CN109743068A - 5g毫米波的唤醒接收机的动态调节超可再生接收机 - Google Patents

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马顺利
任俊彦
吴天祥
李宁
叶凡
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Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体为一种5G毫米波的唤醒接收机的动态调节超可再生接收机。本发明动态调节超可再生接收机的电路结构包括：超可再生接收机、鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器以及多模分频器；其中，超可再生的接收机包括一个低噪声放大器，一组振荡器和一组包络检波电路；毫米波注入低噪声放大器采用电容交流方式耦合，栅极偏置电压设置可调，通过调节注入对管的偏置可以获得最大的转换增益；本发明采用矫正环路，通过环路的矫正彻底克服工艺误差、温度漂移带来的锁定范围变化以及中心频率浮动和输出摆幅偏低等影响，使得超可再生接收机能够应用于5G毫米波IOT的唤醒接收机。

Description

5G毫米波的唤醒接收机的动态调节超可再生接收机
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉一种应用于5G毫米波的唤醒接收机的动态调节超可再生接收机。
背景技术
超可再生接收机的发明者是阿姆斯特朗，其发明年代早在晶体管出现之前。其主要的原因是由于当时真空管无法实现较高的增益，于是阿姆斯特朗通过正反馈的机制提供了“接收机”的增益。随着毫米波频率的升高，采用晶体管实现毫米波频段的接收机遇到同样的困难，晶体管的增益不足。面对同样的困境，在CMOS工艺中应用于毫米波成像的超可再生接收机在国际上引起了较多的关注。
其基本的原理是通过一个时钟控制的振荡器，振荡器是一个具有正反馈机制不稳定的电路。为了实现接收机的功能，需要一个控制的quench信号。如图4-5，当Q(quench)信号为低电平时，振荡器的是不会振荡器，当quench信号从低电平向高电平变化的过程中，谐振腔的电流在逐渐的增加IQ。交叉耦合的晶体管的负阻也在逐渐的增大，因此会振荡器会实现一个起振的过程。若是在这个过程中有信号注入到谐振腔中，振荡器会迅速的起振。基于这个机理，可以看到放大器在起振的过程中是一个非常好的放大器，由于正反馈的机制存在，使得这种“放大器”的增益非常的高。例如在100GHz的频率，65nm工艺下晶体管的增益在6~8dB。那么采用这种结构的“放大器”可以实现30~40dB的增益，采用这种结构的放大器成为超可再生放大器（SRA）。本文采用超可再生接收机的架构，实现高灵敏度和低功耗的功能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种高灵敏度和低功耗的可动态调节的超可再生接收机。
本发明提出的可动态调节的超可再生接收机，其电路结构包括：超可再生接收机、鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器以及多模分频器；超可再生接收机的工作频率通过多模分频器的分频，降低为低频率；多模分频器的输出耦合在鉴频鉴相器的输入，鉴频鉴相器的另一个输入耦合在参考频率的输出；鉴频鉴相器将多模分频器的输出和参考频率的输出进行比较，从而产生差频的信号；差频的信号耦合在电荷泵的输入，电荷泵的输出耦合在环路滤波器的输入，环路滤波器的输出耦合在超可再生接收机的矫正端，实现动态调节。参见图2所示。
本发明中，所述的超可再生接收机，其电路结构包括低噪声放大器、可控振荡器、包络检波器；其中，低噪声放大器的输出耦合到交叉耦合的可控振荡器，可控振荡器的偏置电源受控制信号控制，可控振荡器的输出耦合在包络检波器的输出；包络检波器的输出为接收机的输出。参见图1所示。
本发明中，所述的鉴频鉴相器，其输入耦合在参考频率源的输出和多模分频器的输出；鉴频鉴相器的输出耦合在电荷泵的输入。
本发明中，所述电荷泵，其输入耦合在鉴频鉴相器的输出，将一个时域的信号转化为电压的信号；电压信号和矫正的电压正相关。
优选地，电荷泵的输出耦合在滤波器的输入，经过滤波器滤除高频的分量；低频的分量控制超可再生接收机的矫正端；通过控制矫正端，矫正可再生接收机的工作频率，从而实现环路的矫正。
