CN102035509B - 脉冲产生电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲产生电路，包括延时电路，产生延时信号，用于调整脉冲宽度；校准电路，为延时电路提供校准信号；偏置电路，为校准电路提供偏置信号。本发明脉冲产生电路应用于无线传感器网络发射机系统，其优点在于：延时误差范围小。

Description

脉冲产生电路

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络发射机系统，具体的讲是涉及一种无线传感器网络发射机系统的脉冲产生电路。

背景技术

当今时代，全球科技发展迅速，作为信息获取最重要和最基本的传感器网络技术也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化逐渐向集成化、微型化、网络化和智能化发展，结合各领域前沿技术、利用现代无线通信连接手段，一种具备信息综合和处理能力以及交互式无线通信的新兴传感器技术——无线传感器网络便由此应运而生了。

无线传感器网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合性智能化信息系统，受到了工业界和学术界的广泛关注。无线传感器网络是由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点，能够通过各类集成化的微型传感器互相协作并实时监测、感知和采集各种环境和监测对象的信息，并对收集到的信息进行处理后通过无线通信的方式发送给终端用户，真正实现物理环境、信息世界、人类社会的交互融合

目前，国际上实现无线传感器网络的主流发射机系统之一是超宽带短脉冲发射机系统。无线传感器网络的发射机原理如图1所示，首先基带脉冲产生电路接收基带数据并产生具有极小占空比的超短脉冲，这一极短的脉冲通过片内电源电压开关驱动电路来控制高频振荡器和输出级驱动放大器在一个周期内间歇性地工作，即使得高频振荡器只在一个周期内的极短时间内工作而其他时间保持关闭，从而自然地产生超宽带短脉冲所要求的超短脉冲信号，然后通过同样周期间歇性工作的输出级驱动放大器放大超短脉冲信号并驱动片外发射天线的50Ω阻抗。可见，这种超低功耗的发射机的架构非常适合于无线传感器网络的应用。

因此，在上述发射机的设计中，一个能产生相对精确脉冲宽度的基带脉冲产生电路是非常重要的，因为基带脉冲产生电路直接控制着片内电源电压开关驱动电路，也即直接影响着整个发射机主要功耗模块的开关控制时间。

现有技术中的脉冲产生电路，基于传统的反相器门的方法产生延迟，由于其工艺和使用环境温度的影响，使其延时电路的延时误差范围为-80％～+120％，即延时误差范围大，产生的脉冲宽度信号不精确。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种延时误差范围小的脉冲产生电路。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种脉冲产生电路，包括延时电路，产生延时信号，用于调整脉冲宽度；校准电路，为延时电路提供校准信号；偏置电路，为校准电路提供偏置信号。

进一步的，所述校准电路包括第一校准单元和第二校准单元。

进一步的，所述第一校准单元包括分别为延时电路的第六三极管、第十三极管、第十八三极管、第二十二三极管、第三十三极管提供校准信号的第五三极管、第九三极管、第十七三极管、第二十一三极管、第二十九三极管。

进一步的，所述第二校准单元包括分别为延时电路的第七三极管、第十一三极管、第十九极管、第二十三三极管、第三十一三极管提供校准信号的第八三极管、第十二三极管、第二十三极管、第二十四三极管、第三十二三极管。

进一步的，所述偏置电路包括第一偏置单元，为第一校准单元提供偏置信号；第二偏置单元，为第二校准单元提供偏置信号。

进一步的，所述第一偏置单元包括第一三极管和第二三极管，所述第二三极管的漏极与栅极电连接后接地，所述第一三极管的漏极与栅极电连接后接第二极管的源极，第一三极管的源极与第一校准单元的第五三极管、第九三极管、第十七三极管、第二十一三极管、第二十九三极管的共源极电连接，所述第一三极管的栅漏极节点与第一校准单元的第五三极管、第九三极管、第十七三极管、第二十一三极管、第二十九三极管的共栅极电连接。

