CN103138743A - 一种脉冲超宽带的高效低功耗开关键控检波器 - Google Patents

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黄鲁
白雪飞
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Abstract

本发明提供了一种脉冲超宽带的高效低功耗开关键控检波器，该检波器包括电压电流转换单元电路（1）和积分检波单元电路（2）两部分，其中电压电流转换单元电路（1）的输出端与积分检波单元电路（2）的输入端相连；本发明利用工作于亚阈值区的MOS管M9a（b）的开关作用进行整流，同时利用MOS管的寄生电容和导通电阻来进行积分检波。本发明可有效降低OOK接收机功耗，达到了为脉冲超宽带开关键控（IR-UWB OOK）射频收发机的市场应用提供实用技术的目的。

Description

一种脉冲超宽带的高效低功耗开关键控检波器
技术领域
本发明涉及一种检波器，特别一种脉冲超宽带（IR-UWB）的高效低功耗开关键控（OOK：On-Off Keying）检波器，属于无线通信与射频集成电路技术领域。
背景技术
脉冲超宽带（IR-UWB）开关键控（OOK：On-Off Keying）收发机具有低功耗的特点，在低速无线通信中占有重要地位。然而现有的检波器都是使用整流——积分结构,参考文献参见Yanping Zhou,Huang Guochi.“A Wideband OOK Receiver for Wireless CapsuleEndoscope,”IEEE Microwave Conference,2009.EuMC2009.European,pp.330–333,Oct.2009.，这种结构需要三级电路来实现，多级电路使得检波器功耗较高。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种IR-UWB的高效低功耗OOK检波器，在简化了电路结构、保证了检波效率的同时又降低了整体功耗。
本发明技术解决方案：一种脉冲超宽带的高效低功耗开关键控检波器，采用电压电流转换单元电路和积分检波单元电路两级结构，所述电压电流转换单元电路的信号输入端与输入差分电压信号相接，输出端与积分检波单元电路的信号输入端连接，积分检波单元电路的信号输出端与外部器件（自动增益控制放大器或者判决器）连接，其整体电路如附图1所示。
所述积分检波单元电路包含十三个MOS管，其中有十个组成差分结构进行信号的整流和积分，另外三个作为放大和输出匹配；NMOS管M7a、M8a、M10a工作在饱和区，NMOS管M9a工作在亚阈值区，M11a工作在饱和区，通过调节其宽长比可以调节M9a的栅极电压，保证M9a工作在亚阈值区；当输入电流I+增加即在输入信号的正半周时，M9a截止，M9a漏极端口输出为直流电平；当输入电流I+减小即在输入信号的负半周时，M9a导通，输出信号利用电容C1、M12a的寄生电容以及M12a的体电阻进行充放电，此时M9a的漏极输出为整形后的脉冲波形；另一差分整流模块中NMOS管M7b、M8b、M10b工作在饱和区，NMOS管M9b工作在亚阈值区，M11b工作在饱和区，通过调节其宽长比可以调节M9b的栅极电压，保证M9b工作在亚阈值区；当输入电流I-增加即在输入信号的正半周时，M9b截止，M9b漏极端口输出为直流电平；当输入电流I-减小即在输入信号的负半周时，M9b导通，输出信号利用电容C1、M12a的寄生电容以及M12a的体电阻进行充放电，此时M9b的漏极输出为整形后的脉冲波形；两路波形在M12a的漏极叠加后通过M12b的比例放大后在M13的漏极形成电压信号，通过OUT端口输出，其等效电路如图4所示，检波前后的波形如图5所示。
所述电压电流转换单元包含两个电压电流转换电路组成的差分结构，每一个电压电流转换电路包含六个MOS管，其中作为电压电流转换的NMOS管M1a栅极接一差分输入电压信号IN+，M1a将输入的电压信号转换为电流信号；NMOS管M2a构成cascode结构作为隔离器件使用；PMOS管M3a和M4a组成比例电流镜，将电流信号放大后输出至M5a源极；PMOS管M5a调控输出电流I+的大小；NMOS管M6a作为电流源使用，为M5a提供偏置电流，其栅极接偏置电压Vb3；NMOS管M1b栅极接另一差分输入电压信号IN-，M1b将输入的电压信号转换为电流信号；NMOS管M2b构成cascode结构作为隔离器件使用；PMOS管M3b和M4b组成比例电流镜，将电流信号放大后输出至M5b源极；PMOS管M5b调控输出电流I-的大小；NMOS管M6b作为电流源使用，为M5b提供偏置电流，其栅极接偏置电压Vb3。