传统的超可再生接收机其工作频率会随着温度、工艺、和电压的波动。因此在应用的时，其工作频率会导致波动，从而导致其灵敏度降低甚至不工作。为了克服工艺的波动，本发明采用矫正环路，通过环路的矫正彻底克服了工艺误差、温度漂移带来的锁定范围变化以及中心频率浮动和输出摆幅偏低等影响，使得能够应用于5G毫米波IOT的唤醒接收机的动态调节超可再生接收机。
附图说明
图1为可动态调节的超可再生接收机的电路示意图。
图2为图1中的超可再生接收机的电路示意图。
图3为图2中的电容阵列电路示意图。
图4为图1中的环路滤波器示意图。
图5为图1中的多模分频器的示意性图。
图6示出超可再生接收机的控制电压示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
图1为可动态调节的超可再生接收机的电路的示意图，实际上是一个超可再生接收机的自校正电路。
如图1所示，本发明的可动态调节的超可再生接收机电路230，包括鉴频鉴相器231，电荷泵232，环路滤波器233，超可再生接收机234及多模分频器235。初始频率的信号及多模分频器的输出信号LO_N作为鉴频鉴相器的输入信号，鉴频鉴相器的输出信号Qa、Qb耦合在电荷泵的输入。电荷泵的输出V0耦合在环路滤波器的输入，环路滤波器的输出Vc耦合在超可再生接收机的输入。超可再生接收机输出作为自校正电路的输出，并作为多模分频器的输入反馈给鉴频鉴相器。
图2示出超可再生接收机的电路示意图。
如图2所示，超可再生接收机包括低噪声放大器（输入级）130、可控振荡器131、包络检波器132。输入级130包括电感L1、电感L2以及晶体管M0，电感L1与电感L2组合为变压器；可控振荡器131包括：电感LT、晶体管对M6和M7、电容阵列133、交叉耦合NMOS管对M1与M2，以及晶体管M5；包络检波器132包括电阻RA和RB、晶体管M3和M4、电容CA和CB，输入信号由变压器通过晶体管M0漏极耦合给受控振荡器131，晶体管M0源极与M3、M4源极相连，偏置电压1加在L2上；受控振荡器131底部为一个电流镜，M5栅极接控制电压，源极接地，漏极与交叉耦合NMOS管对M1与M2的源极相连。电流镜用来控制偏置电流的大小，控制振荡幅度。又由于电流镜的输出电阻要远高于振荡器内核的动态电阻，相当于在振荡器和电源地线间串联了一个大电阻，从而减少振荡器内核受电源或地线、衬底噪声的影响。晶体管M1与M2组成交叉耦合的NMOS管对，M1的栅极与M2漏极相连,M2的栅极与M1漏极相连。两者的源极相连，连到M5的漏极上。电容阵列、电感LT并联在M1与M2漏极之间。两个NMOS管M6、M7源漏相连，栅极分别接在M1及M2的漏极上。包络检波器中M3与M4源漏相连，漏极连在受控振荡器的LT上，源极作为输出端且通过电阻与M5源极相连。低噪声放大器中NMOS管M0漏极通过电容CA连在M3栅极上，偏置电压2通过电阻RA加在M3栅极上。受控振荡器中M2的漏极通过电容CB连在M4栅极上，偏置电压2通过电阻RB加在M4栅极上。
图3示出超可再生接收机中的电容阵列电路示意图。
如图3所示，电容阵列中有n路支路，每一支路中的电容包含位于所在支路中的开关两侧对称的两个相等的电容。其中，电容与开关均可用晶体管实现。当某支路开关导通时，则该支路上的电容接入电路。
图4示出环路滤波器示意图。
如图4所示，为三阶环路滤波器233，用于实现低通滤波，其包括多个无源元件：电容C1、电容C2、电容C3、电阻R1、电阻R2；其中，电容C1与电阻R1串联后与电容C2并联，电容C3的一端与电容C2的一端分别与电阻R2的两端相连，电容C2的另一端与电容C3的另一端接地。模拟电压V0由电容C2与电阻R2之间的节点输入，滤波后得到的误差电压Vc由电阻R2与电容C3之间的节点输出。
图5示出多模分频器的示意图。
如图5所示，多模分频器包括n个（n级）分频单元。第一级分频器单元100端口fin输入f(in)时钟信号，端口fout输出f(1)信号作为第二级分频器单元100端口fin输入时钟信号，第二级分频器单元端口Mout输出m(1)控制信号接入到第一级分频器单元端口Min，第一级分频器单元输出端口M(out)输出信号m(out)，控制信号输入端口P输入控制信号P[0]。第二级分频器单元100端口fout输出f(2)信号作为第三级级分频器单元100端口fin输入时钟信号，第三级分频器单元100端口Mout输出m(2)控制信号接入到第二级分频器单元端口Min，控制信号输入端口P输入控制信号P[1]。以此类推，一直到第n级分频器单元端口fout输出f(out)信号，控制信号H接入到第三级分频器单元端口Min，控制信号输入端口P输入控制信号P[n]。