进一步的，所述第一三极管的宽长比为2μm/20nm；所述第二三极管的宽长比为4.2μm/5μm；所述第一三极管和第二三极管的宽长比的比值为(2μm/20nm)/(4.2μm/5μm)。

进一步的，所述第二偏置单元包括第三三极管和第四三极管，所述第三三极管的漏极与栅极电连接后接第一三极管的源极，所述第四三极管的漏极与栅极电连接后接第三极管的源极，第四三极管的源极接地，第四三极管的漏极与第二校准单元的第八三极管、第十二三极管、第二十三极管、第二十四三极管、第三十二三极管共栅极电连接。

进一步的，所述第三三极管的宽长比为1μm/5μm；所述第四三极管的宽长比为95μm/80μm；所述第三三极管和第四三极管的宽长比的比值为(1μm/5μm)/(95μm/80μm)。

本发明的有益效果是：本发明脉冲产生电路基于反相器门构成的延时电路的基础上，采用了自校准技术，即在延时电路上设置有校准电路，为延时电路提供校准信号；校准电路前端设置有偏置电路，为校准电路提供偏置信号。

校准电路三极管工作在线性区，当工艺角由tt变为ff或者ss时，校准电路三极管的阈值电压Vth就会减小或者增大50mv左右，同时会增大延时电路的DC电流并使延时时间比预设值要短或者长，而偏置电路使其校准电路三极管的栅极电压自适应地在ff或者ss工艺角下也同样减小或者增大50mv，因此，工艺角产生的延时偏差被偏置电路补偿并抵消了。

当温度由室温增加为100℃或者减小为-27℃的时候，虽然校准电路三极管的迁移率会增加或者减小，但是由于校准电路三极管工作在线性区，其Vth的增大或者减小将占主导因素并减小或者增加直流电流从而增大或者减小了延迟时间。在温度增加或者减小的情况下，采用偏置电路，使其校准电路的栅极电压增大或者减小，则温度产生的延时偏差被偏置电路补偿并抵消了。

偏置电路采用不同工艺宽长比的三极管，使本发明脉冲产生电路的功耗更低。

综上所述，本发明脉冲产生电路，其延时电路的延时误差范围为-10％～+10％之间，延时误差范围小，因此，产生的脉冲宽度信号更精确。

附图说明

图1是无线传感器发射机系统的原理图；

图2是本发明脉冲产生电路的原理图；

图3是本发明脉冲产生电路偏置、校准、延时电路的原理图；

图4是本发明脉冲产生电路第一偏置单元Vx节点的电压与温度、工艺变化关系图；

图5是本发明脉冲产生电路第二偏置单元Vy节点的电压与温度、工艺变化关系图。

图中所示：1、第一校准单元，2、第二校准单元，3、第一偏置单元，4、第二偏置单元，M1、第一三极管，M2、第二三极管，M3、第三三极管，M4、第四三极管，M5、第五三极管，M6、第六三极管，M7、第七三极管，M8、第八三极管，M9、第九三极管，M10、第十三极管，M11、第十一三极管，M12、第十二三极管，M17、第十七三极管，M18、第十八三极管，M19、第十九三极管，M20、第二十三极管，M21、第二十一三极管，M22、第二十二三极管，M23、第二十三三极管，M24、第二十四三极管，M29、第二十九三极管，M30、第三十三极管，M31、第三十一三极管，M32、第三十二三极管，Vx为第一三极管漏极和第二三极管源极的公共节点，Vy为第三三极管源极和第四三极管漏极公共节点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图2-3所示，本发明脉冲产生电路，包括延时电路，产生延时信号，用于调整脉冲宽度；校准电路，为延时电路提供校准信号；偏置电路，为校准电路提供偏置信号。

所述延时电路包括T0模块、T1模块和缓冲模块。

T0模块包括第六三极管M6、第七三极管M7，第十三极管M10、第十一三极管M11，第十三三极管M13、第十四三极管M14，第十五三极管M15、第十六三极管M16，所述第六三极管M6和第七三极管M7的共栅极为data_in，第十五三极管M15和第十四三极管M14的共栅极为T0信号，第十三三极管M13和第十六三极管M16的共栅极为信号。

