CN101719776B - 一种射频收发装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频收发装置，包括：双工器、射频前端、滤波器、自动增益调整器、解调器、缓冲器、振荡器、存储器、功率放大器、基带处理器和数字控制器。本发明提供的射频收发装置，可采用广泛的CMOS工艺制作，电路均可芯片内实现，系统结构简单，整个射频收发装置的功耗低，解决了胶囊内窥镜应用中的超低功耗问题，特别适合应用于无线传感器网络和可植入医疗用途等一些超低功耗应用的通信领域中。

Description

一种射频收发装置

技术领域

本发明涉及射频收发技术领域，特别是一种极低功耗的射频收发装置。

背景技术

在无线传感器网络和可植入医疗用途的无线通信等领域中，通常要求系统功耗必须极低，因而在CMOS工艺上集成超低功耗的射频收发器系统是一项关键技术。

近年来一些超低功耗的射频收发器系统基于无源RFID的技术来实现，然而这些系统的数据速率通常很低(＜100Kbps)，其接收系统的灵敏度通常不高，为了使接收系统能够有效的接收信号，发射系统必须发射足够高的功率，然而高的射频功率对人体是有害的，所以基于以上缺点方面的考虑，无源RFID技术来实现的超低功耗射频收发器并不适合应用于无线传感器网络和可植入医疗用途的无线通信领域中。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种极低功耗的射频收发装置，使其能够适用于无线传感器网络和可植入医疗用途等超低功耗应用的场合中。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种射频收发装置，该装置包括：

双工器10，该双工器的一端与天线连接，另一端与射频前端11的输入端连接，再一端与功率放大器18的输出端连接，用于接收和发射的选通和隔离；

射频前端11，该射频前端11的输入端分别与双工器10的一端和缓冲器15的输出端连接，输出端与滤波器12的输入端连接，用于放大接收到的微弱信号，降低整体接收系统的噪声指数，将射频信号变频到中频信号以方便后续中频电路的处理；

滤波器12，该滤波器12的输入端与射频前端11的输出端连接，输出端与自动增益调整器13的输入端连接，用于抑制带外噪声和本振泄露干扰；

自动增益调整器13，该自动增益调整器13的输入端与滤波器12的输出端接连，输出端与解调器14的输入端连接，用于中频信号动态范围的调整，将信号幅度稳定在一个合理的电平上；

解调器14，该解调器14的输入端与自动增益调整器13的输出端连接，输出端输出解调后的信号，用于解调前级自动增益调整器13输出的模拟中频的信号，将该信号恢复为原始的数字数据；

缓冲器15，该缓冲器15的输入端与振荡器16的输出端连接，输出端与射频前端11连接，用于隔离射频前端11和振荡器16；

振荡器16，该振荡器16的输入端分别与存储器17的输出端和基带处理器19的输出端连接，输出端分别与缓冲器15的输入端和功率放大器18的输入端连接，用于向射频前端11提供载波信号，向功率放大器18提供射频调制信号；

存储器17，该存储器17的输入端与数字控制器20的输出端连接，输出端与振荡器16的输入端连接，用于存储振荡器16的频率控制信号，向振荡器16提供频率控制信号以控制振荡器的频率；

功率放大器18，该功率放大器18的输入端分别与振荡器16的输出端、基带处理器19的输出端和数字控制器20的输出端连接，输出端与双工器10的一端连接，用于放大振荡器16的输出信号；

基带处理器19，该基带处理器19的输入端与数字控制器20的输出端连接，输出端分别与振荡器16的输入端和功率放大器18的输入端连接，用于向振荡器16和功率放大器18提供基带数据，利用该基带数据控制振荡器16的导通和关断；

数字控制器20，该数字控制器20的输出端分别与存储器17的输入端、功率放大器18的输入端和基带处理器19的输入端连接，用于向存储器17、功率放大器18和基带处理器19提供数字控制信号。

