CN104521202B - 用于短程通信的超低功率无线电设备 - Google Patents
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Abstract
为低功率无线电设备提供一种唤醒功能。无线电设备包括：天线、整流器以及比较器。整流器被配置成接收来自天线的RF信号并产生具有在出现RF信号时减小的量值的输出。比较器比较来自整流器的输出和基准信号并输出针对另一无线电部件的激活信号。响应于激活信号，无线电部件将从低功耗模式转变至较高功耗模式。以这种方式，整流器和比较器合作地工作以在出现RF信号时执行唤醒功能。
Description
政府条款
本发明是使用根据国家科学基金会授予的CNS1035303号许可的政府支持做出的。政府对本发明有某些权利。
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年6月12日提交的第13/915,749号美国专利申请的优先权，并且要求2012年6月12日提交的第61/658,515号美国临时申请的权益。上面的申请的整个公开内容通过引用合并在本文中。
技术领域
本公开内容涉及低功率无线电设备，更具体地，涉及用在低功率无线电设备中的改进的整流器。
背景技术
通向无线传感器节点在体域网(BAN)内普遍使用的两个重要挑战是小尺寸和低功耗。无线电设备功率通常消耗传感器节点内的总功率的大部分，因此无线电设备功率是在节能设计中的重要瓶颈。用来减小BAN中的功耗的一种技术是使用异步通信，其将较高功率通信无线电设备保持在低功率休眠状态。具有低至50μW的功耗的无线电设备是被用来实现这一点的常见技术。然而，无线电设备一直开启着，并且因此对节点的总能耗贡献显著。需要进一步减小功率以提高传感器节点寿命到能够在BAN中不中断地使用传感器节点的程度。
图1示出了从2005到2012年已公开的超低功率无线电设备(左上)和能量采集器(右下)的功率与灵敏度比较调查。该图被分成两部分：1)消耗电力的低功率无线电设备，以及2)产生电力的能量采集器。
见低功率无线电设备部分，对具有小于-60dBm的灵敏度的无线电设备，-1/2的经验斜率是明显的。诸如在数据速率、架构、RF频率处的放大需要以及出现在无线电设备中的非线性方面的变化的若干参数影响该斜率。调查仅覆盖在BAN研究中常见的超低功率接收器；因此，具有较高功率的蓝牙或Zigbee接收器将位于该线上方很多。出现一个明显的大约50μW功率下限(floor)，在RF处实现增益的最小功率要求导致该功率下限。
在能量采集器部分，在高于-30dBm的灵敏度的数据中，-1/2的经验斜率也是明显的。在-30dBm以下，接收到的电压不足以完全对整流器级段整流(commutate)，并且功率采集效率大幅下降。
当在图1中一起绘制时，能够看到在50μW以下且在-60dBm至-36dBm之间的区域，在该区域中不存在通信。明显地，在该区域的左侧和上方无线电设备已被证实，而在右侧接收到的功率足够高，使得能够使用整流在零功率情况下通信。本工作的目标是：通过把具有-40dBm灵敏度及<1μW功耗的无线电设备作为目标，在外推趋势线的交叉点附近，研究该区域。
因此，本公开内容提出了具有有源区的低功率无线电设备，以应对在图1中的外推趋势线的交叉点附近工作时的上述两个挑战。本部分提供涉及本公开内容的背景信息，其不一定是现有技术。
发明内容
本部分提供了本公开内容的一般概述，并不是本公开内容的全部范围或其全部特征的详尽的公开。
为低功率无线电设备提供唤醒功能。该唤醒功能由天线、整流器和比较器来实现。整流器被配置成接收来自天线的RF信号，并产生具有在出现RF信号时减小的量值的输出。比较器比较来自整流器的输出和基准信号，并输出针对另一无线电部件的激活信号。响应于激活信号，无线电部件将从低功耗模式转变至较高功耗模式。以这种方式，整流器和比较器合作地工作以在出现RF信号时执行唤醒功能。
