu)勢從下面的說明和權(quán)利要求中將會
變得更明顯。附圖的簡要說明參考下面描述的附圖和權(quán)利要求，可以更好地理解本發(fā)明的目的和特征。附圖不一定按比例，而是一般著重于說明本發(fā)明的原理。在附圖中，相似的數(shù)字在各種視圖中始終用于指示相似的部分。

圖1顯示說明差分感測方案的方框圖。圖2顯示說明對測量N個頻率/定時源有用的差分感測方案的方框圖。圖3A顯示用于建立在參考源和一個或多個目標(biāo)源之間的相位噪聲相關(guān)性的LC振蕩器的一個示例性實施方式。圖;3B顯示用于建立在參考源和一個或多個目標(biāo)源之間的相位噪聲相關(guān)性的RC振蕩器的另一示例性實施方式。圖4顯示說明基本的交替差分感測方案的測量過程的時間線。圖5顯示說明用于實現(xiàn)N個目標(biāo)源的交替差分感測方案的一個示例性方案的時間線。圖6顯示說明用于實現(xiàn)N個目標(biāo)源的交替差分感測方案的另一示例性方案的時間線。圖7顯示說明用于針對一個參考源和一個目標(biāo)源的示例性情形來實現(xiàn)交錯N模式交替相關(guān)差分計數(shù)方案的一個示例性方案的時間線。圖8A顯示說明針對源頻率測量的交錯N交替相關(guān)差分計數(shù)方案的一個示例性實現(xiàn)的方框圖。圖8B顯示用于實現(xiàn)圖8A的分?jǐn)?shù)頻率計數(shù)塊的示例性實施方式。圖8C顯示用于實現(xiàn)圖8A的分?jǐn)?shù)頻率計數(shù)塊的可選的示例性實施方式。
圖9顯示電感頻移磁感測方案的圖示。圖10顯示基于振蕩器的頻移感測設(shè)備的本底噪聲的示例性曲線圖。圖11顯示說明正常差分感測方案和⑶C(相關(guān)雙計數(shù))方案的原理圖，其中1/f3 相位噪聲在兩個振蕩器之間是相關(guān)的。圖12是顯示正常差分方案和⑶C方案的噪聲成形函數(shù)的噪聲成形曲線圖。圖13顯示示例性四核心⑶C傳感器單元的原理圖。圖14顯示完整的示例性傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方框圖。圖15A顯示系統(tǒng)的芯片縮微照片，以及圖15B是一個四核心傳感器單元的放大視圖。圖16顯示測定的振蕩器的相位噪聲的曲線圖。圖17顯示相對于計數(shù)時間繪制的頻率不確定性的示例性曲線圖。圖18顯示對于⑶C方案、正常差分方案和無差分運算方案在時域中的頻率計數(shù)結(jié)果的曲線圖。圖19顯示具有沉積珠(cbposited bead)的傳感器位置的一個示例性SEM圖像。圖20是顯示相對于珠數(shù)的傳感器頻移的曲線圖。圖21顯示在兩次測量期間具有相同的Stc (f)的NMOS有源核心的時間線圖。圖22顯示在兩次測量期間具有相同的Stc (f)和零復(fù)位時間的NMOS有源核心的時間線23顯示相對于交錯部分的數(shù)目(N)繪制的所計算的ζ2(標(biāo)準(zhǔn)化)的曲線圖。詳細(xì)說明本文描述的技術(shù)利用在測量目標(biāo)和測量參考/標(biāo)準(zhǔn)之間的差分感測。測量儀器配置成在兩個源之間建立相位噪聲的相關(guān)性。通過結(jié)合下面描述的定時方法應(yīng)用該技術(shù)，這些技術(shù)導(dǎo)致相關(guān)相位噪聲的噪聲成形，并大大地抑制相關(guān)相位噪聲，尤其是低頻移內(nèi)容。差分感測圖1顯示說明差分感測方案的方框圖。在圖1中，塊1是我們想要測量的目標(biāo)源， 而塊2是用作頻率/定時標(biāo)準(zhǔn)的參考源。塊3感測這兩個源的頻率/定時。塊3可以例如被實現(xiàn)為同步頻率計數(shù)或可選地實現(xiàn)為在塊之間的交替的頻率計數(shù)。