上述方案中，所述射频前端11包括依次连接的偏置电路、增益可变功耗可变的低噪声放大器和无源混频器。

上述方案中，所述偏置电路由恒流源和宽长比可选择的N型晶体管构成，通过选择N型晶体管的尺寸，实现低噪声放大器偏置电压的改变，从而改变低噪声放大器的功耗；

所述低噪声放大器，其增益模式分为高增益模式和低增益模式，高低增益模式的切换由位于低噪声放大器负载处的P型晶体管控制；

所述混频器是无源混频器，其功耗可忽略，该混频器的一端接低噪声放大器的输出，另一端接地电位，输出为差分信号。

上述方案中，所述低噪声放大器的输出和输入之间有一反馈电路，该反馈电路由P型晶体管和电容组成，数字信号控制该P型晶体管的通断，从而实现反馈电路的通和断，用于降低低增益模式下低噪声放大器的输入品质因子，使得其在超低功耗下仍然具有一定的线性度。

上述方案中，所述滤波器12为无源滤波器，由一阶低通滤波器和一阶高通滤波器级联构成。

上述方案中，所述自动增益调整器13包括依次连接的变增益放大器、峰值检测器和差分放大器，该变增益放大器由六个单级变增益放大器和一个高通滤波器级联构成，该高通滤波器插在六个单级变增益放大器中间，用于消除前三个单级放大器产生的直流失调。

上述方案中，所述单级变增益放大器中进一步包括一线性补偿网络，使得该单级变增益放大器在极低的功耗下仍具有一定的线性特性。

上述方案中，所述存储器17是非易失性存储器，利用该存储器17来保存振荡器16的频率控制信号，避免每次上电的校正环节。

上述方案中，所述功率放大器18包括一频率补偿网络，使得该收发装置在接收和发射两种模式下振荡器16的输出频率相等，有助于减小振荡器16的频率调谐范围，从而降低振荡器16的功耗。

上述方案中，所述功率放大器18由两级构成，第一级是反相器结构，第二级是CLASS B型互补推挽式结构，在没有射频信号的情况下，该功率放大器的功耗为零。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的射频收发装置，可采用广泛的CMOS工艺制作，电路均可芯片内实现，系统结构简单，整个射频收发装置的功耗低，解决了胶囊内窥镜应用中的超低功耗问题。

2、本发明提供的射频收发装置，由于低噪声放大器采用变增益、变偏置、输出到输入反馈的结构，所以可以根据接收信号强度的大小来动态调整信号的增益和电路的功耗，改变信号的线性特性；混频器采用了无源混频器，其功耗几乎为零。

3、本发明提供的射频收发装置，由于滤波器由无源的一阶低通滤波器和一阶高通滤波器级联组成，其功耗几乎为零。

4、本发明提供的射频收发装置，通过在六个单级变增益放大器中间插入高通滤波器，消除了前三级变增益放大器产生的直流失调；通过在单级变增益放大器中加入线性补偿网络，使得单级变增益放大器即使在极低的功耗下仍具有一定的线性特性。

5、本发明提供的射频收发装置，使用了非易失性存储器，利用该存储器17来保存振荡器16的频率控制信号，利用该控制信号来直接确定振荡器的频率，避免了常规收发装置中锁相环的使用，节省了功耗，且由于非易失性存储器的使用，避免了每次上电的校正环节。

6、本发明提供的射频收发装置，由于在功率放大器中加入了频率补偿网络，所以可以使得接收和发射两种模式下载波信号的频率几乎相等，从而降低振荡器的频率调谐范围，而这有利于降低功耗；功率放大器由反相器型放大器和CLASS B型互补推挽式放大器级联组成，在没有射频信号的情况下，其功耗几乎为零。

