專利名稱：一種片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線通信收發(fā)裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置。
背景技術(shù)：
物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，它是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無(wú)線傳感網(wǎng)等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的“Internet of Things”。物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)包括射頻識(shí)別(RFID)裝置、無(wú)線傳感網(wǎng)(WSN)等，大量的節(jié)點(diǎn)設(shè)備需要在電池供電的條件下長(zhǎng)時(shí)間的工作，這要求通信系統(tǒng)在滿足高質(zhì)量通信要求的同時(shí)，必須具有很低的功耗，因此設(shè)計(jì)基于CMOS工藝的超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，近年來(lái)一些低功耗的射頻收發(fā)器系統(tǒng)基于IEEE802. 15. 4協(xié)議來(lái)組建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，它具有抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。然而目前已有的基于ZigBee等的無(wú)線收發(fā)裝置，其功耗要在幾十甚至幾百毫瓦的水平。傳統(tǒng)的無(wú)線收發(fā)裝置結(jié)構(gòu)需要功耗大的數(shù)字/模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器(DAC/ADC電路)和有源的混頻器(Mixer)，這些都增加了系統(tǒng)的功耗。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題有鑒于此，本 發(fā)明的主要目的在于提供一種片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，使其在滿足IEEE802. 15. 4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)具有更低的功耗和更高的通信效率。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，包括雙工器10、變?cè)鲆嫔漕l前端11、前置放大器12、無(wú)源多相濾波器13、自動(dòng)增益放大器14、比較放大器15、數(shù)字處理器16、緩沖器17、除頻器18、頻率綜合器19、變?cè)鲆婀β史糯笃?0、直接相位調(diào)制器21和存儲(chǔ)器22 ;其中雙工器10、變?cè)鲆嫔漕l前端11、前置放大器12、無(wú)源多相濾波器13、自動(dòng)增益放大器14和比較放大器15構(gòu)成接收鏈路，用于接收和處理無(wú)線信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為低中頻數(shù)字信號(hào)傳送給基帶處理器；直接相位調(diào)制器21、變?cè)鲆婀β史糯笃?0和雙工器10構(gòu)成發(fā)射鏈路，用于調(diào)制基帶信號(hào)到載波頻率，并發(fā)送無(wú)線信號(hào)；該接收鏈路和該發(fā)射鏈路共用雙工器10。上述方案中，該雙工器10的一端與天線連接，另一端與變?cè)鲆嫔漕l前端11的輸入端和變?cè)鲆婀β史糯笃?0的輸出連接，用于射頻接收和發(fā)射的切換選通及隔離。上述方案中，該變?cè)鲆嫔漕l前端11由電流復(fù)用的變?cè)鲆娴驮肼暦糯蠡祛l器、自動(dòng)增益控制器(AGC)和低噪聲放大器構(gòu)成，其輸入端與雙工器10連接，輸出端與前置放大器12的輸入端連接，用于接收放大射頻微弱信號(hào)及下混頻到低中頻信號(hào)，降低整體接收系統(tǒng)的噪聲指數(shù)，提高接收靈敏度，將射頻信號(hào)變頻到低中頻信號(hào)以方便后續(xù)低中頻電路的處理。上述方案中，該變?cè)鲆嫔漕l前端11的增益控制是由自動(dòng)增益控制器(AGC)電路實(shí)現(xiàn)的；電流復(fù)用的變?cè)鲆娴驮肼暦糯蠡祛l器電路功耗極低且具有低的噪聲系數(shù)；低噪聲放大器有共源共柵放大器和兩級(jí)共源放大器兩部分構(gòu)成，可單轉(zhuǎn)差輸出差分射頻信號(hào)，同時(shí)電流復(fù)用的有源混頻器提高了電路帶負(fù)載能力和信號(hào)增益，輸出正交差分的低中頻信號(hào)。上述方案中，該前置放大器12的輸入端與變?cè)鲆嫔漕l前端11的輸出端連接，輸出端與無(wú)源多相濾波器13的輸入端連接，用于抑制帶外噪聲和放大接收信號(hào)。