圖2顯示說明對測量N個頻率/定時源有用的差分感測方案的方框圖。在圖2中， N個源中的任何一個可以作為參考源起作用，而剩下的N-I個源相對于參考源作為N-I個目標(biāo)源被測量。有在參考源和一個或多個目標(biāo)源之間建立低頻偏噪聲的相關(guān)性的許多方法。 3Α 顯示用于在參考源和一個或多個目標(biāo)源之間建立相位噪聲的相關(guān)性的LC振蕩器的一個示例性實施方式。在這個示例性電路拓?fù)渲?，兩個諧振儲能電路共享公共振蕩器有源核心。塊 3代表共享的有源核心，其被用于在目標(biāo)源和參考源之間建立低頻噪聲的相關(guān)性。開關(guān)K” /K1, K2和/K2被用于控制在有源核心和諧振儲能電路之間的連接。有源核心因此能以時間復(fù)用方式或同步方式被η個源共享。應(yīng)理解，可存在另外的Kn開關(guān)以與多于兩個的儲能電路共享同一有源核心。存在建立這種相關(guān)性的其它電路和方法。預(yù)期的是目標(biāo)源可以通信地耦合到參考源，使得在參考源和目標(biāo)源之間的相位噪聲被關(guān)聯(lián)而不利用諸如公共有源核心的共享電路元件。
圖;3B顯示用于在參考源和一個或多個目標(biāo)源之間建立諸如低頻偏噪聲的噪聲的相關(guān)性的RC振蕩器的另一示例性實施方式。在這個電路中，基本的感測或參考振蕩器可以包括作為有源核心的反饋運算放大器(OP-Amp)和作為N個檢測位置的可轉(zhuǎn)接的RC網(wǎng)絡(luò)， 其測量電阻(例如，Rllk-R3,,)或電容(例如，Clik-C3,,)的變化，其中k從1到N。在檢測“參考”的操作階段中，僅&。f開關(guān)是閉合的。反饋運算放大器和最上層RC 網(wǎng)絡(luò)形成基于張弛的參考振蕩器。在檢測特定位置k的感測期間，僅&開關(guān)是閉合的。反饋運算放大器和第k個RC網(wǎng)絡(luò)形成(第k個感測位置的)基于張弛的感測振蕩器。在圖;3B的實施方式中，有色相位噪聲的主要源一般歸因于運算放大器中的有源器件。在參考振蕩器和感測振蕩器的有色相位噪聲之間也有高度的相關(guān)性。如本文所描述的，在參考源和N個目標(biāo)(感測)源之間的這種差分運算大大地抑制相關(guān)相位噪聲，并增加檢測(測量)的靈敏度。雖然圖3A和圖;3B的實施方式顯示了示例性的LC和RC參考和目標(biāo)源振蕩器，但是可以使用可響應(yīng)于物理參數(shù)(例如，在感測目標(biāo)體積中存在的珠的數(shù)量)而產(chǎn)生的其它振蕩器，例如RL振蕩器或任何其它適合類型的振蕩器。噪聲成形技術(shù)同步相關(guān)差分計數(shù)方案在同步相關(guān)差分計數(shù)方案中，例如顯示在圖1中的兩個頻率/定時源或圖2中的N 個頻率/定時源被同步地測量。頻率/定時差異被獲取作為測量結(jié)果，得到源的相關(guān)噪聲功率的高度抑制。 交替相關(guān)差分計數(shù)方案(正常模式)在例如在源之間存在強(qiáng)耦合的許多應(yīng)用中，在上文描述的同步頻率/定時是較不適合的。因此，采用諸如正常模式交替相關(guān)差分計數(shù)方案的另一方法可能是優(yōu)選的。圖4顯示說明基本的交替差分感測方案的測量過程的時間線。為簡單起見，我們假定有一個參考源和一個目標(biāo)源。這里，這兩個源在不同的時隙操作，因此避免在測量期間源之間的不希望有的耦合?，F(xiàn)在我們轉(zhuǎn)到在交替相關(guān)差分計數(shù)方案中被測量的多個目標(biāo)源的情況。我們描述對于如圖5和圖6的時間線所顯示的N個目標(biāo)源的這種情形的兩個示例性的可選的方法， 其中N是大于1的整數(shù)。