在本公开内容的一个方面中，整流器大体上包括：有源电路、复制偏置电路和有源反馈电路。有源电路包括第一有源场效应晶体管。有源电路被配置成接收RF信号，并在出现RF信号时进行工作以减小第一有源场效应晶体管的漏极端子处的电压。复制偏置电路还包括第一偏置场效应晶体管，其进行工作以在第一偏置场效应晶体管的漏极端子处输出恒定电压。有源反馈电路具有连接至第一偏置场效应晶体管的漏极端子的输入、以及连接至第一有源场效应晶体管和第一偏置场效应晶体管两者的栅极端子的输出，其中有源反馈电路偏置第一有源场效应晶体管以在亚阈值区工作，以及偏置第一偏置场效应晶体管以在亚阈值区工作。
有源电路能够进一步包括第二有源场效应晶体管和第二偏置场效应晶体管，其中，第二有源场效应晶体管具有耦接至第一有源场效应晶体管的漏极的源极，以及第二偏置场效应晶体管具有耦接至第一偏置场效应晶体管的漏极的源极。
有源反馈电路可以被限定为运算放大器，运算放大器具有连接至第二场效应晶体管的漏极端子的反相端子、连接电压基准电路的非反相端子和连接至第一场效应晶体管和第二场效应晶体管两者的栅极端子的输出端子。
电压基准电路能够大体上包括：共源共栅电流镜；与绝对温度互补(CTAT)的电压发生器；以及与绝对温度成比例(PTAT)的电压发生器。CTAT电压发生器和PTAT电压发生器彼此串联连接并穿过共源共栅电流镜的输出。另外，CTAT电压发生器包括上场效应晶体管，以及PTAT电压发生器包括下场效应晶体管，其中，上FET的源极端子耦接至下FET的漏极端子。注意，上场效应晶体管的栅极耦接至下场效应晶体管的栅极。
在一些实施方式中，滤波器被夹置于天线与整流器之间。滤波器被配置成接收来自天线的RF信号以及输出在指定频率范围的信号。
在其它实施方式中，无线电部件进一步被限定为居于无线电设备的壳体里的控制器或无线收发器。
根据本文所提供的描述将会明白其它应用领域。在本发明内容中的描述和具体示例仅意在用于说明的目的，而并非意在限制本公开内容的范围。
附图说明
图1是图解低功率和能量采集器的调查的图；
图2是用于低功率无线电设备的示例性架构的框图；
图3是示例性整流器电路的示意图；
图4是示例性片上电压基准电路的示意图；
图5是图解由无线电设备输出的波形的图表；以及
图6A和6B是描绘分别作为输入功率和频率的函数的低功率无线电设备的比较器处的输出电压的图表。
本文所描述的附图仅用于所选择的实施方式而不是所有可能的实现方式的说明性目的，并且这些附图不意在限制本公开内容的范围。贯穿附图的若干视图，相应的附图标记表示相应的部件。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述示例实施方式。
图2描绘用于低功率无线电设备10的示例性布置。无线电设备10包括天线12、滤波器13、整流器14和比较器15。该示例性布置还包括例如在1.2V的单个外部电源16。在一个实施方式中，整流器14和比较器15被集成到单个芯片17上。过程和不匹配两者都通过校准被补偿，使用由片外FPGA控制的扫描链来实现该校准，但是校准也能够使用熔丝一次性被编程。应理解，关于图1仅讨论了无线电设备的相关部件，但是也可以需要诸如控制器或音频输出的其它部件来构造操作装置。在本公开内容的更宽泛的方面内，也考虑用于无线电设备的其它架构布置。
在工作期间，在RF信号到达至整流器14的输入之前，RF信号在天线12处被接收并由滤波器13对RF信号进行功率匹配。对于-40dBm的灵敏度，在天线处的输入信号将为大约2.2mV。滤波器13进行工作以通过在指定频率范围的信号。在示例性的实施方式中，滤波器13进一步被限定为谐振槽路(resonant tank circuit)。因为希望至整流器的输入信号尽可能大以最大化整流器的转换增益，所以能够在整流器的输入处使用谐振槽以增加接收到的电压。在实现谐振槽之前，电路的测量到的输入阻抗是0.7-j18.8，因此1pF电容器和5.5nH电感器被用在谐振槽中并且使唤醒无线电设备的灵敏度增加了12dB。