上述方案中，該無(wú)源多相濾波器13是由電容和電阻構(gòu)成的，其輸入端與變?cè)鲆嫔漕l前端12的輸出端連接，輸出端與自動(dòng)增益放大器14的輸入端連接，用于抑制鏡像信號(hào)和本振泄露的干擾。上述方案中，該自動(dòng)增益放大器14由變?cè)鲆娣糯笃骱头逯禉z測(cè)器構(gòu)成，其輸入端與無(wú)源多相濾波器13的輸出端接連，輸出·端與比較放大器15的輸入端連接，用于對(duì)中頻信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)整增益放大的增益范圍，控制接收信號(hào)幅度在理想的電平范圍之內(nèi)。上述方案中，該變?cè)鲆娣糯笃饔梢粋€(gè)高通濾波器、三個(gè)級(jí)聯(lián)單級(jí)變?cè)鲆娣糯笃骱蛦挝辉鲆婢彌_器構(gòu)成，高通濾波器用于消除前級(jí)鏈路產(chǎn)生的直流失調(diào)，單位增益緩沖器用于提高輸出電路的帶負(fù)載能力，峰值檢測(cè)器用于檢測(cè)輸出信號(hào)幅度并產(chǎn)生相應(yīng)的控制電壓信號(hào)。上述方案中，該比較放大器15主要由差分比較器和兩級(jí)反相器構(gòu)成，其輸入端與自動(dòng)增益放大器14的輸出端連接，輸出端連接基帶處理器的輸入，用于在滿足接收機(jī)系統(tǒng)靈敏度的同時(shí)以更低的功耗實(shí)現(xiàn)將中頻的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，避免使用ADC這種需要高速時(shí)鐘高功耗的額外電路。上述方案中，該數(shù)字處理器16的輸入端分別與比較放大器15的輸出端、頻率綜合器19的輸出端及存儲(chǔ)器22的輸出端連接，輸出端分別與頻率綜合器19的輸入端、直接相位調(diào)制器21的輸入端及存儲(chǔ)器22的輸入端連接，用于處理基帶數(shù)字信號(hào)及NVM存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)控制，實(shí)現(xiàn)基帶收發(fā)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理，調(diào)整模擬電路偏置電壓，放大增益及控制本振信號(hào)的帶寬頻率。上述方案中，該緩沖器17的輸入端與除頻器18的輸出端連接，輸出端與變?cè)鲆嫔漕l前端11的本振輸入端連接，用于隔離變?cè)鲆嫔漕l前端11和增強(qiáng)本振信號(hào)。上述方案中，該除頻器18的輸入端與頻率綜合器19的輸出端連接，輸出端與緩沖器17的輸入端及直接相位調(diào)制器21的輸入端連接，用于向變?cè)鲆嫔漕l前端11和直接相位調(diào)制器18提供正交差分的載波信號(hào)。上述方案中，該頻率綜合器19的一端連接除頻器18的輸入端，另一端與數(shù)字處理器16連接，該頻率綜合器具有低功耗和低相位噪聲，其通過(guò)數(shù)字編程控制產(chǎn)生確定的射頻載波信號(hào)。上述方案中，該變?cè)鲆婀β史糯笃?0由功率驅(qū)動(dòng)級(jí)和功率放大級(jí)構(gòu)成，其輸入端與直接相位調(diào)制器21的輸出端連接，輸出端與雙工器10連接，用于功率放大輸出信號(hào)到發(fā)射天線。上述方案中，該直接相位調(diào)制器21由開(kāi)關(guān)緩沖放大器和相位選通器構(gòu)成，其輸入端與數(shù)字處理器16的輸出端及除頻器18的輸出端連接，輸出端與變?cè)鲆婀β史糯笃?0的輸出端連接，用于將基帶數(shù)字信號(hào)直接調(diào)制為OQPSK相位信號(hào)，并控制射頻信號(hào)的相位選通器，選擇一路射頻信號(hào)相位到輸出，同時(shí)抑制其他相位的輸出。上述方案中，該存儲(chǔ)器22是標(biāo)準(zhǔn)CMOS兼容的非易失性存儲(chǔ)器，其輸入端與數(shù)字處理器16的輸出端連接，輸出端與數(shù)字處理器16的輸入端連接，用于存儲(chǔ)該收發(fā)裝置的邏輯配置信號(hào)，該邏輯配置信號(hào)包括模擬基帶配置數(shù)據(jù)和本振頻率配置數(shù)據(jù)，以避免每次上電的校正環(huán)節(jié)。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，可廣泛采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作，所有電路都可片上集成實(shí)現(xiàn)，降低整體收發(fā)器的功耗，整個(gè)無(wú)線收發(fā)裝置功耗低，能夠滿足IEEE802. 15. 4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的要求，并具有更低的功耗和更高的通信效率，延長(zhǎng)設(shè)備工作時(shí)間，能夠應(yīng)用于需要超低功耗遠(yuǎn)距離通信的傳感網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)等環(huán)境中。2、本發(fā)明提供的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，變?cè)鲆嫔漕l前端采用電流復(fù)用的變?cè)鲆娴驮肼暦糯蠡祛l器構(gòu)成。