本发明中所述电压电流转换单元电路形式上不仅包括直接的使用MOS管进行电压信号到电流信号的转换，还包括其他各种形式的把电压信号放大转换为电流信号的电路，只要不对所述积分检波单元电路进行实质性更改而使用了其他的电压电流转换电路而发明的检波器，都在本发明的权利追溯之内。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用两级结构，第一级电压电流转换单元电路把输入差分电压转化为差分电流，第二级积分检波单元电路利用MOS器件固有的体电阻和电容，通过工作于亚阈值区的MOS管把整流和积分电路合二为一，利用电路中器件的寄生电容，既简化了电路结构、提高了检波效率，又降低了整体功耗，达到了为IR-UWB OOK射频收发机的市场应用提供实用技术的目的。
附图说明
图1是本发明的检波器内部整体框图；
图2是电压电流转换单元电路的内部结构图；
图3是整流积分电路的内部结构图；
图4是整流积分电路的等效电路图；
图5是检波器检波前后的波形示意图。
具体实施方式
本发明一种IR-UWB的高效低功耗OOK检波器采用两级结构，如图1所示，其中第一级电压电流转换单元电路把输入差分电压转化为差分电流，第二级积分检波单元电路利用电容和MOS器件的体电阻，通过工作于亚阈值区的MOS管将把IR-UWB的OOK信号整流和积分电路合二为一。
所述电压电流转换单元如附图2所示，其中包含两个电压电流转换电路组成的差分结构，每一个电压电流转换电路包含六个MOS管，其中作为电压电流转换的NMOS管M1a栅极接一差分输入电压信号IN+，M1a将输入的电压信号转换为电流信号，M1a的漏极接M2a的源极；NMOS管M2a作为隔离器件使用，M2a栅极接偏置电压Vb1，漏极接PMOS管M3a的漏极、M3a的栅极和M4a的栅极；PMOS管M3a和M4a组成比例电流镜，将电流信号放大后输出至M5a的源极，其中M3a源极接电源VDD，栅极接M4a栅极和自身的漏极；M4a源极接电源VDD，漏极接M5a源极；PMOS管M5a根据输出负载的不同来调控输出电流比例，其栅极接偏置电压Vb2，漏极接输出端I+和M6a漏极；NMOS管M6a作为电流源使用，为M5a提供偏置电流，其中M6a的栅极接偏置电压Vb3，源极接地；与此类似，另一电压电流转换电路的差分结构中NMOS管M1b栅极接一差分输入电压信号IN-，M1b将输入的电压信号转换为电流信号，M1b的漏极接M2b的源极；NMOS管M2b作为隔离器件使用，栅极接偏置电压Vb1，漏极接PMOS管M3b的漏极、M3b的栅极、M4b的栅极；PMOS管M3b和M4b组成比例电流镜，将电流信号放大后输出至M5b的源极，其中M3b源极接电源VDD；M4b源极接电源VDD，漏极接M5b源极；PMOS管M5b根据输出负载的不同来调控输出电流比例，其栅极接偏置电压Vb2，漏极接输出端I-和M6b漏极；NMOS管M6b作为电流源使用，为M5b提供偏置电流，其栅极接偏置电压Vb3，源极接地；
所述积分检波单元如附图3所示，本电路单元包含十三个MOS管，其中有十个组成差分结构进行信号的整流和积分，另外三个作为放大和输出匹配；NMOS管M7a、M8a、M10a工作在饱和区，NMOS管M9a工作在亚阈值区，当输入电流I+增加即在输入信号的正半周时，M9a截止，M9a漏极端口输出为直流电平；当输入电流I+减小即在输入信号的负半周时，M9a导通，输出信号利用电容C1、M12a的寄生电容以及M12a的体电阻进行充放电，此时M9a的漏极输出为整形后的脉冲波形；NMOS管M7b、M8b、M10b工作在饱和区，NMOS管M9b工作在亚阈值区，当输入电流I-增加即在输入信号的正半周时，M9b截止，M9b漏极端口输出为直流电平；当输入电流I-减小即在输入信号的负半周时，M9b导通，输出信号利用电容C1、M12a的寄生电容以及M12a的体电阻进行充放电，此时M9b的漏极输出为整形后的脉冲波形；在具体实现过程中，M7a源极接地，栅极接M7a漏极、M8a栅极、M9a源极和输入端I+；M8a源极接地，漏极接M10a源极；M9a栅极接M10a栅极、M10a漏极和M11a漏极，漏极接M9b漏极、M12a漏极、M12a栅极、M12b栅极和电容C1的负极；M11a源极接电源VDD和M11b源极，栅极接M11b栅极和偏置电压Vb4；M12a源极接电源VDD；电容C1正极接电源VDD；M7b源极接地，栅极接M7b漏极、M8b栅极、M9b源极和输入端I-；M8b源极接地，漏极接M10b源极；M9b栅极接M10b栅极、M10b漏极和M11b漏极；M11b源极接电源VDD；M12b源极接电源VDD，漏极接M13漏极和输出端OUT；M13源极接地，栅极接偏置电压Vb5。
以上示例中采用的载波频率为7.5GHz，数据率为50MHz，在Cadence仿真软件中，使用SMIC130nm工艺仿真结果显示本检波器效率可以达到50%以上。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的可追溯性：如权利要求所示，任何电路只要在单级电路中同时利用晶体管的亚阈值区工作特性、自身的体电阻和电容实现了半波整流和积分来实现各种频率的OOK检波，或者不限于差分信号，用本电路或者相似结构来实现单端信号的OOK检波，或者不使用单独的电容器而是利用MOS管本身的寄生电容，达到本电路中所提到的电容的检波效果的都在本专利的追诉范围之内；显然本发明可以通过反向工程，判断某款芯片产品是否侵权，或通过观察电路板电路结构判断某款产品是否侵权。