整流器14产生具有在出现RF信号时减小的量值的有源输出(Vactive)。整流器14还产生保持恒定的复制偏置输出(Vbias)，从而充当用于至比较器15的输入的偏置点。来自整流器14的这两个输出信号馈入比较器15。比较器15进而比较这两个输入信号并产生数字输出。例如，当有源信号小于偏置信号时，比较器15输出具有高值的激活信号，当有源信号大于偏置信号时，比较器15输出具有低值的激活信号。
比较器15的数字输出能够用作针对另一无线电部件的激活信号。例如，激活信号能够用于激活以低功耗模式(例如，休眠模式)工作的另一无线电部件、另一无线电收发器(例如，蓝牙收发器)或控制器。响应于激活信号，无线电部件将从低功耗模式转变至较高功耗模式。以这种方式，整流器14和比较器15合作地工作以在出现RF信号时执行唤醒功能。
图3描绘用在低功率无线电设备10中的整流器14的示例性的实施方式。整流器14大体上包括：有源电路31、复制偏置电路32和有源反馈电路33。有源电路31被配置成接收RF信号，并在出现RF信号时进行工作以输出在出现RF信号时减小的电压。在本示例实施方式中，有源电路31由场效应晶体管M1构成，其中，在场效应晶体管的漏极端子处取得有源输出。例如，场效应晶体管能够进一步被限定为由二进制加权的6位电流DAC控制的、弱反型的自偏三阱NMOS装置。NMOS装置被配置为DTMOS(栅极连接至体区)，这减小它的亚阈值斜率，从而增加它的转换增益。信号的出现拉低输出(Vactive)。
在本示例实施方式中，复制偏置电路32也由场效应晶体管M2构成，场效应晶体管M2进行工作以在其漏极端子处输出恒定电压。虽然本公开内容考虑到其它类型的晶体管，但是场效应晶体管M2能够和有源电路31中所使用的NMOS装置完全相同。
有源反馈电路33进行工作以偏置有源电路31和复制偏置电路32。具体而言，有源反馈电路偏置场效应晶体管M1和M2以在亚阈值区工作。在本示例实施方式中，有源反馈电路33是运算放大器，其中，反相端子连接至复制偏置电路中的场效应晶体管的漏极端子，非反相端子连接电压基准电路，以及输出端子连接至有源电路和复制偏置电路两者中的场效应晶体管的栅极端子。具有连接至等于2-3倍的NMOS装置M2的最小开销的标称电压基准的一个输入的有源反馈放大器33用于使复制偏置电路32自偏置，复制偏置电路32然后向有源整流器提供DC偏置。在出现RF信号时，整流器装置M1快速下拉漏极电压，如图5中所示，当它进入线性区时，漏极电压接着达到稳定(level out)，从而允许整流器装置M1在信号消失时快速重置。本公开内容也考虑到用于有源反馈电路的其它实现方式。
能够使用两个额外的晶体管M3、M4来将整流器的漏极处的电压电平转换为比较器15的共模范围内的电压。在本示例实施方式中，一个晶体管M3具有耦接至有源电路31中的场效应晶体管M1的漏极端子的源极端子；而另一晶体管M4具有耦接至复制偏置电路32中的场效应晶体管M2的漏极端子的源极端子。
图4图解可以被用于整流器14的示例电压基准电路40。电压基准电路40被设计为在很低功率水平处具有相当稳定的电压输出。在一个实施方式中，电压基准电路40大体上包括：共源共栅电流镜41；与绝对温度互补(CTAT)的电压发生器42；以及与绝对温度成比例(PTAT)的电压发生器43。CTAT电压发生器42和PTAT电压发生器43彼此串联连接并穿过共源共栅电流镜41的输出。在示例实施方式中，通过上场效应晶体管实现CTAT电压发生器42，并通过下场效应晶体管实现PTAT电压发生器43，其中，上FET的源极端子耦接至下FET的漏极端子。注意，上场效应晶体管的栅极耦接至下场效应晶体管的栅极。在没有将上场效应晶体管的栅极连接至下场效应晶体管的栅极(并替代地将其连接至VDD)的情况下，上FET将过强并拉取高于整流器电路所期望的电压的输出电压基准。将上FET的栅极连接至下FET的栅极减小上FET的强度，并允许电压输出更低且处于适当地操作整流器所需要的范围内。这是可以接受的，因为绝对电压输出性能及稳定性不是和电压基准的低功率性能一样关键。其它电压基准电路也落在本公开内容的更宽广的方面内。