其增益由AGC電路切換控制，動(dòng)態(tài)調(diào)整信號(hào)的增益和線性度，提高接收信號(hào)的范圍。該結(jié)構(gòu)的電路功耗極低且具有低的噪聲系數(shù)。低噪聲放大器由兩級(jí)共柵放大器輸出差分射頻信號(hào)，同時(shí)電流復(fù)用的有源混頻器輸出正交差分的低中頻信號(hào)，并且提高了電路帶負(fù)載能力和信號(hào)增益。3、本發(fā)明提供的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，由于無(wú)源多相濾波器13由三階電容電阻構(gòu)成無(wú)源的鏡像抑制濾波器，提高系統(tǒng)鏡像抑制性能的同時(shí)不消耗功耗。4、本發(fā)明提供的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其自動(dòng)增益放大器由變?cè)鲆娣糯笃骱头逯禉z測(cè)器構(gòu)成。變?cè)鲆娣糯笃饔梢粋€(gè)高通濾波器，三個(gè)級(jí)聯(lián)單級(jí)變?cè)鲆娣糯笃骱蛦挝辉鲆婢彌_器構(gòu)成。高通濾波器用于消除前級(jí)鏈路產(chǎn)生的直流失調(diào)。單位增益緩沖器用于提高電路的帶負(fù)載能力。 峰值檢測(cè)器用于檢測(cè)信號(hào)幅度并產(chǎn)生相應(yīng)的控制電壓信號(hào)。5、本發(fā)明提供的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其比較放大器是由差分比較器和兩級(jí)反相器構(gòu)成，在滿足接收機(jī)系統(tǒng)靈敏度的同時(shí)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而避免使用ADC等額外電路和功耗。6、本發(fā)明提供的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其變?cè)鲆婀β史糯笃魇怯晒β黍?qū)動(dòng)級(jí)和功率放大級(jí)構(gòu)成。其功率驅(qū)動(dòng)級(jí)采用AB類電路結(jié)構(gòu)，功率放大級(jí)采用B類互補(bǔ)推挽式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在滿足功放線性要求的同時(shí)，降低系統(tǒng)功耗。而且當(dāng)無(wú)射頻信號(hào)輸入時(shí)，只有功率驅(qū)動(dòng)級(jí)消耗的靜態(tài)功耗，也可關(guān)閉整個(gè)功率放大器，以降低發(fā)射功耗，從而提高發(fā)射效率。7、本發(fā)明提供的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其直接相位調(diào)制器由開(kāi)關(guān)緩沖放大器，與非門及反相器構(gòu)成。用于控制四選一相位選通器(90° ,180° ,270°及360° )選擇一路射頻相位信號(hào)到輸出，同時(shí)抑制其他三路相位到輸出，使得泄露減小到最低。8、本發(fā)明提供的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其存儲(chǔ)器22是非易失性存儲(chǔ)器，這種標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)器用來(lái)保存模擬基帶配置數(shù)據(jù)和本振頻率配置數(shù)據(jù)，避免每次上電的校正環(huán)節(jié)。9、本發(fā)明提供的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，滿足并高于IEEE802. 15. 4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，特別適合應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和一些超低功耗應(yīng)用的通信領(lǐng)域中。


通過(guò)下面結(jié)合附圖對(duì)該無(wú)線收發(fā)裝置實(shí)例的詳細(xì)描述，就能更加完整的理解本發(fā)明。圖1為依照本發(fā)明實(shí)施例的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中變?cè)鲆嫔漕l前端11的低噪聲放大器的電路圖；圖3為圖1中變?cè)鲆嫔漕l前端11的正交混頻器的電路圖；圖4為圖1中無(wú)源多相濾波器13的電路圖；圖5為圖1中自動(dòng)增益放大器14的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為圖1中比較放大器15的電路圖；圖7為圖1中變?cè)鲆婀β史糯笃?0的電路圖；圖8為圖1中直接相位調(diào)制器21的電路圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。 