專利名稱：超低功耗ook接收裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線射頻接收機(jī)芯片技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種超低功耗幅移鍵控(OOK) 接收裝置。
背景技術(shù)：
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線體域網(wǎng)等應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中，無線接收機(jī)無疑扮演著極為重要的角色。在這些應(yīng)用中，首先其功耗必須非常低以延長(zhǎng)電池的使用壽命，因?yàn)樵诤芏鄳?yīng)用場(chǎng)合更換電池要付出非常大的代價(jià)甚至幾乎不可能。值得一提的是，某些應(yīng)用場(chǎng)合中，對(duì)于功耗的容忍程度僅限于幾百微瓦。其次，要求射頻接收機(jī)可以和其他模擬傳感器，數(shù)字處理器集成在同一塊CMOS芯片上，以增加穩(wěn)定性和減低成本。因而在CMOS工藝上集成超低功耗射頻接收機(jī)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的射頻接收機(jī)絕大部分基于頻率轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，將射頻信號(hào)正交下變頻到I/Q兩路，在I/Q中頻信號(hào)鏈路上對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次濾波，放大，最后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，在數(shù)字域中對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。這種結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是需要一個(gè)相位噪聲很小的鎖相環(huán)頻率綜合器，以達(dá)到高靈敏度和較強(qiáng)的信道選擇性，而高性能的鎖相環(huán)頻率綜合器通常消耗非常大的功耗。而且，中頻信號(hào)鏈路上的高性能濾波器也將消耗大量的功耗。更為嚴(yán)重的是，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)消耗的功耗也非常的客觀。因而傳統(tǒng)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)無法滿足超低功耗的要求。最近國(guó)外也有學(xué)者提出基于包絡(luò)檢波的低功耗接收機(jī)，它試圖去除接收機(jī)中的高性能鎖相環(huán)頻率綜合器，降低系統(tǒng)功耗；而在射頻域直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波，獲取信號(hào)的幅度信息。遺憾的是，這種接收機(jī)結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)低功耗的同時(shí)大大降低了系統(tǒng)的靈敏度，導(dǎo)致它們?cè)趯?shí)際的應(yīng)用中滿足不了靈敏度的要求；而如果要提高系統(tǒng)的靈敏度，那么就必須增加在射頻域?qū)π盘?hào)放大的力度，從而有不可避免地增加了功耗。因而這種接收機(jī)也沒有實(shí)際的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于，提供一種超低功耗幅移鍵控(OOK)接收裝置，其是用超低功耗的自由振蕩環(huán)形振蕩器去替代鎖相環(huán)頻率綜合器(通常是基于LC壓控振蕩器)，大大降低了產(chǎn)生本振所需要的功耗；而對(duì)于信號(hào)的放大，我們還是放在了中頻頻段，這樣可以以很低功耗的代價(jià)換取信號(hào)的放大。對(duì)于自由振蕩環(huán)形振蕩器所固有的頻率飄移問題，我們采用了包絡(luò)檢波器對(duì)信號(hào)的幅度信息進(jìn)行了檢測(cè)，其對(duì)于信號(hào)的頻率不敏感。因此，整個(gè)接收機(jī)的功耗可以減小到幾百微瓦，而又可以確保實(shí)際應(yīng)用中所需的靈敏度。使其能夠適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線體域網(wǎng)等超低功耗應(yīng)用的場(chǎng)合中。本發(fā)明提供一種超低功耗OOK接收裝置，包括—射頻濾波器，其輸入端連接一天線，用于選擇相應(yīng)的頻段，濾除帶外干擾信號(hào)；一電流復(fù)用正交下混頻器，其輸入端與射頻濾波器的輸出端連接，用于將輸入射頻信號(hào)變換成中頻信號(hào)輸出；一全差分環(huán)形振蕩器，其輸出端與電流復(fù)用正交下混頻器的輸入端連接，為電流復(fù)用正交下混頻器提供下變頻所需要的正交本振信號(hào)；一鏡像抑制寬帶中頻放大器，其輸入端與電流復(fù)用正交下混頻器的輸出端連接， 用于對(duì)電流復(fù)用正交下混頻器輸出的中頻信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大；一包絡(luò)檢波器，其輸入端與鏡像抑制寬帶中頻放大器的輸出端連接，用于檢測(cè)鏡像抑制寬帶中頻放大器輸出中頻信號(hào)的幅度信息；一高精度比較器，其輸入端與包絡(luò)檢波器的輸出端連接，用于解調(diào)包絡(luò)檢波器輸出的幅度信息；一數(shù)字頻率校準(zhǔn)器，其輸出端與全差分環(huán)形振蕩器的輸入端連接，用于對(duì)全差分環(huán)形振蕩器的輸出頻率進(jìn)行數(shù)字校正。