Claims (3)

1.一种脉冲超宽带的高效低功耗开关键控检波器，其特征在于：采用电压电流转换单元电路（1）和积分检波单元电路（2）两级结构组成，积分检波单元电路（2）把整流和检波合二为一；所述电压电流转换单元电路（1）的信号输入端与输入差分电压信号相接，输出端与积分检波单元电路（2）的信号输入端连接，积分检波单元电路（2）的信号输出端与外部器件连接；
所述积分检波单元电路（2）包含十三个MOS管和一个电容，其中有十个MOS管组成差分结构进行信号的整流，另外三个MOS管作为放大和输出匹配；十三个MOS管中，M7a、M8a、M9a、M10a、M7b、M8b、M9b、M10b、M13为NMOS管，M11a、M12a、M11b、M12b为PMOS管；其中M7a源极接地，栅极接M7a漏极、M8a栅极、M9a源极和输入端I+；M8a源极接地，漏极接M10a源极；M9a栅极接M10a栅极、M10a漏极和M11a漏极，M9a漏极接M9b漏极、M12a漏极、M12a栅极、M12b栅极和电容C1的负极；M11a源极接电源VDD和M11b源极，栅极接M11b栅极和偏置电压Vb4；M12a源极接电源VDD；电容C1正极接电源VDD；M7b源极接地，栅极接M7b漏极、M8b栅极、M9b源极和输入端I-；M8b源极接地，漏极接M10b源极；M9b栅极接M10b栅极、M10b漏极和M11b漏极；M11b源极接电源VDD；M12b源极接电源VDD，漏极接M13漏极和输出端OUT；M13源极接地，栅极接偏置电压Vb5。
2.如权利要求1所述的脉冲超宽带的高效低功耗开关键控检波器，其特征在于：所述积分检波单元电路（2）中的NMOS管M7a（b）、M8a（b）、M10a（b）工作在饱和区，NMOS管M9a（b）工作在亚阈值区，当输入电流I+(-)增加即在输入信号的正半周时，M9a（b）截止，M9a（b）漏极端口输出为直流电平；当输入电流I+(-)减小即在输入信号的负半周时，M9a（b）导通，输出信号利用电容C1、M12a的寄生电容以及M12a的体电阻进行充放电，此时M9a（b）的漏极输出为整形后的脉冲波形；M9a和M9b漏极的两路信号波形在M12a的漏极叠加后通过M12b的比例放大后在M13的漏极形成电压信号，通过OUT端口输出。
3.如权利要求1所述的脉冲超宽带的高效低功耗开关键控检波器，其特征在于：所包含的电压电流转换单元电路（1）形式上不仅包括直接的使用MOS管的共源极放大作用进行的电压电流变换，还包括其他各种形式的把电压信号直接放大转换为电流信号的电路。
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