也可以組合如本文所描述的這種方案。圖5顯示說明用于針對N個目標(biāo)源實現(xiàn)交替差分感測方案的一個示例性方案的時間線。在這個實施方式中，首先測量參考源，接著測量N個目標(biāo)源的每一個。在每個時間間隔T3 期間進(jìn)行測量。在每次測量之間，存在“復(fù)位”時間Tafi，Tafi范圍可以從T3 的一部分到實質(zhì)上為0的時間。圖6顯示說明用于針對N個目標(biāo)源實現(xiàn)交替差分感測方案的另一示例性方案的時間線。在這個實施方式中，每當(dāng)要測量目標(biāo)源時，在每次目標(biāo)源測量前或后測量參考源。交替相關(guān)差分計數(shù)方案(交錯N模式)在交替頻率計數(shù)情形中，低頻偏相位噪聲失去其在測量樣本之間與長計數(shù)時間的相關(guān)性，這限制了噪聲抑制。但是，這個長計數(shù)方案不能容易地簡化，因為它限制了頻率感測不確定性。交錯N模式交替相關(guān)差分計數(shù)方案處理這個問題。圖7顯示說明用于針對一個參考源和一個目標(biāo)源的示例性情形實現(xiàn)交錯N模式交替相關(guān)差分計數(shù)方案的一個示例性方案的時間線。在這個方案中，差分信號被給出作為N 次測量的平均值，由下列方程示出
差分信號=丟目標(biāo)測量i -參考測量ο N 1-1其中目標(biāo)測量i和參考測量i是在第i個時隙中目標(biāo)源和參考源的測量，i從1變化到N。可以看到，假定復(fù)位時間Tmi可以忽略不計，這個方案提供在同一總測量時間2 τ 內(nèi)對參考源和目標(biāo)源之間的低頻相關(guān)噪聲的高得多的抑制。為了促進(jìn)這個方案的功能，需要保證測量精度在測量時隙τ/N中足夠高。圖8Α顯示說明源頻率測量的交錯N交替相關(guān)差分計數(shù)方案的一個示例性實現(xiàn)的方框圖。分?jǐn)?shù)計數(shù)塊保證對每個τ/N時隙的測量精度(說明不確定性)足夠高，使得總的頻率測量得到保證。圖8Β和圖8C顯示用于實現(xiàn)圖8Α的分?jǐn)?shù)頻率計數(shù)塊的可選的示例性實施方式。在圖8Β中，測量信號(目標(biāo)或參考)的一個被耦合到延遲Td級聯(lián)的第一延遲 Td和M個計數(shù)器的每一個的第一輸入，而計數(shù)器啟動信號被耦合到M個計數(shù)器的每一個的第二計數(shù)器輸入。在圖8C中，計數(shù)器啟動信號被耦合到延遲Td級聯(lián)的第一延遲Td和M個計數(shù)器的每一個的第一輸入，而測量信號(目標(biāo)或參考)的一個被耦合到M個計數(shù)器的每一個的第二計數(shù)器輸入。M是大于1的整數(shù)。因此，如果選擇總的延遲時間MXTd使得MXTd等于或略大于我們想要測量的信號的振蕩周期，通過對M個頻率計數(shù)輸入進(jìn)行平均，我們將得到具有大約N/(TdXM)精度的分?jǐn)?shù)。因此，對于期望的頻率計數(shù)精度可以在τ/N測量時隙內(nèi)選擇Μ。同樣，如果使MX Td等于或略大于信號的振蕩周期，M個頻率計數(shù)器結(jié)果僅在其最低有效位上不同。因此，在一些實施方式中，一個頻率計數(shù)器可以利用全部位來實現(xiàn)，而剩下的M-I個計數(shù)器可以僅利用一位來實現(xiàn)，簡化了計數(shù)器的實現(xiàn)。也可以將交錯N模式交替相關(guān)差分計數(shù)方案疊加到其它方案(例如圖5和圖6) 上以測量N個源。使用相關(guān)雙計數(shù)噪聲抑制的超靈敏CMOS磁生物傳感器陣列現(xiàn)在詳細(xì)說明利用上文描述的噪聲抑制技術(shù)的可調(diào)整的和超靈敏的頻移磁生物感測陣列方案。