如圖1所示，圖1為依照本發(fā)明實(shí)施例的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該無(wú)線收發(fā)裝置包括雙工器10，變?cè)鲆嫔漕l前端11，前置放大器12，無(wú)源多相濾波器13，自動(dòng)增益放大器14，比較放大器15，數(shù)字處理器16，緩沖器17，除頻器18，頻率綜合器19，變?cè)鲆婀β史糯笃?0，直接相位調(diào)制器21和存儲(chǔ)器22。其中，雙工器10，變?cè)鲆嫔漕l前端11，前置放大器12，無(wú)源多相濾波器13，自動(dòng)增益放大器14和比較放大器15構(gòu)成接收鏈路，用于接收和處理無(wú)線信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為低中頻數(shù)字信號(hào)傳送給基帶處理器。直接相位調(diào)制器21，變?cè)鲆婀β史糯笃?0和雙工器10構(gòu)成發(fā)射鏈路，用于調(diào)制基帶信號(hào)到載波頻率，并發(fā)送無(wú)線信號(hào)。接收鏈路和發(fā)射鏈路共用雙工器10。雙工器10，該雙工器的一端與天線連接，另一端與變?cè)鲆嫔漕l前端11的輸入端和變?cè)鲆婀β史糯笃?0的輸出連接，用于射頻接收和發(fā)射的切換選通及隔離。變?cè)鲆嫔漕l前端11，該變?cè)鲆嫔漕l前端11由電流復(fù)用的變?cè)鲆娴驮肼暦糯蠡祛l器、自動(dòng)增益控制器(AGC)和低噪聲放大器構(gòu)成，其輸入端與雙工器10連接，輸出端與前置放大器12的輸入端連接，用于接收放大射頻微弱信號(hào)及下混頻到低中頻信號(hào)，降低整體接收系統(tǒng)的噪聲指數(shù)，提高接收靈敏度，將射頻信號(hào)變頻到低中頻信號(hào)以方便后續(xù)低中頻電路的處理。變?cè)鲆嫔漕l前端11的增益控制是由自動(dòng)增益控制器(AGC)電路實(shí)現(xiàn)的，電流復(fù)用的變?cè)鲆娴驮肼暦糯蠡祛l器電路功耗極低且具有低的噪聲系數(shù)；低噪聲放大器有共源共柵放大器和兩級(jí)共源放大器兩部分構(gòu)成，可單轉(zhuǎn)差輸出差分射頻信號(hào)，同時(shí)電流復(fù)用的有源混頻器提高了電路帶負(fù)載能力和信號(hào)增益，輸出正交差分的低中頻信號(hào)。前置放大器12，該前置放大器12的輸入端與變?cè)鲆嫔漕l前端11的輸出端連接，輸出端與無(wú)源多相濾波器13的輸入端連接，用于抑制帶外噪聲和放大接收信號(hào)。無(wú)源多相濾波器13，該無(wú)源多相濾波器13是由電容、電阻構(gòu)成的三階無(wú)源的鏡像抑制濾波器，具有零消耗功耗，其輸入端與變?cè)鲆嫔漕l前端12的輸出端連接，輸出端與自動(dòng)增益放大器14的輸入端連接，用于抑制鏡像信號(hào)和本振泄露的干擾。
自動(dòng)增益放大器14，該自動(dòng)增益調(diào)整器14由變?cè)鲆娣糯笃骱头逯禉z測(cè)器構(gòu)成，其輸入端與無(wú)源多相濾波器13的輸出端接連，輸出端與比較放大器15的輸入端連接，用于對(duì)中頻信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)整增益放大的增益范圍，控制接收信號(hào)幅度在理想的電平范圍之內(nèi)。變?cè)鲆娣糯笃饔梢粋€(gè)高通濾波器、三個(gè)級(jí)聯(lián)單級(jí)變?cè)鲆娣糯笃骱蛦挝辉鲆婢彌_器構(gòu)成，高通濾波器用于消除前級(jí)鏈路產(chǎn)生的直流失調(diào)，單位增益緩沖器用于提高輸出電路的帶負(fù)載能力，峰值檢測(cè)器用于檢測(cè)輸出信號(hào)幅度并產(chǎn)生相應(yīng)的控制電壓信號(hào)。比較放大器15，該比較放大器15主要由差分比較器和兩級(jí)反相器構(gòu)成，其輸入端與自動(dòng)增益放大器14的輸出端連接，輸出端連接基帶處理器的輸入，用于在滿足接收機(jī)系統(tǒng)靈敏度的同時(shí)以更低的功耗實(shí)現(xiàn)將中頻的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，避免使用ADC這種需要高速時(shí)鐘高功耗的額外電路。數(shù)字處理器16，該數(shù)字處理器16的輸入端分別與比較放大器15的輸出端、頻率綜合器19的輸出端及存儲(chǔ) 器22的輸出端連接，輸出端分別與頻率綜合器19的輸入端、直接相位調(diào)制器21的輸入端及存儲(chǔ)器22的輸入端連接，用于處理基帶數(shù)字信號(hào)及NVM存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)控制，實(shí)現(xiàn)基帶收發(fā)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理，調(diào)整模擬電路偏置電壓，放大增益及控制本振信號(hào)的帶寬頻率。緩沖器17，該緩沖器17的輸入端與除頻器18的輸出端連接，輸出端與變?cè)鲆嫔漕l前端11的本振輸入端連接，用于隔離變?cè)鲆嫔漕l前端11和增強(qiáng)本振信號(hào)。除頻器18，該除頻器18的輸入端與頻率綜合器19的輸出端連接，輸出端與緩沖器17的輸入端及直接相位調(diào)制器21的輸入端連接，用于向變?cè)鲆嫔漕l前端11和直接相位調(diào)制器18提供正交差分的載波信號(hào)。