其中所述的電流復(fù)用正交下混頻器由混頻器和混頻器構(gòu)成，它們的輸入信號(hào)是相同的，它們用來混頻的本振信號(hào)是相互正交的，它們輸出的中頻信號(hào)也是相互正交的。其中所述的電流復(fù)用正交下混頻器中的混頻器或混頻器是由上下兩級(jí)電路堆疊而成的，上級(jí)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，下級(jí)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行混頻，而且兩級(jí)電路公用偏置電流，從而實(shí)現(xiàn)了超低功耗。其中全差分環(huán)形振蕩器，由四個(gè)延遲單元和兩個(gè)電阻調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，該全差分環(huán)形振蕩器產(chǎn)生差分正交本振信號(hào)，其采用電路網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行頻率調(diào)諧，避免了傳統(tǒng)的電流偏置進(jìn)行頻率調(diào)諧，從而實(shí)現(xiàn)超低功耗。其中所述的鏡像抑制寬帶中頻放大器，由八個(gè)放大器和一無源多相濾波器構(gòu)成， 能夠?qū)τ杏弥蓄l信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)鏡像信號(hào)和帶外干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。其中所述的鏡像抑制寬帶中頻放大器中的無源多相濾波器由RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它不僅對(duì)輸入信號(hào)的幅度、頻率有響應(yīng)，而且對(duì)輸入信號(hào)的相位也有響應(yīng)，從而可以濾除鏡像信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)超低功耗。其中所述的高精度比較器15，由五個(gè)開關(guān)和一預(yù)放大器、一鎖存器以及電容構(gòu)成， 實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行比較，并輸出比較結(jié)；同時(shí)它還能夠存儲(chǔ)模擬電路的直流失調(diào)，提高放大器的精度，進(jìn)而提高整個(gè)接收裝置的靈敏度。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)明提供的射頻接收機(jī)，所有電路可單芯片集成，并且可以用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，接收機(jī)用自由振蕩環(huán)形振蕩器去替代大功耗的鎖相環(huán)頻率綜合器，而用寬帶中頻放大器和包絡(luò)檢波器去實(shí)現(xiàn)信號(hào)的解調(diào)，并且彌補(bǔ)了自由振蕩環(huán)形振蕩器的缺陷，解決了相關(guān)應(yīng)用中的超低功耗問題。2.本發(fā)明提供的射頻接收機(jī)，采用了電流復(fù)用正交下混頻器，對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行放大和混頻的電路共用了直流電流，提高了系統(tǒng)的能量效率。3.本發(fā)明提供的射頻接收機(jī)，采用OOK調(diào)制，在模擬域直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，避免了 ADC的使用；利用無源多相濾波器對(duì)鏡像信號(hào)進(jìn)行抑制，避免在數(shù)字域進(jìn)行鏡像抑制，這些都大大降低了功耗。4.本發(fā)明提供的超低功耗OOK射頻接收機(jī)特別適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線體域網(wǎng)等無線收發(fā)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。