在這個例證性例子中，傳感器本底噪聲的理論限制實質(zhì)上由感測振蕩器的相位噪聲控制。為了增加靈敏度，采用了噪聲抑制技術(shù)，即沒有功率開銷的相關(guān)雙計數(shù) (⑶C)。作為實現(xiàn)的例子，在標(biāo)準(zhǔn)65nm CMOS工藝中設(shè)計了 64-單元傳感器陣列。⑶C方案實現(xiàn)了額外的6dB噪聲抑制。所提供的傳感器的磁感測能力通過利用單個珠的14. 6dB的信噪比(SNR)和至少74. 5dB的有效動態(tài)范圍檢測微米大小的磁性粒子得到驗證。這個感測方案的基本本底噪聲被模型化，且噪聲抑制技術(shù)，即如所描述和所實現(xiàn)的相關(guān)雙計數(shù)(CDC)在傳感器陣列中獲得6dB的噪聲抑制，而沒有任何功率開銷。感測方案和噪聲抑制技術(shù)磁生物感測一般利用夾層生物化驗來完成。目標(biāo)分子首先被預(yù)先沉積的分子探針俘獲到傳感器表面上。使用其它類型的探針涂覆的磁性粒子(標(biāo)簽)然后由俘獲的目標(biāo)分子添加和固定。因此，可以通過感測留在該表面上的磁性標(biāo)簽來檢測樣本中目標(biāo)分子的存在。頻移磁感測和噪聲分析在頻移感測方案中，片上LC振蕩器的電感器起感測核心的作用。穿過電感器的AC 電流產(chǎn)生磁場以極化在感測核心的感測空間或體積中存在的磁性粒子。磁性粒子的這個存在增加空間中的總磁能，并因此導(dǎo)致感測電感器電感的有效增加。因此，片上LC振蕩器可以經(jīng)由振蕩頻率的相應(yīng)的向下偏移感測到這個電感的增加，如我們在H. Wang等人的“A Frequency-Shift CMOS Magnetic Biosensor Array with Single-Bead sensitivity and NO External Magnet"(IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers,pages 438_439，F(xiàn)eb. 2009)、于 2009 年 3 月 6 日提交的第 12/399，603 號美國專利申請“Effective-inductance-change Based Magnetic Particle Sensing”和于2009年9月15日提交的第12/559，517號美國專利申請"AFrequency-shift COMS Magnetic Biosensor Array with Singlebead Sensitivity and No External Magnet”中所描述的。第12/399，603號和第12/559，517號申請為了所有的目的通過引用被全部并入本文中。圖9顯示電感頻移磁感測方案的圖示。振蕩頻率通過頻率計數(shù)(即，記錄在給定計數(shù)時間T內(nèi)的上升沿的數(shù)量)而被測量。因此，本底噪聲由波形的定時抖動巧設(shè)定，所述波形的定時抖動由其相位噪聲頻譜S41 (ω)確定。頻率計數(shù)中的相對頻率誤差σ。Λ因此可以被計算為C,_,=冬:=3 =進(jìn)τ Ε{[Φ Τ)- φ(·0) 2}= 7" !—丨,，_ ^o 丨:ω i s - 二丨,(1)
. U(ι .i‘"其中，fQ= ω0/2π是振蕩頻率，而ω是SSB相位噪聲S4l ( ω )( ω )的偏移頻率。 (Af)2代表在計數(shù)期間的頻率不確定性。在短計數(shù)時間(T 2it/Wi//3，其中Wi a是相位噪聲S41 ( ω )的Ι/f3拐角頻率，1/ f噪聲控制抖動,而反比于T)σ|, Α =^1 =^-,(2)
i JOI ~I “I其中κ是振蕩器的l/f2抖動系數(shù)。對于大計數(shù)間隔(r l//w/3!)，l/f3相位噪聲占優(yōu)勢并導(dǎo)致獨立于T <；;--, = ΖΣ = = ζ2, (3)