在工作中，整流器类似逆变器那样起作用。逆变器的上拉部分是在M1上持续上拉的电流DAC。M1是逆变器的下拉部分，并被反馈放大器偏置以将输出保持在两个稳态之间。当信号出现时，弱反整流器(weak inversion rectifier)的指数行为将使下拉变得强很多，并拉低输出。因为整流器被偏置以使得漏极电压仅为其最小净空的2-3倍，所以它快速地达到稳定。此时，输出已下降到足以转换(toggle)比较器输出。当移除输入信号时，上拉将恢复其与下拉之间的平衡。
在本示例性的实施方式中，使用具有可调不对称性的迟滞比较器来比较整流器的输出。比较器使用4位二进制加权的校准方案来确定迟滞量。在比较器每侧使用并行尾装置来执行校准。在每侧的四个装置之间进行的二进制切换改变它们的有效宽度以及由此输入偏移。共模输入电压在从300mV到600mV的范围内，并且迟滞在从-31mV到+29mV的范围内。在整个过程变化中，使用7位二进制加权的电流DAC(与整流器中使用的类似)来控制功率，并使用厚氧化物装置以减小功耗和装置泄漏。预见到无线电设备可以使用其它类型的部件来比较以及另外处理来自整流器的输出等。
在使用弱反型装置的设计中不匹配过大，因此采取若干步骤来减小不匹配对性能的影响。在有源整流器和复制偏置电路的输出处，不匹配在相对电压电平中是最突出的。
整流器的标称工作使用单个反馈放大器(其中其输入连接至偏置装置的漏极电压)，以针对有源整流器和复制偏置两者控制栅极偏置。这将使两个装置被偏置至同一栅极电压，并且在没有不匹配的情况下，将产生相等的漏极电压。然而，由于不匹配，漏极电压将不同，以及为了补偿该影响，在比较器中的可编程迟滞能够完全地校准有源输出与偏置输出之间的差。
如果整流器中的有源与偏置装置的输出之间的偏移是足够显著的，则能够使用第二反馈放大器，因而能够独立地偏置有源装置和复制偏置装置。每个有源反馈元件将具有相同的片上电压基准输入以拉近它们的漏极电压。因为在有源与偏置整流器之间共用电压，所以不要求精准的PVT不灵敏电压电平。反馈放大器具有足够慢的响应时间以在出现OOK输入信号时保持偏置电平稳定。本方法的缺点是：其使来自反馈放大器的总功耗加倍，并且降低了灵敏度。
在一些实施方式中，设计了具有低功率休眠模式的低功率无线电设备，以支持工作循环的(duty-cycled)唤醒策略。这特别强调了在休眠模式下能耗的重要性。为了改善休眠模式能量，在具有以上最小长度的整个设计中使用厚氧化物功率栅控装置。
在示例性的实现方式中，低功率无线电设备用0.13μm CMOS制造，并在单个1.2V电源下工作。低功率无线电设备的有源面积是156×190μm2。在无测试电路的情况下，低功率无线电设备使用5个IO管脚。
具有-41dBm灵敏度的915MHz信号直接连接至接收器输入，并且在示波器上监视信号输出。信号是以100kbps的数据速率调制的OOK。图5示出了以98nW总功率运行的低功率无线电设备的瞬态工作。使用0dBm的发送功率在4ft的距离处也验证了使用贴片天线的通信，4ft的距离粗略为基于Friis(弗林斯)方程的8.5ft的理论通信距离的一半。
图6A和6B分别示出作为输入振幅和频率的函数的整流器的测量到的输出电压。图6A示出在更低输入灵敏度处的减小的输出电压振幅。在更高输入的情况下，转换增益提高，这允许可能的功率节约。例如，在-30dBm处，唤醒无线电设备的功耗能够被减小至53nW。图6B示出了由于片外谐振槽而产生的输出电压与频率。在-36dBm的输入功率的情况下取得数据，并且数据示出920MHz处的峰谐振，不过在915MHz处示出充足的性能。