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)說明，其中圖1為本發(fā)明提供的一種超低功耗OOK接收裝置的系統(tǒng)框圖；圖2為本發(fā)明提供的電流復(fù)用正交下混頻器11的電路圖；圖3為本發(fā)明提供的全差分環(huán)形振蕩器12的子系統(tǒng)框圖；圖4為本發(fā)明提供的鏡像抑制寬帶中頻放大器13的子系統(tǒng)框圖；圖5為本發(fā)明提供的高精度比較器15的子系統(tǒng)框具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種超低功耗OOK接收裝置，包括一射頻濾波器10，該射頻濾波器10的輸入端連接一天線，用于選擇相應(yīng)的頻段， 濾除帶外干擾信號(hào)；一電流復(fù)用正交下混頻器11，其輸入端與射頻濾波器10的輸出端連接，用于將輸入射頻信號(hào)變換成中頻信號(hào)輸出；所述的電流復(fù)用正交下混頻器11由混頻器21和混頻器22構(gòu)成，它們的輸入信號(hào)是相同的，它們用來混頻的本振信號(hào)是相互正交的，它們輸出的中頻信號(hào)也是相互正交的；所述的電流復(fù)用正交下混頻器11中的混頻器21或混頻器22 是由上下兩級(jí)電路堆疊而成的，上級(jí)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，下級(jí)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行混頻，而且兩級(jí)電路共用偏置電流，從而實(shí)現(xiàn)了超低功耗；以混頻器21為例，它由晶體管MI1-MI5，電阻RI1-RI6和電容CI1-CI4構(gòu)成，晶體管MI4、MI5構(gòu)成上級(jí)放大器，而晶體管MI1-MI3構(gòu)成下級(jí)單平衡混頻器，上下兩級(jí)電路共用直流偏置電流，輸入射頻信號(hào)，首先經(jīng)過上級(jí)放大器(晶體管MI4、MI5構(gòu)成)的放大，然后通過耦合電容CIl輸入到下級(jí)混頻器(晶體管 MI1-MI3構(gòu)成)上，然后經(jīng)過混頻之后輸出中頻信號(hào)IFtl和IF·。一全差分環(huán)形振蕩器12，其輸出端與電流復(fù)用正交下混頻器11的輸入端連接，為電流復(fù)用正交下混頻器11提供下變頻所需要的正交本振信號(hào)；所述的全差分環(huán)形振蕩器 12，由四個(gè)延遲單元120、121、122、123和兩個(gè)電阻調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)124、125構(gòu)成，該全差分環(huán)形振蕩器12產(chǎn)生差分正交本振信號(hào)，其采用電路網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行頻率調(diào)諧，避免了傳統(tǒng)的電流偏置進(jìn)行頻率調(diào)諧，從而實(shí)現(xiàn)超低功耗；電阻調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)124、125通過調(diào)節(jié)電源的電流供給能力， 從而控制延遲單元的充放電時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)；一鏡像抑制寬帶中頻放大器13，其輸入端與電流復(fù)用正交下混頻器11的輸出端連接，用于對(duì)電流復(fù)用正交下混頻器11輸出的中頻信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大；所述的鏡像抑制寬帶中頻放大器13，由八個(gè)放大器130、131、133、134、135、136、137、138和一無源多相濾波器132構(gòu)成，能夠?qū)τ杏弥蓄l信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)鏡像信號(hào)和帶外干擾信號(hào)進(jìn)行抑制；所述的鏡像抑制寬帶中頻放大器13中的無源多相濾波器132由RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它不僅對(duì)輸入信號(hào)的幅度、頻率有響應(yīng)，而且對(duì)輸入信號(hào)的相位也有響應(yīng)，從而可以濾除鏡像信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)超低功耗；所述的放大器130是沒有直流失調(diào)消除功能的，而放大器131是帶有直流失調(diào)消除功能的，在系統(tǒng)中讓它們交替分配，可以有效消除直流失調(diào)，同時(shí)也能夠保證足夠的電壓增益 ο一包絡(luò)檢波器14，其輸入端與鏡像抑制寬帶中頻放大器13的輸出端連接，用于檢測(cè)鏡像抑制寬帶中頻放大器13輸出中頻信號(hào)的幅度信息?！呔缺容^器15，其輸入端與包絡(luò)檢波器14的輸出端連接，用于解調(diào)包絡(luò)檢波器14輸出的幅度信息。所述的高精度比較器15，由五個(gè)開關(guān)150、151、152、155、156和一預(yù)放大器153、一鎖存器154以及電容構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行比較，并輸出比較結(jié)；同時(shí)它還能夠存儲(chǔ)模擬電路的直流失調(diào)，提高放大器的精度，進(jìn)而提高整個(gè)接收裝置的靈敏度；一數(shù)字頻率校準(zhǔn)器16，其輸出端與全差分環(huán)形振蕩器12的輸入端連接，用于對(duì)全差分環(huán)形振蕩器12的輸出頻率進(jìn)行數(shù)字校正。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)說明，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