.-JI ~T ~·其中，ζ是l/f3抖動系數(shù)。此外，由于測不準(zhǔn)原理(有限計數(shù)窗口長度的效應(yīng))， 存在與ι/Α2τ2成比例的測量誤差?？梢岳L制總頻率不確定性的圖，其顯示ζ2確定最終的傳感器本底噪聲。圖 ο顯示基于振蕩器的頻移感測設(shè)備的本底噪聲的一個示例性曲線圖。在一些實施方式中，可以通過將感測振蕩器和參考振蕩器配對來使用差分感測。 為了消除由于諸如電源和溫度變化的效應(yīng)而產(chǎn)生的共模漂移，采用感測振蕩器和參考振蕩器的頻率差異作為傳感器的輸出。在差分感測中，額外的因子2出現(xiàn)在H、中用于噪聲功率加倍
相關(guān)雙計數(shù)(CDC)噪聲抑制技術(shù)基于上述分析，1/f3相位噪聲(由ζ 2系數(shù)俘獲)設(shè)定最小傳感器本底噪聲。這個1/f3相位噪聲由設(shè)備的閃變效應(yīng)噪聲和振蕩器的波形特性確定，并且超出一定水平就難以減少。1/f3噪聲抖動(ζ2T2)由于其長相關(guān)時間而以較快的速度積累。當(dāng)這個相關(guān)性導(dǎo)致較高的積分噪聲功率時，它也產(chǎn)生噪聲消除的可能。在正常差分感測中，在感測和參考振蕩器之間的抖動是不相關(guān)的，這給出因子2。 但是，如果1/f3相位噪聲在這兩個振蕩器之間是相關(guān)的，這個相關(guān)噪聲可以通過相關(guān)雙計數(shù)(CDC)方案被減去，其中從另一個頻率計數(shù)減去一個頻率計數(shù)將減少相關(guān)噪聲分量，并因此如圖10中所示降低測量的不確定性基數(shù)。由于Ι/f3相位噪聲主要來自CMOS振蕩器中的有源器件的閃變效應(yīng)噪聲的上變頻，這暗示以在差分運算期間增加參考和感測核心之間的閃變效應(yīng)噪聲相關(guān)性——例如有源核心共享——以實現(xiàn)振蕩器之間的ι/f3相位噪聲相關(guān)性的方式來設(shè)計這兩個振蕩器。圖11顯示說明正常差分感測方案和CDC方案的原理圖， 其中在兩個振蕩器之間的Ι/f3相位噪聲是相關(guān)的。大致類似于在圖像傳感器中使用的相關(guān)雙采樣(CDQ的噪聲抑制技術(shù)不增加功率損耗或芯片面積。此外，使用基于振蕩器的頻移感測的這個CDC方案提供了一般的傳感器設(shè)計方法，其可以被應(yīng)用于測量LC諧振變化的任何類型的傳感器，例如在壓力傳感器中的電容感測。CDC方案可以在數(shù)學(xué)上被建模。假定Φ (t)作為振蕩器波形的相關(guān)的隨機(jī)相位， CDC方案的有效噪聲是
權(quán)利要求
1.一種頻率/定時測量儀器，包括參考源，其具有參考源輸出端子；至少一個目標(biāo)源，其具有目標(biāo)源輸出端子，所述至少一個目標(biāo)源通信地耦合到所述參考源；頻率定時測量塊，其具有第一輸入端子、第二輸入端子以及至少一個輸出端子，所述第一輸入端子電耦合到所述參考源輸出端子，所述第二輸入端子電耦合到所述目標(biāo)源輸出端子；所述頻率定時測量塊被配置成執(zhí)行噪聲成形技術(shù)以減少可歸因于在所述參考源和所述目標(biāo)源之間相關(guān)的相位噪聲的測量誤差，并在所述至少一個輸出端子處提供減少的相關(guān)噪聲測量。
2.如權(quán)利要求1所述的頻率/定時測量儀器，其中所述參考源和所述至少一個目標(biāo)源共享至少一個公共電路元件。
3.如權(quán)利要求2所述的頻率/定時測量儀器，其中所述至少一個公共電路元件以時間復(fù)用方式和同步方式中的所選擇的一個被共享。