T1模块包括第十八极管M18、第十九极管M19、第二十二三极管M22、第二十三三极管M23、第二十五三极管M25、第二十六三极管M26，第二十七三极管M27、第二十八三极管M28，所述第二十六三极管M26和第二十七三极管M27的共栅极为T1信号，所述第二十五三极管M25和第二十八三极管M28的共栅极为信号。

缓冲模块包括第三十三极管M30和第三十一三极管M31。其中第三十三极管M30和第三十一三极管M31的共漏极为data_delay信号。

以上延时电路的T0模块和T1模块可以为多个，可根据需要增加。

所述校准电路包括第一校准单元1和第二校准单元2。

所述第一校准单元1包括分别为延时电路的第六三极管M6、第十三极管M10、第十八三极管M18、第二十二三极管M22、第三十三极管M30提供校准信号的第五三极管M5、第九三极管M9、第十七三极管M17、第二十一三极管M21、第二十九三极管M29，所述第一校准单元1的第五三极管M5、第九三极管M9、第十七三极管M17、第二十一三极管M21、第二十九三极管M29的栅极串接(共栅)、源极串接(共源)、漏极分别与延时电路的第六三极管M6、第十三极管M10、第十八三极管M18、第二十二三极管M22、第三十三极管M30的源极电连接。

所述第二校准单元2包括分别为延时电路的第七三极管M7、第十一三极管M11、第十九极管M19、第二十三三极管M23、第三十一三极管M31提供校准信号的第八三极管M8、第十二三极管M12、第二十三极管M20、第二十四三极管M24、第三十二三极管M32，所述第二校准单元2的第八三极管M8、第十二三极管M12、第二十三极管M20、第二十四三极管M24、第三十二三极管M32的栅极串接(共栅)、源极接地、漏极分别与延时电路的第七三极管M7、第十一三极管M11、第十九极管M19、第二十三三极管M23、第三十一三极管M31的源极连接。

上述校准单元可根据延时电路中T0模块、T1模块以及缓冲模块的增加而增加。

所述偏置电路包括第一偏置单元3，为第一校准单元1提供偏置信号；第二偏置单元4，为第二校准单元2提供偏置信号。

所述第一偏置单元3包括第一三极管M1和第二三极管M2，所述第二三极管M2的漏极与栅极电连接后接地，所述第一三极管M1的漏极与栅极电连接后接第二极管M2的源极，第一三极管M1的源极与第一校准单元1的第五三极管M5、第九三极管M9、第十七三极管M17、第二十一三极管M21、第二十九三极管M29的共源极电连接，所述第一三极管M1的栅漏极公共节点Vx与第一校准单元1的第五三极管M5、第九三极管M9、第十七三极管M17、第二十一三极管M21、第二十九三极管M29的共栅极电连接。

所述第二偏置单元4包括第三三极管M3和第四三极管M4，所述第三三极管M3的漏极与栅极电连接后接第一三极管M1的源极，所述第四三极管M4的漏极与栅极电连接后接第三极管M3的源极，第四三极管M4的源极接电，第四三极管M4源极与第三三极管M3的漏极公共节点Vy与第二校准单元2的第八三极管M8、第十二三极管M12、第二十三极管M20、第二十四三极管M24、第三十二三极管M32共栅极电连接。

所述第一三极管M1的宽长比为2μm/20nm；所述第二三极管M2的宽长比为4.2μm/5μm；所述第一三极管M1和第二三极管M2的宽长比的比值为(2μm/20nm)/(4.2μm/5μm)；所述第三三极管M3的宽长比为1μm/5μm；所述第四三极管M4的宽长比为95μm/80μm；所述第三三极管M3和第四三极管M4的宽长比的比值为(1μm/5μm)/(95μm/80μm)。第一偏置单元3的第一三极管M1和第二三极管M2采用不同宽长比的工艺制作，第二偏置单元4的第三三极管M3和第四三极管M4采用不同宽长比的工艺制作，使偏置电路的功耗降低。