上述表1示出在如图5的同样的条件下低功率无线电设备的功率细目。在11pW的测量到的休眠功率的情况下，整个无线电设备耗用了总共98nW。表的右侧示出了校准设定分辨率以及针对反馈放大器中使用的片上电压基准的从休眠开始的启动时间。
上述表2示出与其它低功率无线电设备的比较。能够看到，减小灵敏度允许低得多的功率的无线电设备设计以及更多的能量有效通信。对体局域网中的许多应用,大约-40dBm的灵敏度水平是可接受的。
提出了用0.13μm CMOS设计的低功率无线电设备。通过避免在RF处产生跨导的需要，无线电设备的功率能够被减小至超过调查到的50μW的功率下限。使用本方法，实现了具有-41dBm灵敏度及100kpbs数据速率的98nW唤醒无线电设备。
出于说明和描述的目的，已经提供了实施方式的前面的描述。该描述并不意在穷举或限制本公开内容。一般而言，特定实施方式的各元件或特征并不限于该特定实施方式，而是即使没有具体地示出或描述，在适用的情况下，特定实施方式的各元件或特征可互换并且可以在所选择的实施方式中使用。特定实施方式的各元件或特征也可以以多种方式改变。这些改变不应被视为是对本公开内容的偏离，而是所有这些变型意在包括在本公开内容的范围之内。
Claims (18)
1.一种低功率无线电设备，包括：
天线，被配置成接收RF信号；
整流器，被配置成接收来自所述天线的所述RF信号，并进行工作以产生具有在出现RF信号时减小的量值的有源输出信号；
比较器，被配置成接收所述有源输出信号和偏置信号，并进行工作以比较所述有源输出信号和所述偏置信号，其中，当所述有源输出信号小于所述偏置信号时，所述比较器输出具有高值的激活信号，当所述有源输出信号大于所述偏置信号时，所述比较器输出具有低值的激活信号；
无线电部件，被配置成当在低功耗模式工作时，接收来自所述比较器的所述激活信号，所述无线电部件响应于接收具有高值的所述激活信号从低功耗模式转变至高功耗模式，
其中所述整流器包括：
包括第一有源场效应晶体管的有源电路，所述有源电路被配置成接收所述RF信号，并在出现RF信号时进行工作以减小所述第一有源场效应晶体管的漏极端子处的电压；
包括第一偏置场效应晶体管的复制偏置电路，其进行工作以在所述第一偏置场效应晶体管的漏极端子处输出恒定电压；以及
有源反馈电路，其具有连接至所述第一偏置场效应晶体管的漏极端子的输入、以及连接至所述第一有源场效应晶体管和所述第一偏置场效应晶体管两者的栅极端子的输出，其中所述有源反馈电路偏置所述第一有源场效应晶体管以在亚阈值区工作，以及偏置所述第一偏置场效应晶体管以在亚阈值区工作。
2.根据权利要求1所述的低功率无线电设备，其中所述有源电路进一步包括第二有源场效应晶体管，所述第二有源场效应晶体管具有耦接至所述第一有源场效应晶体管的漏极的源极。
3.根据权利要求1所述的低功率无线电设备，其中所述有源反馈电路进一步包括运算放大器，所述运算放大器具有连接至所述第一偏置场效应晶体管的漏极端子的反相端子、连接电压基准电路的非反相端子和连接至所述第一有源场效应晶体管和所述第一偏置场效应晶体管两者的栅极端子的输出端子。
4.根据权利要求3所述的低功率无线电设备，其中所述电压基准电路包括：
共源共栅电流镜；
包括上场效应晶体管的与绝对温度互补的电压发生器；
包括下场效应晶体管的与绝对温度成比例的电压发生器，所述上场效应晶体管和所述下场效应晶体管穿过所述共源共栅电流镜的输出连接，使得所述上场效应晶体管的源极耦接至所述下场效应晶体管的漏极，以及所述上场效应晶体管的栅极耦接至所述下场效应晶体管的栅极。
5.根据权利要求1所述的低功率无线电设备，其中所述第一有源场效应晶体管和所述第一偏置场效应晶体管中的至少一个进一步被限定为金属氧化物半导体场效应晶体管。
6.根据权利要求1所述的低功率无线电设备，进一步包括滤波器，其被配置成接收来自所述天线的所述RF信号以及输出在指定频率范围的输入信号。
7.根据权利要求1所述的低功率无线电设备，其中所述无线电部件被进一步限定为居于无线电设备的壳体里的控制器或无线收发器。