图6示出超可再生接收机的控制电压示意图。
如图6所示，超可再生接收机的控制电压为锯齿波。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种5G毫米波的唤醒接收机的动态调节超可再生接收机，其特征在于，电路结构包括：超可再生接收机、鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器以及多模分频器；超可再生接收机的工作频率通过多模分频器的分频，降低为低频率；多模分频器的输出耦合在鉴频鉴相器的输入，鉴频鉴相器的另一个输入耦合在参考频率的输出；鉴频鉴相器将多模分频器的输出和参考频率的输出进行比较，从而产生差频的信号；差频的信号耦合在电荷泵的输入，电荷泵的输出耦合在环路滤波器的输入，环路滤波器的输出耦合在超可再生接收机的矫正端。
2.根据权利要求1所述的动态调节超可再生接收机，其特征在于，所述超可再生接收机，其电路包括低噪声放大器、可控振荡器、包络检波器、接收机；其中，低噪声放大器的输出耦合到交叉耦合的可控振荡器，可控振荡器的偏置电源受控制信号控制，可控振荡器的输出耦合在包络检波器的输出；包络检波器的输出为接收机的输出。
3.根据权利要求2所述的动态调节超可再生接收机，其特征在于，所述超可再生接收机中，所述低噪声放大器包括电感L1、电感L2以及晶体管M0，电感L1与电感L2组合为变压器；所述可控振荡器包括：电感LT、晶体管对M6和M7、电容阵列133、交叉耦合NMOS管对M1与M2，以及晶体管M5；所述包络检波器包括电阻RA和RB、晶体管M3和M4、电容CA和CB；输入信号由变压器通过晶体管M0漏极耦合给受控振荡器，晶体管M0源极与M3、M4源极相连，偏置电压1加在L2上；受控振荡器底部为一个电流镜，M5栅极接控制电压，源极接地，漏极与交叉耦合NMOS管对M1与M2的源极相连；电流镜用来控制偏置电流的大小，控制振荡幅度，并用于减少振荡器内核受电源或地线、衬底噪声的影响；晶体管M1与M2组成交叉耦合的NMOS管对，M1的栅极与M2漏极相连,M2的栅极与M1漏极相连；两者的源极相连，连到M5的漏极上；电容阵列、电感LT并联在M1与M2漏极之间；两个NMOS管M6、M7源漏相连，栅极分别接在M1及M2的漏极上；包络检波器中M3与M4源漏相连，漏极连在受控振荡器的LT上，源极作为输出端且通过电阻与M5源极相连；低噪声放大器中NMOS管M0漏极通过电容CA连在M3栅极上，偏置电压2通过电阻RA加在M3栅极上；受控振荡器中M2的漏极通过电容CB连在M4栅极上，偏置电压2通过电阻RB加在M4栅极上。
4.根据权利要求2所述的动态调节超可再生接收机，其特征在于，所述超可再生接收机中的电容阵列中有n路支路，每一支路中的电容包含位于所在支路中的开关两侧对称的两个相等的电容；其中，电容与开关均用晶体管实现；当某支路开关导通时，则该支路上的电容接入电路。
5.根据权利要求2所述的动态调节超可再生接收机，其特征在于，所述环路滤波器为三阶环路滤波器，用于实现低通滤波，其包括多个无源元件：电容C1、电容C2、电容C3、电阻R1、电阻R2；其中，电容C1与电阻R1串联后与电容C2并联，电容C3的一端与电容C2的一端分别与电阻R2的两端相连，电容C2的另一端与电容C3的另一端接地；模拟电压V0由电容C2与电阻R2之间的节点输入，滤波后得到的误差电压Vc由电阻R2与电容C3之间的节点输出。
6.根据权利要求2所述的动态调节超可再生接收机，其特征在于，所述多模分频器包括n个分频单元；其中，第一级分频器单元端口fin输入f(in)时钟信号，端口fout输出f(1)信号作为第二级分频器单元端口fin输入时钟信号，第二级分频器单元端口Mout输出m(1)控制信号接入到第一级分频器单元端口Min，第一级分频器单元输出端口M(out)输出信号m(out)，控制信号输入端口P输入控制信号P[0]；第二级分频器单元端口fout输出f(2)信号作为第三级级分频器单元端口fin输入时钟信号，第三级分频器单元端口Mout输出m(2)控制信号接入到第二级分频器单元端口Min，控制信号输入端口P输入控制信号P[1]；以此类推，一直到第n级分频器单元端口fout输出f(out)信号，控制信号H接入到第三级分频器单元端口Min，控制信号输入端口P输入控制信号P[n]。
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