4.如權(quán)利要求1所述的頻率/定時測量儀器，其中所述相位噪聲包括低頻相位噪聲。
5.如權(quán)利要求1所述的頻率/定時測量儀器，其中所述低頻相位噪聲包括Ι/f3噪聲。
6.如權(quán)利要求1所述的頻率/定時測量儀器，其中所述參考源包括參考源LC儲能電路，以及所述至少一個目標(biāo)源包括至少一個目標(biāo)源LC儲能電路，且所述參考源LC儲能電路和所述至少一個目標(biāo)源LC儲能電路被配置成以時間復(fù)用方式和同步方式中的所選擇的一個共享公共振蕩器有源核心。
7.如權(quán)利要求6所述的頻率/定時測量儀器，其中所述儀器包括一個或多個集成單元， 每個集成單元具有多個LC儲能電路，所述LC儲能電路的一個用作所述參考源LC儲能電路。
8.如權(quán)利要求7所述的頻率/定時測量儀器，其中所述儀器包括以時間復(fù)用的方式被多個復(fù)用器尋址的兩個或更多個集成單元。
9.如權(quán)利要求1所述的頻率/定時測量儀器，其中所述參考源包括參考源RC電路，以及所述至少一個目標(biāo)源包括至少一個目標(biāo)源RC電路，且所述參考源RC電路和所述至少一個目標(biāo)源RC儲能電路被配置成以時間復(fù)用方式和同步方式中的所選擇的一個共享張弛振蕩器放大器。
10.如權(quán)利要求1所述的頻率/定時測量儀器，其中所述頻率/定時測量儀器被集成在公共基片上。
11.如權(quán)利要求1所述的頻率/定時測量儀器，其中所述頻率/定時測量塊包括多個級聯(lián)延遲器和頻率計數(shù)器。
12.如權(quán)利要求11所述的頻率/定時測量儀器，其中所述頻率計數(shù)器的至少一個包括一位計數(shù)器。
13.如權(quán)利要求12所述的頻率/定時測量儀器，包括M個頻率計數(shù)器和M個級聯(lián)延遲器，所述M個級聯(lián)延遲器的每一個被配置成具有延遲TD。
14.如權(quán)利要求13所述的頻率/定時測量儀器，其中MXTd等于或大于參考頻率和目標(biāo)源頻率中的所選擇的一個的振蕩周期。
15.如權(quán)利要求1所述的頻率/定時測量儀器，其中所述儀器包括磁生物傳感器陣列。
16.如權(quán)利要求1所述的頻率/定時測量儀器，其中所述磁生物傳感器陣列被配置成利用相關(guān)雙計數(shù)噪聲抑制技術(shù)。
17.一種減少相關(guān)噪聲的方法，包括以下步驟提供產(chǎn)生參考源信號的參考源和產(chǎn)生目標(biāo)源信號的至少一個目標(biāo)源，所述參考源和所述目標(biāo)源被配置成建立在所述參考源信號和所述至少一個目標(biāo)源信號之間的相位噪聲的相關(guān)性；提供測量塊，所述測量塊被配置成測量所述參考源信號和所述目標(biāo)源信號中的所選擇的一個；對所述至少一個目標(biāo)源信號和所述參考信號中的至少一個差分地計數(shù)N次以提供N個差分測量；基于所述N個差分測量的平均值來計算所述至少一個目標(biāo)源的每一個的減少的相關(guān)噪聲測量；以及記錄所述減少的相關(guān)噪聲測量的每一個。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中提供測量塊的所述步驟包括提供頻率定時塊。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中提供頻率定時測量塊的所述步驟包括提供分?jǐn)?shù)計算塊。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中差分地計數(shù)的所述步驟包括同步相關(guān)差分計數(shù)方案。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，其中差分地計數(shù)的所述步驟包括正常模式相關(guān)差分計數(shù)方案。
