CN110912571B - 一种超低功耗接收机电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超低功耗接收机电路，其包括有滤波器，还包括有混频器、电压型基带放大器以及25％占空比本振信号产生器，所述混频器、电压型基带放大器以及滤波器依次相连，所述25％占空比本振信号产生器与所述混频器相连，用于向所述混频器提供振荡信号，所述混频器其射频入口和中频输出口为同一端口，其中所述混频器其输入口设置有用于隔直流的隔断电容；该超低功耗接收机电路其在具备超低功耗的基础上同时使得其具备较好的灵敏度。

Description

一种超低功耗接收机电路
技术领域
本发明涉及射频集成电路技术领域，具体涉及一种超低功耗接收机电路。
背景技术
接收机(receiver)电路是射频无线收发机的重要组成部分，主要作用是将信号进行放大、滤波处理。在物联网、生物医疗电子等领域被广泛应用的接收机电路对功耗的要求很高，同时接收机还必须具有可以接受的噪声性能和芯片面积，这是延长无线设备节点使用寿命的重要保证。面向这些应用的接收机被称作低功耗接收机或超低功耗接收机。
接收机电路一般包括低噪声放大器、混频器、滤波放大电路等部分。在传统的无线低功耗接收机中，射频(RF)电路通常消耗大量功耗，尤其是RF低噪声放大器(LNA)和本地振荡器(LO)缓冲器，其消耗几百微瓦到几毫瓦。
现有的低功耗接收机主要包括以下几类。第一类是基于注入锁定和包络检测的架构，如附图1所示，参考文献J.Pandey,J.Shi and B.Otis,"A 120μW MICS/ISM-band FSKreceiver with a 44μW low-power mode based on injection-locking and 9xfrequency multiplication,"2011 IEEE International Solid-State CircuitsConference(ISSCC),San Francisco,CA,2011,pp.460-462.这篇2011年ISSCC使用了带包络检测的注入锁定振荡器架构来降低接收机功耗。但这种架构下，接收机的灵敏度依赖于注入的输入信号强度，因此一般灵敏度性能不如传统架构的接收机。
另一类接收机采用低电压或者电流复用的方式来实现低功耗。参考文献Z.Linetal.,"9.4 A0.5V 1.15mW 0.2mm2 Sub-GHz ZigBee receiver supporting 433/860/915/960MHz ISM bands with zero external components,"2014 IEEE ISSCC Dig.ofTech.Papers,San Francisco,CA,2014,pp.164-165。这篇2014年的ISSCC中，使用了仅0.5V的电源电压，来降低整体功耗。但由于较低的工作电压，电路的电压裕度被限制，因此线性度性能比较一般。参考文献Lin,P.-I.Mak and R.P.Martins,“A1.7mW 0.22mm2 2.4GHzZigBee RX Exploiting a Current-Reuse Blixer+Hybrid Filter Topology in 65nmCMOS,”ISSCC Dig.Tech.Papers,pp.448-449,Feb.2013，则是使用了堆叠结构来实现电流的复用，尽管可以带来一定功耗的好处，但是层叠结构也同样会限制电路的电压裕度。这两种方法尽管可以实现一定程度的低功耗，且接收机灵敏度一般比较好，但其对于电路架构并没有本质的改变，因此功耗仍比较高，一般在几百微瓦左右。
现有的技术还没有很好地解决如何在实现接收机超低功耗的基础上，同时保证不错的性能的问题。现有技术要么只能实现超低功耗而灵敏度性能差，要么能够实现中等性能但功耗仍然较高，这极大地限制了低功耗接收机在物联网、生物医疗电子等方面的应用。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种超低功耗接收机电路，该超低功耗接收机电路其在具备超低功耗的基础上同时使得其具备较好的灵敏度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种超低功耗接收机电路，所述接收机电路包括有滤波器，所述接收机电路还包括有混频器、电压型基带放大器以及25％占空比本振信号产生器，所述混频器、电压型基带放大器以及滤波器依次相连，所述25％占空比本振信号产生器与所述混频器相连，用于向所述混频器提供振荡信号，所述混频器其射频入口和中频输出口为同一端口，其中所述混频器其输入口设置有用于隔直流的隔断电容。
进一步，所述接收机电路还包括有无源RF低噪声放大器，其中所述无源RF低噪声放大器其设置在所述混频器的前端，用于将其放大后的射频信号输入到所述混频器中。
进一步，所述无源RF低噪声放大器通过电感和电容串联构成。
进一步，所述滤波器采用双滤波器构成的叠层结构，其中一对滤波器通过一对所述电压型基带放大器对应的与一对所述混频器相连。
进一步，所述电压型基带放大器为采用开环式的放大器结构。
进一步，所述电压型基带放大器其输入极为采用高阻特性的栅极结构。
进一步，所述无源RF低噪声放大器为通过采用多个电感和电容串联而成。
与现有技术相比，本方案具有的有益技术效果为：
1、功耗极低，在上述电路中，不存在传统的有源RF低噪声放大器和混频器，而是通过无源RF低噪声放大器和新型的混频器构成，因此节省了大量功耗；此外电压型基带放大器采用开环结构，滤波器采用叠层复用电流，进一步节省了功耗；
2、25％占空比本振信号产生器其驱动功耗低；新型的混频器其通过较小的开关尺寸和较低的LO(本地振荡器)缓冲电源电压，从而降低了LO的驱动功耗；