7、本发明提供的射频收发装置特别适合应用无线传感器网络和可植入医疗用途等一些超低功耗应用的通信领域中。

附图说明

图1为本发明提供的超低功耗射频收发装置的结构示意图；

图2为本发明提供射频前端的电路图；

图3为本发明提供的自动增益调整器的结构示意图；

图4为本发明提供的变增益放大器的结构示意图(基于图3)；

图5为本发明提供的单级变增益放大器的电路图(基于图4)；

图6为本发明提供的功率放大器的电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1为本发明提供的超低功耗射频收发装置的结构示意图，该射频收发装置包括：双工器10、射频前端11、滤波器12、自动增益调整器13、解调器14、缓冲器15、振荡器16、存储器17、功率放大器18、基带处理器19和数字控制器20。

其中双工器10用于接收和发射的选通和隔离；射频前端11用于放大接收到的微弱信号，降低整体接收系统的噪声指数，将射频信号变频到中频信号以方便后续中频电路的处理；滤波器12用于抑制带外噪声和本振泄露干扰；自动增益调整器13用于中频信号动态范围的调整，将信号幅度稳定在一个合理的电平上；解调器14用于解调前级自动增益调整器13输出的模拟中频的信号，将该信号恢复为原始的数字数据；缓冲器15用于隔离射频前端11和振荡器16；振荡器16用于向射频前端11提供载波信号，向功率放大器18提供射频调制信号；存储器17用于存储振荡器16的频率控制信号，向振荡器16提供频率控制信号以控制振荡器的频率；功率放大器18用于放大振荡器16的输出信号；基带处理器19用于向振荡器16和功率放大器18提供基带数据，利用该基带数据控制振荡器16的导通和关断；数字控制器20用于向存储器17、功率放大器18和基带处理器19提供数字控制信号。

基于图1所述的超低功耗射频收发装置的结构示意图，图2给出了本发明提供射频前端11的电路图。该射频前端11由偏置电路，增益可变、功耗可变的低噪声放大器和无源混频器构成。低噪声放大器(LNA)主要结构为电感源级退化的共源共栅的放大器。Ls提供源级退化的电感以在M1的栅端生成50欧姆的实部输入阻抗，进一步配合Lg，Cs，Ls和M1的寄生电容形成的LC串联振荡通路以实现输入组抗和天线阻抗的匹配。其中Cs的主要目的是在任意功耗下实现近似的噪声匹配。根据输入管M1的栅宽，选取一定Cs电容值，便可以在工作频率处同时达到阻抗匹配和近似的噪声匹配，从而可以确保在极低的功耗下仍然具有良好的噪声性能。为了适应输入信号功率在很大的范围内变化，LNA设计采用了两种增益模式。当信号强度弱的时候，agc端口置为高电平，这时M3和M4均处于关断状态，电感L1，M2处的寄生电容和后级混频器的输入阻抗发生谐振，形成LNA的高阻抗负载，这时LNA工作在高增益状态。当信号强度足够强的时候，LNA的增益调整到低增益状态以避免后级电路发生饱和。这时agc端口置为低电平，偏置电路中的M7处于关断状态以抬升M1管的偏置电压，从而提高电路的大信号线性特性。M3形成的等效电阻有效的降低了LNA负载处的阻抗，从而降低了LNA的增益；M4处于开启状态且处于深度线性区，从而等效为一定阻值的电阻，该电阻通过输入到输出的米勒效应有效的降低了LNA输入的品质因子，从而进一步提升了电路的大信号线性特性。LNA变为低增益时，这时的有用信号是足够强的，所以电路的噪声性能不会对接收机的误比特率产生影响。设计时我们通过优化高增益时LNA的噪声性能来保证接收机的灵敏度，通过优化低增益时LNA的线性性能来保证LNA处理大信号的能力。

混频器采用无源混频器，被LNA放大后的射频信号通过C3电容耦合到混频器的一个输入，混频器的另外一个输入通过电容C5连接到交流地。在M8，M9，M11，M12开关管换向导通的作用下，射频信号被转换为一定中频值的中频信号，其中频值由射频信号的频率和载波信号的频率之差决定。C4跨接在中频输出两端，与中频输出的阻抗一起形成低通滤波器的作用，以初步实现抑制带外噪声和本振泄露干扰。该无源混频器的功耗几乎为零。