8.用在低功率无线电设备中的改进的整流器，包括：
包括第一有源场效应晶体管的有源电路，所述有源电路被配置成接收RF信号，并在出现RF信号时工作，以减小所述第一有源场效应晶体管的漏极端子处的电压；
包括第一偏置场效应晶体管的复制偏置电路，其进行工作以在所述第一偏置场效应晶体管的漏极端子处输出恒定电压；以及
有源反馈电路，其具有连接至所述第一偏置场效应晶体管的漏极端子的输入，以及连接至所述第一有源场效应晶体管和所述第一偏置场效应晶体管两者的栅极端子的输出，其中所述有源反馈电路偏置所述第一有源场效应晶体管以在亚阈值区工作，以及偏置所述第一偏置场效应晶体管以在亚阈值区工作。
9.根据权利要求8所述的整流器，其中所述有源电路进一步包括第二有源场效应晶体管和第二偏置场效应晶体管，所述第二有源场效应晶体管具有耦接至所述第一有源场效应晶体管的漏极的源极，以及所述第二偏置场效应晶体管具有耦接至所述第一偏置场效应晶体管的漏极的源极。
10.根据权利要求8所述的整流器，所述第一有源场效应晶体管和所述第一偏置场效应晶体管中的至少一个进一步被限定为金属氧化物半导体场效应晶体管。
11.根据权利要求8所述的整流器，其中所述有源反馈电路进一步包括运算放大器，所述运算放大器具有连接至所述第一偏置场效应晶体管的漏极端子的反相端子、连接电压基准电路的非反相端子和连接至所述第一有源场效应晶体管和所述第一偏置场效应晶体管两者的栅极端子的输出端子。
12.根据权利要求11所述的整流器，其中所述电压基准电路包括：
共源共栅电流镜；
包括上场效应晶体管的与绝对温度互补的电压发生器；以及
包括下场效应晶体管的与绝对温度成比例的电压发生器，所述上场效应晶体管和所述下场效应晶体管穿过所述共源共栅电流镜的输出连接，使得所述上场效应晶体管的源极耦接至所述下场效应晶体管的漏极，以及所述上场效应晶体管的栅极耦接至所述下场效应晶体管的栅极。
13.一种低功率无线电设备，包括：
天线，被配置成接收RF信号；
包括有源电路和有源反馈电路的整流器，所述有源电路具有第一有源场效应晶体管，其中所述有源电路被配置成接收来自所述天线的所述RF信号，使得所述整流器产生具有在出现RF信号时减小的量值的有源输出信号，所述有源反馈电路具有连接至所述第一有源场效应晶体管的栅极端子的输出，并且所述有源反馈电路进行工作以偏置所述第一有源场效应晶体管以在亚阈值区工作；以及
比较器，被配置成接收所述有源输出信号和偏置信号，并进行工作以比较所述有源输出信号和所述偏置信号，其中，当所述有源输出信号小于所述偏置信号时，所述比较器输出具有高值的激活信号，当所述有源输出信号大于所述偏置信号时，所述比较器输出具有低值的激活信号。
14.根据权利要求13所述的低功率无线电设备，其中所述整流器进一步包括：
包括第一偏置场效应晶体管的复制偏置电路，其进行工作以在所述第一偏置场效应晶体管的漏极端子处输出恒定电压。
15.根据权利要求14所述的低功率无线电设备，其中所述有源反馈电路进一步包括运算放大器，所述运算放大器具有连接至所述第一偏置场效应晶体管的漏极端子的反相端子、连接电压基准电路的非反相端子和连接至所述第一有源场效应晶体管和所述第一偏置场效应晶体管两者的栅极端子的输出端子。
16.根据权利要求13所述的低功率无线电设备，进一步包括滤波器，其被配置成接收来自所述天线的所述RF信号以及输出在指定频率范围的输入信号。
17.根据权利要求13所述的低功率无线电设备，进一步包括无线电部件，被配置成当在低功耗模式工作时，接收来自所述比较器的所述激活信号，所述无线电部件响应于接收具有高值的所述激活信号从低功耗模式转变至高功耗模式。
18.根据权利要求17所述的低功率无线电设备，其中所述无线电部件被进一步限定为居于无线电设备的壳体里的控制器或无线收发器。
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