頻率綜合器19，該頻率綜合器19的一端連接除頻器18的輸入端，另一端與數(shù)字處理器16連接，該頻率綜合器具有低功耗和低相位噪聲，其通過(guò)數(shù)字編程控制產(chǎn)生確定的射頻載波信號(hào)。頻率綜合器19，除頻器18及緩沖器17共同作用，產(chǎn)生本振載波信號(hào)。變?cè)鲆婀β史糯笃?0，該變?cè)鲆婀β史糯笃?0由功率驅(qū)動(dòng)級(jí)和功率放大級(jí)構(gòu)成，其輸入端與直接相位調(diào)制器21的輸出端連接，輸出端與雙工器10連接，用于功率放大輸出信號(hào)到發(fā)射天線。其功率驅(qū)動(dòng)級(jí)是AB類結(jié)構(gòu)，功率放大級(jí)是B類互補(bǔ)推挽式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在滿足功放線性要求的同時(shí)，盡可能降低系統(tǒng)功耗。而且當(dāng)無(wú)射頻信號(hào)輸入時(shí)，只有功率驅(qū)動(dòng)級(jí)消耗的靜態(tài)功耗，并可關(guān)閉整個(gè)功率放大器，以降低發(fā)射功耗，提高發(fā)射效率。其中，A類指放大器在整個(gè)周期都導(dǎo)通，B類指在一般的周期導(dǎo)通，AB類指在一大半的周期內(nèi)導(dǎo)通，這是功率效率與線性度之間的trade off的關(guān)系。直接相位調(diào)制器21，該直接相位調(diào)制器21由開(kāi)關(guān)緩沖放大器和相位選通器構(gòu)成，其輸入端與數(shù)字處理器16的輸出端及除頻器18的輸出端連接，輸出端與變?cè)鲆婀β史糯笃?0的輸出端連接，用于將基帶數(shù)字信號(hào)直接調(diào)制為OQPSK相位信號(hào)，并控制射頻信號(hào)的相位選通器，選擇一路射頻信號(hào)相位到輸出，同時(shí)抑制其他相位的輸出，使相位泄露減小到最低。存儲(chǔ)器22，該存儲(chǔ)器22是標(biāo)準(zhǔn)CMOS兼容的非易失性存儲(chǔ)器，可降低成本。其輸入端與數(shù)字處理器16的輸出端連接，輸出端與數(shù)字處理器16的輸入端連接，用于存儲(chǔ)該收發(fā)裝置的邏輯配置信號(hào)，該邏輯配置信號(hào)包括模擬基帶配置數(shù)據(jù)和本振頻率配置數(shù)據(jù)，以避免每次上電的校正環(huán)節(jié)?；趫D1所示的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中變?cè)鲆嫔漕l前端11是由電流復(fù)用的變?cè)鲆娴驮肼暦糯蠡祛l器構(gòu)成，如圖2和圖3所示。其功耗是由MOS管器件M7，M8以及偏置電壓VB3控制，分別供給低噪聲放大器電路和差分正交混頻器電路，形成電流復(fù)用的結(jié)構(gòu)，這不僅使混頻器電路在極小的電流消耗下正常工作，而且不影響低噪聲放大器電路的性能，大大降低了變?cè)鲆嫔漕l前端11的功耗。圖2為圖1中變?cè)鲆嫔漕l前端11的低噪聲放大器的電路圖。該低噪聲放大器(LNA)主要結(jié)構(gòu)為兩級(jí)電感源級(jí)退化的共源共柵的放大器和兩級(jí)共源放大器。MOS管器件MijM3構(gòu)成共源共柵結(jié)構(gòu)的放大器，產(chǎn)生RF-信號(hào)；M0S管器件M1,M2與電容Cp構(gòu)成兩級(jí)共源放大器，產(chǎn)生RF+信號(hào)。該RF差分信號(hào)作為電流復(fù)用的混頻器的輸入信號(hào)，與本振頻率混頻產(chǎn)生低中頻信號(hào)。該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了射頻信號(hào)的單端轉(zhuǎn)差分放大，提高了低噪聲放大器的放大增益，同時(shí)產(chǎn)生差分射頻信號(hào)。其中MOS管器件Ml的輸入端通過(guò)電感、電容匹配構(gòu)成50歐姆輸入阻抗。其中Ls為源級(jí)退化的電感，與器件Lg，Cin, CF, Rf和M4共同實(shí)現(xiàn)輸入端低噪聲阻抗的匹配，同時(shí)提高放大器線性度。為了適應(yīng)接收機(jī)輸入信號(hào)功率在很大的范圍內(nèi)變化，圖2所示的低噪聲放大器采用了兩種增益模式，其高低增益模式的切換由AGC電路控制。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度弱的時(shí)候，AGC端口置為低電平，這時(shí)M4和M5均處于關(guān)斷狀態(tài)，形成LNA的高阻抗負(fù)載，C1和C2噪聲濾波功能，這時(shí)電路工作在高增益狀態(tài)。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度足夠強(qiáng)的時(shí)候，LNA的增益調(diào)整到低增益模式以接收大信號(hào)，避免后級(jí)電路發(fā)生飽和。這時(shí)AGC端口置為高電平，M4和M5均處于飽和狀態(tài)，產(chǎn)生較低的負(fù)載阻抗，降低增益，從而提高電路的大信號(hào)線性特性。該低噪聲放大器的負(fù)載避免使用電感，大大減小了電路面積，節(jié)約了工藝成本。