第一偏置单元3的工作原理如下：

I_D1＝I_D2(a)

即：

$\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W_1}{L_1}{(V_x-V_{\mathrm{TH}1})}^2=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_n{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W_2}{L_2}{(V_{\mathrm{DD}}-V_x-V_{\mathrm{TH}2})}^2---\left(b\right)$

如果把阈值电压用V_TH＝V_TH0(T₀)+f(V_SB)-α(T-T₀)来表达，其中α为温度系数，并把该阈值电压表达式代入(1)式中，当时，且(V_x-V_TH1)²＝(V_DD-V_x-V_TH2)²，则V_x为：

$V_x=\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{DD}}+\frac{V_{\mathrm{TH}1}-V_{\mathrm{TH}2}}{2}=\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{DD}}-\frac{1}{2}f\left(V_{\mathrm{SB}}\right)---\left(c\right)$

从上式可以看出，V_x的值随工艺或者温度的波动基本保持不变，从图4-5中也验证了V_x的值的变化能控制在非常小范围5mv内，但这并不符合自适应的要求。

当时，且(V_x-V_TH)²＝n(V_DD-V_x-V_TH)²，此时，V_x为：

$V_x=\frac{\sqrt{n}}{\sqrt{n}+1}{V}_{\mathrm{DD}}+\frac{V_{\mathrm{TH}1}-\sqrt{n}{V}_{\mathrm{TH}2}}{1+\sqrt{n}}---\left(d\right)$

$=\frac{\sqrt{n}}{\sqrt{n}+1}{V}_{\mathrm{DD}}+\frac{1}{1+\sqrt{n}}[V_{\mathrm{TH}\mathrm{0,1}}\left(T_0\right)-\sqrt{n}{V}_{\mathrm{TH}\mathrm{0,2}}\left(T_0\right)-\sqrt{n}f\left(V_{\mathrm{SB}}\right)-({\mathrm{\α}}_1-\sqrt{n}{\mathrm{\α}}_2)(T-T_0)]---\left(e\right)$

从上式中可以得出一个重要的结论，如果M1的宽长比与M2的宽长比存在差别的时候，V_x也会随着工艺或者温度的波动而出现明显变化。进一步地，如果M1的宽长比与M2的宽长比差别很大的时候，就可以得到：

由式(f)可见，如果M1的宽长比与M2的宽长比差别很大的时候，V_x的变化，也即校准电路的栅极电压的变化，正好补偿并抵消了由于工艺、温度变化带来的影响，并使得整个延迟电路的延迟时间得到了较为精确的控制。在设计中，偏置电路的三极管的宽长比与延时电路的其它三极管共同设计。由于电路中同时采用不同宽长比制作工艺的三极管，因此可以保证该偏置电路的直流功耗控制在很低的水平。所以，这种自校准的偏置电路是一种适用于超低功耗应用的技术。

偏置电路采用不同工艺宽长比的三极管，使本发明脉冲产生电路的功耗更低。

第二偏置单元4的工作原理与第一偏置单元3的工作原理相同。Vy节点的电压与工艺、温度的变化关系，如图4所示。

校准电路的工作原理如下：

如图3-5所示，以校准电路的第五三极管M5、第八三极管M8，及与其电连接延时电路的第六三极管M6、第七三极管M7为例，且第五三极管M5、第八三极管M8工件在线性区，如图4所示，当工艺角由tt变为ff时，第八三极管M8的阈值电压Vth就会减小50mv左右，同时会增大延时电路的DC电流并使延时时间比预设值要短，而第二偏置单元4使其第二校准单元的第八三极管M8的栅极电压自适应地在ff工艺角下也同样减小50mv；如图5所示，当工艺角由tt变为ff时，第五三极管M5的阈值电压Vth增加50mv左右，而第一偏置单元3使其第一校准单元的第五三极管M5的栅极电压也增加50mv。因此，工艺角产生的延时偏差被偏置电路补偿并抵消了。