基于图1所述的超低功耗射频收发装置的结构示意图，图3给出了本发明提供的自动增益调整器13的结构示意图。其由变增益放大器、峰值检测器和差分放大器组成，变增益放大器的输出幅度被峰值检测器检测后和一个基准电压进行比较，比较后的误差信号VC反馈给变增益放大器的增益控制端，从而调整变增益放大器的增益以使输出信号的幅度稳定在一个合理的电平上。

基于图3给出的自动增益调整器的结构示意图，图4给出了本发明提供的变增益放大器的结构示意图，其由六个单级变增益放大器和一个无源高通滤波器组成，高通滤波器插在六个单级变增益放大器的中间，用于消除前三级变增益放大器带来的直流失调。

基于图4给出的变增益放大器的结构示意图，图5给出了本发明提供的单级变增益放大器的电路图。其中M7，M8，M9，M10构成线性补偿网络，M7、M8的栅极分别连接单级变增益放大器的正端输入和负端输入，M9、M10的栅极分别连接单级变增益放大器的负端输入和正端输入，在M8和M10的作用下，M7和M9均处于线性区工作状态，合理选择M7和M9的尺寸，它们的三阶失真项和输入管M3和M4的三阶失真项在一定程度上可以相互抵消，从而提高了单级变增益放大器的线性性能，使得放大器在极低的功耗下仍然具有一定的线性特性。M11和M12形成线性区电阻，其阻值由VC电压来进行调控，以实现放大器增益的调整。

基于图1所述的超低功耗射频收发装置的结构示意图，图6给出了本发明提供的功率放大器18的电路图，其中频率补偿网络由图6所示的晶体管和电容组成的阵列构成，数字控制器提供C[1]，C[2]，…C[N]等控制信号来实现振荡器16负载的调整，使其负载在接收/发射两种工作模式下基本相同，从而振荡器16输出信号的频率在接收/发射两种工作模式下基本相同。这有宜于减小振荡器16的频率调谐范围，从而降低振荡器16的功耗。功率放大器的第一级为反相器型放大器，由晶体管M2和M3组成，控制信号SW和SWN分别控制晶体管M1和M4，使得在接收模式下M1和M4关断，发射模式下M1和M4开启；第二级为为CLASS B型互补推挽型放大器，电容C1、C2和电感L1联合第一级放大器和第二级放大器的负载共同构成谐振回路，从而提高工作频率处射频信号的功率。来自基带处理器19的基带信号控制晶体管M7和M8的导通和关断，当基带数据为‘零’时，M7和M8开启，使得晶体管M5和M6彻底关断，这时功率放大器的功耗几乎为零。当基带数据为‘一’时，M7和M8关断，电压biasN和biasP将M5和M6偏置在管子的阈值电压附近，使得第二级构成CLASSB型放大器。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种射频收发装置，其特性在于，该装置采用CMOS工艺制作，具体包括：

双工器(10)，该双工器的一端与天线连接，另一端与射频前端(11)的输入端连接，再一端与功率放大器(18)的输出端连接，用于接收和发射的选通和隔离；

射频前端(11)，该射频前端(11)的输入端分别与双工器(10)的一端和缓冲器(15)的输出端连接，输出端与滤波器(12)的输入端连接，用于放大接收到的微弱信号，降低整体接收系统的噪声指数，将射频信号变频到中频信号以方便后续中频电路的处理；

滤波器(12)，该滤波器(12)的输入端与射频前端(11)的输出端连接，输出端与自动增益调整器(13)的输入端连接，用于抑制带外噪声和本振泄露干扰；

自动增益调整器(13)，该自动增益调整器(13)的输入端与滤波器(12)的输出端接连，输出端与解调器(14)的输入端连接，用于中频信号动态范围的调整，将信号幅度稳定在一个合理的电平上；