22.如權(quán)利要求17所述的方法，其中差分地計數(shù)的所述步驟包括交錯N模式相關(guān)差分計數(shù)方案。
23.如權(quán)利要求17所述的方法，其中差分地計數(shù)的所述步驟包括在時間間隔τ/N上的差分計數(shù)，其中τ是所述參考源的測量和所述目標(biāo)源的測量中的所選擇的一個的總累積測量，N是交錯部分的總數(shù)。
24.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述分?jǐn)?shù)計算塊包括多個級聯(lián)延遲器和頻率計數(shù)ο
25.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述相位噪聲包括低頻相位噪聲。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中所述低頻相位噪聲包括Ι/f3噪聲。
27.如權(quán)利要求17所述的方法，其中提供參考源和至少一個目標(biāo)源的所述步驟還包括提供參考源LC儲能電路和至少一個目標(biāo)源LC儲能電路，所述參考源LC儲能電路和至少一個目標(biāo)源LC儲能電路被配置成以時間復(fù)用方式和同步方式中的所選擇的一個共享公共振蕩器有源核心。
28.如權(quán)利要求17所述的方法，其中提供參考源和至少一個目標(biāo)源的所述步驟還包括提供參考源RC電路和至少一個目標(biāo)源RC電路，所述參考源RC電路和至少一個目標(biāo)源RC 電路被配置成以時間復(fù)用方式和同步方式中的所選擇的一個共享公共張弛振蕩器放大器。
29.—種頻率/定時測量儀器，包括 參考源，其具有參考源端子；至少一個目標(biāo)源，其具有目標(biāo)源端子；至少一個有源核心，其具有有源核心輸出端子和至少兩個有源核心輸入端子，所述有源核心被配置成產(chǎn)生代表所述至少一個目標(biāo)源的電感和所述參考源的電感中的所選擇的一個的頻率；開關(guān)電路，其被配置成以時間復(fù)用方式和同步方式中的所選擇的一個將所述有源核心電耦合到所述參考源端子和所述至少一個目標(biāo)源端子中的所選擇的一個；以及頻率定時測量塊，其具有電耦合到所述有源核心輸出端子的頻率定時測量塊輸入端子、和至少一個頻率定時測量塊輸出端子，所述頻率定時測量塊被配置成執(zhí)行噪聲成形技術(shù)以減少可歸因于在所述參考源和所述目標(biāo)源之間相關(guān)的相位噪聲的測量誤差，并在所述至少一個頻率定時測量塊輸出端子處提供減少的相關(guān)噪聲測量。
全文摘要
一種頻率/定時測量儀器包括具有參考源輸出端子的參考源。至少一個目標(biāo)源具有目標(biāo)源輸出端子。所述至少一個目標(biāo)源通信地耦合到該參考源。頻率定時測量塊具有電耦合到該參考源輸出端子的第一輸入端子、電耦合到該目標(biāo)源輸出端子的第二輸入端子、以及至少一個輸出端子。頻率定時測量塊被配置成執(zhí)行噪聲成形技術(shù)以減少可歸因于在該參考源和目標(biāo)源之間相關(guān)的相位噪聲的測量誤差，并在所述至少一個輸出端子處提供減少的相關(guān)噪聲測量。也說明了抑制相關(guān)噪聲的方法。
文檔編號G01R23/02GK102405415SQ201080017332
公開日2012年4月4日 申請日期2010年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月20日
發(fā)明者孝哉翔平, 王 華, 賽義德·阿里·哈吉米里 申請人:加州理工學(xué)院