1.一種超低功耗OOK接收裝置，包括一射頻濾波器，其輸入端連接一天線，用于選擇相應(yīng)的頻段，濾除帶外干擾信號(hào)；一電流復(fù)用正交下混頻器，其輸入端與射頻濾波器的輸出端連接，用于將輸入射頻信號(hào)變換成中頻信號(hào)輸出；一全差分環(huán)形振蕩器，其輸出端與電流復(fù)用正交下混頻器的輸入端連接，為電流復(fù)用正交下混頻器提供下變頻所需要的正交本振信號(hào)；一鏡像抑制寬帶中頻放大器，其輸入端與電流復(fù)用正交下混頻器的輸出端連接，用于對(duì)電流復(fù)用正交下混頻器輸出的中頻信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步放大；一包絡(luò)檢波器，其輸入端與鏡像抑制寬帶中頻放大器的輸出端連接，用于檢測(cè)鏡像抑制寬帶中頻放大器輸出中頻信號(hào)的幅度信息；一高精度比較器，其輸入端與包絡(luò)檢波器的輸出端連接，用于解調(diào)包絡(luò)檢波器輸出的幅度信息；一數(shù)字頻率校準(zhǔn)器，其輸出端與全差分環(huán)形振蕩器的輸入端連接，用于對(duì)全差分環(huán)形振蕩器的輸出頻率進(jìn)行數(shù)字校正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低功耗OOK接收裝置，其中所述的電流復(fù)用正交下混頻器由混頻器和混頻器構(gòu)成，它們的輸入信號(hào)是相同的，它們用來混頻的本振信號(hào)是相互正交的，它們輸出的中頻信號(hào)也是相互正交的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超低功耗OOK接收裝置，其中所述的電流復(fù)用正交下混頻器中的混頻器或混頻器是由上下兩級(jí)電路堆疊而成的，上級(jí)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，下級(jí)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行混頻，而且兩級(jí)電路公用偏置電流，從而實(shí)現(xiàn)了超低功耗。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低功耗OOK接收裝置，其中全差分環(huán)形振蕩器，由四個(gè)延遲單元和兩個(gè)電阻調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，該全差分環(huán)形振蕩器產(chǎn)生差分正交本振信號(hào)，其采用電路網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行頻率調(diào)諧，避免了傳統(tǒng)的電流偏置進(jìn)行頻率調(diào)諧，從而實(shí)現(xiàn)超低功耗。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低功耗OOK接收裝置，其中所述的鏡像抑制寬帶中頻放大器，由八個(gè)放大器和一無源多相濾波器構(gòu)成，能夠?qū)τ杏弥蓄l信號(hào)進(jìn)行放大，對(duì)鏡像信號(hào)和帶外干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超低功耗OOK接收裝置，其中所述的鏡像抑制寬帶中頻放大器中的無源多相濾波器由RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它不僅對(duì)輸入信號(hào)的幅度、頻率有響應(yīng)，而且對(duì)輸入信號(hào)的相位也有響應(yīng)，從而可以濾除鏡像信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)超低功耗。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低功耗OOK接收裝置，其中所述的高精度比較器15，由五個(gè)開關(guān)和一預(yù)放大器、一鎖存器以及電容構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行比較，并輸出比較結(jié)； 同時(shí)它還能夠存儲(chǔ)模擬電路的直流失調(diào)，提高放大器的精度，進(jìn)而提高整個(gè)接收裝置的靈敏度。
全文摘要
一種超低功耗OOK接收裝置，包括一射頻濾波器，其輸入端連接一天線；一電流復(fù)用正交下混頻器，其輸入端與射頻濾波器的輸出端連接；一全差分環(huán)形振蕩器，其輸出端與電流復(fù)用正交下混頻器的輸入端連接；一鏡像抑制寬帶中頻放大器，其輸入端與電流復(fù)用正交下混頻器的輸出端連接；一包絡(luò)檢波器，其輸入端與鏡像抑制寬帶中頻放大器的輸出端連接；一高精度比較器，其輸入端與包絡(luò)檢波器的輸出端連接；一數(shù)字頻率校準(zhǔn)器，其輸出端與全差分環(huán)形振蕩器的輸入端連接，用于對(duì)全差分環(huán)形振蕩器的輸出頻率進(jìn)行數(shù)字校正。
文檔編號(hào)H04L27/06GK102163982SQ201110025020
公開日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2011年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月24日
發(fā)明者吳南健, 章琦 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所