CN103107820A - 全集成cmos超再生时分复用无线接收机结构 - Google Patents

全集成cmos超再生时分复用无线接收机结构 Download PDF

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王欢
徐建
罗寅
管志强
王蓉
曾贤文
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Abstract

本发明公开了模拟集成电路中的全集成CMOS超再生时分复用无线接收机结构。接收机内部采用了时分复用的控制模式，解决了稳定起振时间和提高接收灵敏度之间的矛盾。其基本构成模块包括射频放大器、带环路控制功能的SRO(包括SRO、包络检波电路、比较器、逻辑电路、电荷泵、低通滤波器)、熄灭信号产生电路和数据解调电路。超再生振荡器工作在间歇振荡状态，由熄灭信号控制其间歇振荡周期，但在每个振荡周期内的起振时间则主要由经过低噪声放大器放大后的输入信号决定。当输入信号频率与振荡器频率一致或者输入信号强度较强时，振荡器起振时间变短，反之，起振时间增加，这种随着输入信号频率或强度变化而变化的起振时间就是超再生接收机区别输入信号逻辑的依据。经过包络检波后，这种起振时间的变化转变为脉冲宽度的变化，脉冲经过解调电路后得到输出数据。为了尽量减小控制时钟产生的噪声对接收灵敏度的影响，接收机内部集成了多路控制时钟和熄灭信号产生电路，使得整个接收机工作在同步时钟模式。