当温度由室温增加为100℃或者减小为-27℃的时候，虽然校准电路三极管的迁移率会增加或者减小，但是由于校准电路三极管工作在线性区，其Vth的增大或者减小将占主导因素并减小或者增加直流电流从而增大或者减小了延迟时间。在温度增加或者减小的情况下，采用偏置电路，使其校准电路的栅极电压增大或者减小，则温度产生的延时偏差被偏置电路补偿并抵消了。

校准电路的第九三极管M9、第十七三极管M17、第二十一三极管M21、第二十九三极管M29的工件原理与第五三极管M5相同；校准电路的第十二三极管M12、第二十三极管M20、第二十四三极管M24、第三十二三极管M32与第八三极管M8的工件原理相同。

如图1-3所示，通过上述设计后，基带脉冲产生电路能够产生1.5ns、2.0ns、2.5ns三种持续时间的短脉冲交给后一级的片内电源电压开关驱动电路来驱动发射机的高频振荡器和输出缓冲器在一个周期内间歇性地工作。这三档持续时间是通过无线传感器微控制器控制基带脉冲产生电路的2个脉冲持续时间控制位来实现的，这两个控制位可以调节基于反相器门的延迟时间。以数据率为1Mbps为例，基带脉冲产生电路可以控制发射机工作的占空比分别可以达到0.15％、0.20％和0.25％。

本发明脉冲产生电路的所有三极管均采用场效应三极管。即可以采用MOS三极管，也可以采用CMOS三极管。

综上所述，本发明脉冲产生电路，其延时电路的延时误差范围为-10％～+10％之间，延时误差范围小，因此，产生的脉冲宽度信号更精确。

Claims (3)

1.一种脉冲产生电路，包括

延时电路，产生延时信号，用于调整脉冲宽度；

其特征在于：它还包括

校准电路，为延时电路提供校准信号；所述校准电路包括第一校准单元(1)和第二校准单元(2)；

偏置电路，为校准电路提供偏置信号；所述偏置电路包括第一偏置单元(3)，为第一校准单元(1)提供偏置信号；第二偏置单元(4)，为第二校准单元(2)提供偏置信号；

所述第一偏置单元(3)包括第一三极管和第二三极管,所述第二三极管的漏极与栅极电连接后接地，所述第一三极管的漏极与栅极电连接后接第二极管的源极，第一三极管的源极与第一校准单元(1)的第五三极管、第九三极管、第十七三极管、第二十一三极管、第二十九三极管的共源极电连接，所述第一三极管的栅漏极与第一校准单元的第五三极管、第九三极管、第十七三极管、第二十一三极管、第二十九三极管的共栅极电连接；

所述第一三极管的宽长比为2μm/20nm；所述第二三极管的宽长比为4.2μm/5μm；所述第一三极管和第二三极管的宽长比的比值为(2μm/20nm)/(4.2μm/5μm)；

所述第二偏置单元(4)包括第三三极管和第四三极管,所述第三三极管的漏极与栅极电连接后接第一三极管的源极，所述第四三极管的漏极与栅极电连接后接第三极管的源极，第四三极管的源极接地，所述第四三极管的漏极与第二校准单元(2)的第八三极管、第十二三极管、第二十三极管、第二十四三极管、第三十二三极管共栅极电连接；所述第三三极管的宽长比为1μm/5μm；所述第四三极管的宽长比为95μm/80μm；所述第三三极管和第四三极管的宽长比的比值为(1μm/5μm)/(95μm/80μm)。。

2.根据权利要求1所述的脉冲产生电路，其特征在于：所述第一校准单元(1)包括分别为延时电路的第六三极管、第十三极管、第十八三极管、第二十二三极管、第三十三极管提供校准信号的第五三极管、第九三极管、第十七三极管、第二十一三极管、第二十九三极管。

3.根据权利要求1所述的脉冲产生电路，其特征在于：所述第二校准单元(2)包括分别为延时电路的第七三极管、第十一三极管、第十九极管、第二十三三极管、第三十一三极管提供校准信号的第八三极管、第十二三极管、第二十三极管、第二十四三极管、第三十二三极管。