圖3示出了圖1中變?cè)鲆嫔漕l前端11的正交混頻器的電路圖。該混頻器采用有源正交混頻器結(jié)構(gòu)。器件Mal，Ma2，Ma3, Ma4, Mbl, Mb2, Mb3, Mb4為開(kāi)關(guān)管，將射頻差分信號(hào)RF+和RF-轉(zhuǎn)換為低中頻信號(hào)。器件Ral，Ra`2, Rbl, Rb2為混頻器的負(fù)載電阻，器件Cal，Ca2, Cbl, Cb2為濾波電容，輸出正交的差分低中頻信號(hào)。該有源正交混頻器的功耗非常低，只有幾十微安。基于圖1所示的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4示出了圖1中無(wú)源多相濾波器13的電路圖。無(wú)源多相濾波器13由電容、電阻構(gòu)成的無(wú)源3階濾波器，用于濾除負(fù)頻率的鏡像干擾信號(hào)。該無(wú)源多相濾波器的功耗為零，并且大大提高了系統(tǒng)抗鏡像干擾的能力。同時(shí)在無(wú)源多相濾波器前放入前置放大器12，克服了該濾波器的增益損耗(3dB左右損耗)，提高信號(hào)增益，降低了系統(tǒng)噪聲系數(shù)?；趫D1所示的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5示出了圖1中自動(dòng)增益放大器14的結(jié)構(gòu)示意圖。自動(dòng)增益放大器14由多個(gè)高通濾波器、級(jí)聯(lián)變?cè)鲆娣糯笃?VGA)和自動(dòng)增益控制器構(gòu)成。其中，級(jí)聯(lián)變?cè)鲆娣糯笃骺煞糯笳徊罘值幕鶐M信號(hào)；高通濾波器用于消除前級(jí)鏈路產(chǎn)生的直流失調(diào)；自動(dòng)增益控制器由峰值檢測(cè)器，差錯(cuò)放大器和緩沖器構(gòu)成，用于檢測(cè)信號(hào)幅度并產(chǎn)生相應(yīng)的控制電壓信號(hào)。基于圖1所示的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6示出了圖1中比較放大器15的電路圖。其中Ml M7為差分比較電路，比較電平為零電平，若信號(hào)幅度大于比較電平，輸出邏輯為高，若信號(hào)幅度小于比較電平，輸出邏輯為低。M8 Mll為兩級(jí)反相器，用于提高輸出電路的帶負(fù)載能力。
基于圖1所示的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7示出了圖1中變?cè)鲆婀β史糯笃?0的電路圖，其中可變電流源IBIAS是由可變電阻整列控制，用于調(diào)整偏置電壓。功率放大器的第一級(jí)為CLASS AB放大器，由晶體管Ml和M2構(gòu)成共源共柵結(jié)構(gòu)，控制信號(hào)SWO和SWl分別控制晶體管M4，M7和M1，用于改變驅(qū)動(dòng)級(jí)放大器的放大增益，控制驅(qū)動(dòng)級(jí)輸出的信號(hào)強(qiáng)度。第二級(jí)為CLASS B型互補(bǔ)推挽型放大器，晶體管M5和M6為放大管，并通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)到天線，以提高功率放大器發(fā)射效率?；趫D1所示的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖8示出了圖1中直接相位調(diào)制器21的電路圖。其直接相位調(diào)制器由開(kāi)關(guān)緩沖放大器和直接相位調(diào)制電路構(gòu)成。用于控制四選一直接相位調(diào)制器(90° ,180° ,270°及360° )根據(jù)數(shù)字信號(hào)選擇一路相位到輸出。其中SO和SI是直接相位調(diào)制器產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，進(jìn)行相位選通。同時(shí)通過(guò)開(kāi)關(guān)緩沖放大器放大選通信號(hào)，并且抑制其他三路相位信號(hào)到輸出，使無(wú)關(guān)的相位信號(hào)泄露減小到最低。因此，本發(fā)明提供的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，使用增益可控、電流復(fù)用的變?cè)鲆嫔漕l前端用于接收射頻信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為低中頻信號(hào)。對(duì)低中頻信號(hào)采用先預(yù)放大，然后濾波，再限幅放大的方法，最后通過(guò)比較放大器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。采用直接相位調(diào)制器，將數(shù)字信號(hào)直接調(diào)制為相位信號(hào)，并通過(guò)變?cè)鲆娣糯笃靼l(fā)射無(wú)線信號(hào)。以上所述的系 統(tǒng)框圖和實(shí)施電路圖，對(duì)本發(fā)明的目的，技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。