3、灵敏度性能较好，无源低噪声放大器提供足够的增益，新型混频器和高阻输入的基带放大器可以保证足够的转换增益和噪声性能，而灵敏度性能预噪声性能直接相关，因此其灵敏度性能较好。
附图说明
图1为传统的基于注入锁定和包络检测的接收机电路示意图。
图2为传统的混频器结构示意图。
图3为传统的采用跨阻放大器构成的混频器结构的接收机链路结构示意图。
图4为本实施例中的超低功耗接收机电路结构示意图。
图5为本实施例中的混频器结构示意图。
图6为采用本实施例中的混频器构成的接收机链路结构示意图。
图7为本实施例中的开环运算放大器结构示意图。
图8为本实施例中的共模反馈电路结构示意图。
图9为本实施例中的低通滤波器电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
本方案是针对现有的接收机电路要么只能实现超低功耗而灵敏度性能差，要么能够实现中等性能但功耗仍然较高，这极大地限制了低功耗接收机在物联网、生物医疗电子等方面的应用；进而提出的一种超低功耗接收机电路，该超低功耗接收机电路其在具备超低功耗的基础上同时使得其具备较好的灵敏度。
参见附图4至9所示，本实施例中的超低功耗接收机电路，其包括有无源RF低噪声放大器、滤波器、混频器、电压型基带放大器以及25％占空比本振信号产生器，无源RF低噪声放大器、混频器、电压型基带放大器以及滤波器依次相连，25％占空比本振信号产生器与混频器相连，用于向混频器提供振荡信号，混频器其射频入口和中频输出口为同一端口，其中混频器其输入口设置有用于隔直流的隔断电容。在此需要说明的是，在接收机的链路构架中，上述无源RF低噪声放大器其不一定是必须的，也可以在天线后直接与本实施例中的混频器相连。
参照附图4所示，本实施例中的无源RF低噪声放大器通过一个串联的电感和电容阵列构成，以便用于将后级的高阻抗转换为50欧姆阻抗以实现阻抗匹配，可抑制基带电路的噪声，降低基带电路的功耗，同时提高一定的电压增益。此外，本实施例中的上述无源RF低噪声放大器其不限于单个电感和电容的形式，其也可以采用多个电感和电容的形式，或者使用变压器等无源器件的结构。
结合参照附图2和5所示，本实施例中的混频器与传统的混频器结构不同，本实施例中的混频器其射频输入口和中频输出口为同一端口；同时，在输入端有一个隔直流的电容C0也参与输入匹配；本实施例中的混频器中的开关N型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS)的尺寸可以选取较小尺寸，在先进CMOS工艺下，其对应的LO驱动功耗会更小。同时参照附图3和6所示，分别为采用传统的和本实施例中的混频器构成的接收机链路结构示意图。
参照附图4所示，滤波器采用双滤波器构成的叠层结构，其中一对滤波器通过一对电压型基带放大器对应的与一对混频器相连，通过采用叠层的滤波器结构，其可以复用电流，可进一步节省功耗。
参照附图7所示，本实施例中的电压型基带放大器采用开环式的放大器结构，其对放大器功耗的要求更低，同时高阻输入特性可以减少对混频器的负载影响。另外，本实施例中的电压型基带放大器其输入极为栅极，以便呈现高阻输入特性。
参照附图7至9所示，电压型基带放大器由放大级和共模反馈(CMFB)组成。共模电压为500mV，并由分流无源混频器偏置。采用互补共源放大级，以低功率提供约28dB的电压增益。栅极长度设计得很小，以最大限度地减小寄生电容，防止输入节点在RF频率下出现低阻抗。CMFB中使用电阻和电容进行频率补偿。在VOP和VON之间使用电阻阵列和电容阵列来调节基带放大器的电压增益和带宽。
低通滤波器仅由NMOS和金属-绝缘体-金属(MIM)电容器组成。低通滤波器消耗约5μA电流，提供2阶低通滤波，电压增益为0dB，将低通滤波器与基带放大器相结合，实现了3阶可调谐模拟基带。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种超低功耗接收机电路，所述接收机电路包括有滤波器，其特征在于：所述接收机电路还包括有混频器、电压型基带放大器以及25％占空比本振信号产生器，所述混频器、电压型基带放大器以及滤波器依次相连，所述25％占空比本振信号产生器与所述混频器相连，用于向所述混频器提供振荡信号；
所述混频器具有射频信号输入端、本振信号输入端和中频信号输出端，所述射频信号输入端后串联连接一个用于隔直流的隔断电容，在所述隔断电容和所述本振信号输入端之间连接一个开关，从所述隔断电容和所述开关之间连接所述中频信号输出端，通过本振信号控制所述开关反复开关，从而实现射频信号和本振信号共同在所述中频信号输出端输出期望的中频信号。
2.根据权利要求1所述的一种超低功耗接收机电路，其特征在于：所述接收机电路还包括有无源RF低噪声放大器，其中所述无源RF低噪声放大器其设置在所述混频器的前端，用于将其放大后的射频信号输入到所述混频器中。
3.根据权利要求2所述的一种超低功耗接收机电路，其特征在于：所述无源RF低噪声放大器通过电感和电容串联构成。
4.根据权利要求1至3任一所述的一种超低功耗接收机电路，其特征在于：所述滤波器采用双滤波器构成的叠层结构，其中一对滤波器通过一对所述电压型基带放大器对应的与一对所述混频器相连。
5.根据权利要求1至3任一所述的一种超低功耗接收机电路，其特征在于：所述电压型基带放大器为采用开环式的放大器结构。
6.根据权利要求5所述的一种超低功耗接收机电路，其特征在于：所述电压型基带放大器其输入极为采用高阻特性的栅极结构。
7.根据权利要求3所述的一种超低功耗接收机电路，其特征在于：所述无源RF低噪声放大器为通过采用多个电感和电容串联而成。
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