解调器(14)，该解调器(14)的输入端与自动增益调整器(13)的输出端连接，输出端输出解调后的信号，用于解调前级自动增益调整器(13)输出的模拟中频的信号，将该信号恢复为原始的数字数据；

缓冲器(15)，该缓冲器(15)的输入端与振荡器(16)的输出端连接，输出端与射频前端(11)连接，用于隔离射频前端(11)和振荡器(16)；

振荡器(16)，该振荡器(16)的输入端分别与存储器(17)的输出端和基带处理器(19)的输出端连接，输出端分别与缓冲器(15)的输入端和功率放大器(18)的输入端连接，用于向射频前端(11)提供载波信号，向功率放大器(18)提供射频调制信号；

存储器(17)，该存储器(17)的输入端与数字控制器(20)的输出端连接，输出端与振荡器(16)的输入端连接，用于存储振荡器(16)的频率控制信号，向振荡器(16)提供频率控制信号以控制振荡器的频率；

功率放大器(18)，该功率放大器(18)的输入端分别与振荡器(16)的输出端、基带处理器(19)的输出端和数字控制器(20)的输出端连接，输出端与双工器(10)的一端连接，用于放大振荡器(16)的输出信号；

基带处理器(19)，该基带处理器(19)的输入端与数字控制器(20)的输出端连接，输出端分别与振荡器(16)的输入端和功率放大器(18)的输入端连接，用于向振荡器(16)和功率放大器(18)提供基带数据，利用该基带数据控制振荡器(16)的导通和关断；

数字控制器(20)，该数字控制器(20)的输出端分别与存储器(17)的输入端、功率放大器(18)的输入端和基带处理器(19)的输入端连接，用于向存储器(17)、功率放大器(18)和基带处理器(19)提供数字控制信号；

其中，所述射频前端(11)包括依次连接的偏置电路、增益可变功耗可变的低噪声放大器和无源混频器，所述低噪声放大器，其增益模式分为高增益模式和低增益模式，高低增益模式的切换由位于低噪声放大器负载处的P型晶体管控制；所述混频器是无源混频器，其功耗可忽略，该混频器的一端接低噪声放大器的输出，另一端接地电位，输出为差分信号；

所述滤波器(12)为无源滤波器，由一阶低通滤波器和一阶高通滤波器级联构成；

所述自动增益调整器(13)包括依次连接的变增益放大器、峰值检测器和差分放大器，该变增益放大器由六个单级变增益放大器和一个高通滤波器级联构成，该高通滤波器插在六个单级变增益放大器中间，用于消除前三个单级放大器产生的直流失调；所述单级变增益放大器中进一步包括一线性补偿网络，使得该单级变增益放大器在极低的功耗下仍具有一定的线性特性；

所述存储器(17)是非易失性存储器，利用该存储器(17)来保存振荡器(16)的频率控制信号，避免每次上电的校正环节；

所述功率放大器(18)包括一频率补偿网络，使得该收发装置在接收和发射两种模式下振荡器(16)的输出频率相等，有助于减小振荡器(16)的频率调谐范围，从而降低振荡器(16)的功耗；

所述功率放大器(18)由两级构成，第一级是反相器结构，第二级是CLASS B型互补推挽式结构，在没有射频信号的情况下，该功率放大器的功耗为零。

2.根据权利要求1所述的射频收发装置，其特性在于，

所述偏置电路由恒流源和宽长比可选择的N型晶体管构成，通过选择N型晶体管的尺寸，实现低噪声放大器偏置电压的改变，从而改变低噪声放大器的功耗。

3.根据权利要求1所述的射频收发装置，其特性在于，所述低噪声放大器的输出和输入之间有一反馈电路，该反馈电路由P型晶体管和电容组成，数字信号控制该P型晶体管的通断，从而实现反馈电路的通和断，用于降低低增益模式下低噪声放大器的输入品质因子，使得其在超低功耗下仍然具有一定的线性度。

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