一般而言，根據(jù)本發(fā)明實(shí)例的收發(fā)器可用于要求超低功耗的無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)中。所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其特征在于，包括雙工器(10)、變?cè)鲆嫔漕l前端(11)、前置放大器(12)、無(wú)源多相濾波器(13)、自動(dòng)增益放大器(14)、比較放大器(15)、數(shù)字處理器(16)、緩沖器(17)、除頻器(18)、頻率綜合器(19)、變?cè)鲆婀β史糯笃?20)、直接相位調(diào)制器(21)和存儲(chǔ)器(22);其中 雙工器(10)、變?cè)鲆嫔漕l前端(11)、前置放大器(12)、無(wú)源多相濾波器(13)、自動(dòng)增益放大器(14)和比較放大器(15)構(gòu)成接收鏈路，用于接收和處理無(wú)線信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為低中頻數(shù)字信號(hào)傳送給基帶處理器； 直接相位調(diào)制器(21)、變?cè)鲆婀β史糯笃?20)和雙工器(10)構(gòu)成發(fā)射鏈路，用于調(diào)制基帶信號(hào)到載波頻率，并發(fā)送無(wú)線信號(hào)； 該接收鏈路和該發(fā)射鏈路共用雙工器(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其特征在于，該雙工器(10)的一端與天線連接，另一端與變?cè)鲆嫔漕l前端(11)的輸入端和變?cè)鲆婀β史糯笃?20)的輸出連接，用于射頻接收和發(fā)射的切換選通及隔離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其特征在于，該變?cè)鲆嫔漕l前端(11)由電流復(fù)用的變?cè)鲆娴驮肼暦糯蠡祛l器、自動(dòng)增益控制器(AGC)和低噪聲放大器構(gòu)成，其輸入端與雙工器(10)連接，輸出端與前置放大器(12)的輸入端連接，用于接收放大射頻微弱信號(hào)及下混頻到低中頻信號(hào)，降低整體接收系統(tǒng)的噪聲指數(shù)，提高接收靈敏度，將射頻信號(hào)變頻到低中頻信號(hào)以方便后續(xù)低中頻電路的處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其特征在于，該變?cè)鲆嫔漕l前端(11)的增益控制是由自動(dòng)增益控制器(AGC)電路實(shí)現(xiàn)的；電流復(fù)用的變?cè)鲆娴驮肼暦糯蠡祛l器電路功耗極低且具有低的噪聲系數(shù)；低噪聲放大器有共源共柵放大器和兩級(jí)共源放大器兩部分構(gòu)成，可單轉(zhuǎn)差輸出差分射頻信號(hào)，同時(shí)電流復(fù)用的有源混頻器提高了電路帶負(fù)載能力和信號(hào)增益，輸出正交差分的低中頻信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其特征在于，該前置放大器(12)的輸入端與變?cè)鲆嫔漕l前端(11)的輸出端連接，輸出端與無(wú)源多相濾波器(13)的輸入端連接，用于抑制帶外噪聲和放大接收信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其特征在于，該無(wú)源多相濾波器(13)是由電容和電阻構(gòu)成的，其輸入端與變?cè)鲆嫔漕l前端12的輸出端連接，輸出端與自動(dòng)增益放大器(14)的輸入端連接，用于抑制鏡像信號(hào)和本振泄露的干擾。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其特征在于，該自動(dòng)增益放大器(14)由變?cè)鲆娣糯笃骱头逯禉z測(cè)器構(gòu)成，其輸入端與無(wú)源多相濾波器(13)的輸出端接連，輸出端與比較放大器(15)的輸入端連接，用于對(duì)中頻信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)整增益放大的增益范圍，控制接收信號(hào)幅度在理想的電平范圍之內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其特征在于，該變?cè)鲆娣糯笃饔梢粋€(gè)高通濾波器、三個(gè)級(jí)聯(lián)單級(jí)變?cè)鲆娣糯笃骱蛦挝辉鲆婢彌_器構(gòu)成，高通濾波器用于消除前級(jí)鏈路產(chǎn)生的直流失調(diào)，單位增益緩沖器用于提高輸出電路的帶負(fù)載能力，峰值檢測(cè)器用于檢測(cè)輸出信號(hào)幅度并產(chǎn)生相應(yīng)的控制電壓信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其特征在于，該比較放大器(15)主要由差分比較器和兩級(jí)反相器構(gòu)成，其輸入端與自動(dòng)增益放大器(14)的輸出端連接，輸出端連接基帶處理器的輸入，用于在滿足接收機(jī)系統(tǒng)靈敏度的同時(shí)以更低的功耗實(shí)現(xiàn)將中頻的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