Description

全集成CMOS超再生时分复用无线接收机结构
技术领域
本发明涉及通信领域中短距离无线超再生接收机系统架构。
背景技术
基于超再生理论的无线接收机由于具有结构简单、功耗低、成本低等优点，非常适合无线传感网、家庭自动控制、防盗等短距离无线通信系统。
图1为典型的超再生接收机，包括射频放大器、超再生振荡器(SRO)、熄灭信号产生电路、包络检波电路和解调电路等。超再生振荡器工作在间歇振荡状态，由熄灭信号控制其间歇振荡周期，但在每个振荡周期内的起振时间则主要由经过低噪声放大器放大后的输入信号决定。当输入信号频率与振荡器频率一致或者输入信号强度较强时，振荡器起振时间变短，反之，起振时间增加，这种随着输入信号频率或强度变化而变化的起振时间就是超再生接收机区别输入信号逻辑的依据。经过包络检波后，这种起振时间的变化转变为脉冲宽度的变化，脉冲经过解调电路后得到输出数据。
超再生接收机接收信号的能力依赖其超再生振荡器在接收到信号时起振时间的变化，该变化量越大，系统接收灵敏度越高。但是，超再生振荡器工作在间歇振荡状态，其起振时间对工艺、温度、噪声等十分敏感。上述因素可能使得振荡器起振过快或者过慢，甚至不起振，导致系统无法正确识别信号。理论上，可以通过改变振荡器的偏置电流大小来控制振荡器的起振时间。但该电流随工艺和温度等因素变化较大，难以控制。为了稳定振荡器的工作状态，由微处理器和数模转换器构成的复杂的控制电路被用来自动搜寻和矫正振荡器的偏置电流，这大大增加了系统的复杂度。
本发明采用由超再生振荡器、高效率包络检波器和高精度电荷泵等构成的类似于锁相环的环路来控制振荡器的偏置电流，从而稳定振荡器的起振状态，具有结构简单、易于集成和性能稳定等优点。但获得稳定的起振状态和提高接收灵敏度之间是矛盾的。为此，本发明的接收机采用了时分复用的控制模式，有效的避免了这一矛盾。另外，为了尽量减小控制时钟产生的噪声对接收灵敏度的影响，接收机内部集成了多路控制时钟和熄灭信号产生电路，使得整个接收机工作在同步时钟模式。
发明内容
本发明重点解决了负反馈控制环路的理论问题，振荡器起振时间和电流源、注入信号强度的关系问题，负反馈控制环路的稳定性问题。由于环路控制的目的是稳定超再生振荡器的起振状态，而信号的接收要求振荡器根据接收信号的强度不停的改变起振状态，二者是矛盾的。本发明通过采用时分复用的体系结构使得二者得到了很好的平衡和兼容，化解了这一矛盾。同时，为了系统的稳定工作，并提高系统的性能，发明中对每个主要电路模块都进行深入的分析和研究，并提出了多项改进措施，使得各个电路模块能够稳定地为系统服务，并具有较高的电路性能，这些模块电路主要包括采用改进型有源电感的低噪声放大器，具有优化电路结构的超再生振荡器，高效率包络检波器，高精度电荷泵等。
附图说明
图1超再生接收机基本原理图
图2本发明采用的超再生接收机系统原理图
图3他熄式超再生接收机波形图
图4射频放大器
图5振荡器SRO
图6熄灭信号产生电路
图7电流源电路
图8包络检波器
图9电荷泵电路
具体实施方式
本发明的超再生接收机结构如图2所示。该接收机工作在他熄方式，通过多个模块电路来实现系统要求的功能和性能。包括：射频放大器、带环路控制功能的SRO(包括SRO、包络检波电路、比较器、逻辑电路、电荷泵、低通滤波器)、熄灭信号产生电路和数据解调电路。
下面将讨论本发明超再生接收机的具体电路模块实现：
1，射频放大器的设计
发明的射频放大器如图4所示。电路采用经典的共源共栅结构，该结构具有上限频率高，反向隔离度高等优点。
与传统的有源电感相比，本发明设计的有源电感多了一个电阻Rd，如图4虚线框中所示。该电阻能有效减小MOS管M3的寄生电容Cgd的影响，在获得同等电感值前提下，Rd的引入使得品质因数和自谐振频率都能得到提高
2，振荡器SRO的设计
具有环路控制功能的超再生振荡器中，振荡器是关键电路。该振荡器要具有熄灭控制端口，实现间歇振荡功能，同时要具有输入接口，将输入信号耦合到LC谐振回路中，还要具有良好的反向隔离性能，尽量减小本振泄露。本发明设计的振荡器如图5所示，其中虚线框中的LC为片外器件。图中，PMOS管M5和M6构成振荡器的交叉耦合差分对，没有采用NMOS差分对，目的是为了充分利用起振过程中的自偏置效应，提高系统包络检波效率。图5中，差分对源极为电源电压，由于自偏置效应，输出端平均电压在起振过程中会逐渐上升，直到达到稳态。结合后续包络检波电路，可以有效提高系统的包络检波效率。图中M7和M8构成熄灭控制开关，在控制信号作用下，振荡器工作在间歇振荡状态。M3和M4构成共栅级，减小振荡信号的反向泄露。M1和M2构成输入级，将来自前级放大器的信号耦合到谐振回路中，从而影响振荡器的起振时间。M9构成电流源，电流的值由环路根据起振状态自动决定，避免了工艺、温度、电源等因素的影响。
3，熄灭信号产生电路
在图2的系统方案中，熄灭信号产生器主要产生振荡器的熄灭信号，系统进行时分复用接收的时钟信号以及任意占空比的方波信号，该电路产生的各路控制信号控制着系统的工作时序，是整个系统的控制中心。如图6所示。
根据系统的要求，熄灭信号产生器需要满足以下要求：工作电压范围为2.5～5.5V时正常工作，且熄灭信号的频率与电源电压无关；产生的各路控制信号为同步信号；所有控制信号的边沿都不能影响振荡器的起振时间，主要指由于该边沿信号在系统中产生的寄生阻尼振荡信号不能影响振荡器的起振时间。
为了减小时钟边沿，尤其是上升沿对振荡器起振时间的影响，图6中采用单边沿延迟电路(图中虚线框中电路)对熄灭信号进行上升沿延迟，使在其产生噪声的时间内，振荡器处于熄灭状态，从而避免边沿噪声的影响。
4，电流源电路
电流源电路负责给各模块供电，尤其射频放大器对电流源的要求较高，从而要求：与电源无关，但要与温度、工艺等相关，并且这种相关能抵消温度和工艺的变化对跨导的影响。其原理图如图7。
5，包络检波器
环路中采用的包络检波器在传统的全波整流电路的基础上增加了差分放大器，构成具有正反馈效应的包络检波器，如图8所示。
电路采用了正反馈环，在电路设计时要选择合适的参数，避免振荡的产生.由于包络检波电路在输出端有一个较大的电容，若将该节点作为环路主极点，同时保证环路中其它节点都为低阻节点，且选择合适的环路增益就可以保证环路的稳定工作.
6，电荷泵电路
为了保证系统的时序正确，环路中电荷泵的充放电比例必须准确和稳定.如图9所示。
此结构使得与充放电电流比例有关的各个电路节点电压都维持稳定，有效避免了传统电荷泵中由于开关控制而导致的节点电压变化，从而避免了节点电压建立所需要的建立时间。

Claims (1)

1.一种全集成CMOS超再生时分复用无线接收机结构。工作在他熄方式，通过多个模块电路来实现系统要求的功能和性能。包括：射频放大器、带环路控制功能的SRO(包括SRO、包络检波电路、比较器、逻辑电路、电荷泵、低通滤波器)、熄灭信号产生电路和数据解调电路。
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