，避免使用ADC這種需要高速時(shí)鐘高功耗的額外電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其特征在于，該數(shù)字處理器(16)的輸入端分別與比較放大器(15)的輸出端、頻率綜合器(19)的輸出端及存儲(chǔ)器(22)的輸出端連接，輸出端分別與頻率綜合器(19)的輸入端、直接相位調(diào)制器(21)的輸入端及存儲(chǔ)器(22)的輸入端連接，用于處理基帶數(shù)字信號(hào)及NVM存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)控制，實(shí)現(xiàn)基帶收發(fā)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理，調(diào)整模擬電路偏置電壓，放大增益及控制本振信號(hào)的帶寬頻率。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其特征在于，該緩沖器(17)的輸入端與除頻器(18)的輸出端連接，輸出端與變?cè)鲆嫔漕l前端(11)的本振輸入端連接，用于隔離變?cè)鲆嫔漕l前端(11)和增強(qiáng)本振信號(hào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其特征在于，該除頻器(18)的輸入端與頻率綜合器(19)的輸出端連接，輸出端與緩沖器(17)的輸入端及直接相位調(diào)制器(21)的輸入端連接，用于向變?cè)鲆嫔漕l前端(11)和直接相位調(diào)制器(18)提供正交差分的載波信號(hào)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其特征在于，該頻率綜合器(19)的一端連接除頻器(18)的輸入端，另一端與數(shù)字處理器(16)連接，該頻率綜合器具有低功耗和低相位噪聲，其通過(guò)數(shù)字編程控制產(chǎn)生確定的射頻載波信號(hào)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其特征在于，該變?cè)鲆婀β史糯笃?20)由功率驅(qū)動(dòng)級(jí)和功率放大級(jí)構(gòu)成，其輸入端與直接相位調(diào)制器(21)的輸出端連接，輸出端與雙工器(10)連接，用于功率放大輸出信號(hào)到發(fā)射天線。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其特征在于，該直接相位調(diào)制器(21)由開(kāi)關(guān)緩沖放大器和相位選通器構(gòu)成，其輸入端與數(shù)字處理器(16)的輸出端及除頻器(18)的輸出端連接，輸出端與變?cè)鲆婀β史糯笃?20)的輸出端連接，用于將基帶數(shù)字信號(hào)直接調(diào)制為OQPSK相位信號(hào)，并控制射頻信號(hào)的相位選通器，選擇一路射頻信號(hào)相位到輸出，同時(shí)抑制其他相位的輸出。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，其特征在于，該存儲(chǔ)器(22)是標(biāo)準(zhǔn)CMOS兼容的非易失性存儲(chǔ)器，其輸入端與數(shù)字處理器(16)的輸出端連接，輸出端與數(shù)字處理器(16)的輸入端連接，用于存儲(chǔ)該收發(fā)裝置的邏輯配置信號(hào)，該邏輯配置信號(hào)包括模擬基帶配置數(shù)據(jù)和本振頻率配置數(shù)據(jù)，以避免每次上電的校正環(huán)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種片上超低功耗的無(wú)線收發(fā)裝置，包括雙工器、變?cè)鲆嫔漕l前端、前置放大器、無(wú)源多相濾波器、自動(dòng)增益放大器、比較放大器、數(shù)字處理器、緩沖器、除頻器、頻率綜合器、變?cè)鲆婀β史糯笃?、直接相位調(diào)制器和存儲(chǔ)器；其中雙工器、變?cè)鲆嫔漕l前端、前置放大器、無(wú)源多相濾波器、自動(dòng)增益放大器和比較放大器構(gòu)成接收鏈路，用于接收和處理無(wú)線信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為低中頻數(shù)字信號(hào)傳送給基帶處理器；直接相位調(diào)制器、變?cè)鲆婀β史糯笃骱碗p工器構(gòu)成發(fā)射鏈路，用于調(diào)制基帶信號(hào)到載波頻率，并發(fā)送無(wú)線信號(hào)；該接收鏈路和該發(fā)射鏈路可共用雙工器。利用本發(fā)明，降低了整體收發(fā)器的功耗，并兼容符合IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)H04B1/38GK103051354SQ20121054850
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月17日
發(fā)明者劉威揚(yáng), 吳南健, 王海永, 陳晶晶, 劉曉東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所