CN112769440B

CN112769440B - 低功耗数字智能usbl接收机

Info

Publication number: CN112769440B
Application number: CN202011216411.6A
Authority: CN
Inventors: 施剑; 张世照; 罗宇; 马晓东; 陈聪; 张一帆
Original assignee: Tianjin Zhihui Marine Technology Co ltd; Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Tianjin Zhihui Marine Technology Co ltd; Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2020-11-04
Filing date: 2020-11-04
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2040-11-04
Also published as: CN112769440A

Abstract

本发明公开了低功耗数字智能USBL接收机，属于海洋测绘技术领域，包括依次串联的射频放大器、包络检波器和比较器。本发明采用GF 55nmCMOS工艺实现700‑960MHz唤醒接收机的设计，唤醒接收机整体应用射频调谐的架构，主要包括射频放大器、包络检波器和比较器三个部分，为了提高唤醒接收机的动态范围，射频放大器部分采用多级放大器级联并引入开关的方法实现；包络检波器采用共源结构，使MOS管工作于亚阈值区，芯片不采用任何外部元器件，降低成本的同时也提高了集成度；同时，包络检波器也改用无源结构，一方面可以降低功耗，另一方面也能改善噪声从而提高系统的灵敏度。

Description

低功耗数字智能USBL接收机

技术领域

本发明涉及海洋测绘技术领域，更具体地说，涉及低功耗数字智能USBL接收机。

背景技术

无线传感网络是接收机采用的一种重要的通信技术，将大量静止或移动的传感器节点组成一个网络，利用无线信号进行信息传递，由于传感器节点数量巨大，功耗和成本就成为了接收机设计的重中之重，超短基线接收机不需要节点时时刻刻都处于工作状态，只要在进行信息传递的时候让节点工作即可，通常传感器节点接收机的功耗较高，常见的低功耗设计技术：

1、亚阈(yu)值技术：降低栅极偏置电压让MOS管工作在弱反型区，在亚阈(yu) 值区工作的MOS管的电流/电压转移性不再是平方特性，而变为指数关系，此时MOS管的 Ip/gm比饱和工作区的MOS管大，从而可以获得较高的增益功耗比，因此能够降低电路的功耗；

2、正向衬底偏置技术：在互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺允许的情况下，正向衬底偏置技术是实现低电压低功耗电路的一种较好的方法，对于N型金属-氧化物-半导体(NMOS晶体管)，阈值电压Vth和源-衬端电压Vsb存在如下关系式：其中，是当为0时的阈值电压，是体效应参数，是半导体参数，典型值为0.3V--0.4V，为了降低MOS器件的阈值电压Vth，在MOS管的衬底加正向偏置电压(Vsb<0)，从而降低供电的电源电压；

3、电流复用技术：电流复用技术是一种常用的低功耗设计方法，它将叠加在一起的 MOS管共用偏置电流，通过节约电流从而降低电路的损耗；

4、折叠电路结构：射频电路功耗之所以高的一个原因是电路中堆叠的管子数量较多，为了让每个管子正常工作，并保留一定的电压裕度，不得不需要一个较高的VDD，在低功耗设计中，可以采用折叠电路结构来降低VDD，从而达到降低功耗的效果；

仅选择其中的一种低功耗技术或结构还是难以实现超低功耗射频前端电路，将现有的低功耗技术结合拓扑结构一起来克服和补偿彼此技术的缺点并提高系统的性能成为此发明研究的重点。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供低功耗数字智能USBL接收机，本发明具有功耗低，能够自动唤醒，减少持续工作电路损耗的优点，解决了功耗高，电路损耗的问题。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

低功耗数字智能USBL接收机，包括依次串联的射频放大器、包络检波器和比较器，其特征在于，所述射频放大器由依次串联的前置放大器、带通滤波器、第一级放大器、数控衰减器、第二级放大器、高通滤波器、低通滤波器和第三级放大器组成，所述前置放大器、第一级放大器、第二级放大器和第三级放大器内均设置有低噪声放大电路；

所述低噪声放大电路包括电阻器R1、电阻器Ro、MOS管M1a、MOS管M1b、MOS管M2、MOS管MB、MOS管MF、电感L1、电感L2、电感Ld、电感Lo、电感Ls、电容器C1、电容器C2、电容器La、电容器Lc、电容器Cgs2和电容器Cx，所述射频放大器的输入端分别与电感L1和电容器C1的输入端连接，所述电感L1的输出端与GND端连接，所述电容器 C1的输出端分别与电感Ls的输入端和MOS管Mla的S极连接，所述MOS管Mla的S极还与GND端连接，所述MOS管Mla的G极与电阻器R1的输入端连接，所述电阻器R1的输出端与Vb1端连接，所述MOS管的D极分别与MOS管M1b的G极、MOS管M1b的D极、电容器C2的输入端、电容器Cx的输入端和电感L2的输入端连接，所述电容器C2的输出端和电容器Cx的输出端均与GND端连接，所述MOS管M1b的S极与GND端连接，所述电感L2 的输出端分别与电感Ld的输入端、电容器Cgs2的输入端和MOS管M2的S极连接，所述电容器Cgs2的输出端与GND端连接，所述MOS管M2的G极与GND端连接，所述MOS管的 D极分别与电感Lc的输出端和电感Lo的输入端连接，所述电感Lo的输出端与电阻器Ro 的输入端连接，所述电阻器Ro的输出端与GND端连接，所述电感Lc的输出端与MOS管MB 的G极连接，所述MOS管MB的D极与VDD端连接，所述MOS管MB的S极分别与GND端、 MOS管MF的D极和射频放大器的输出端连接，所述MOS管MF的S极与GND端连接，所述 MOS管MF的G极与Vb2端连接。本发明具有功耗低，能够自动唤醒，减少持续工作电路损耗的优点，解决了功耗高，电路损耗的问题。

作为本发明的一种优选方案，所述带通滤波器包括RF模块、ADC模块和DSP模块，所述RF模块的输出端与ADC模块连接，所述ADC模块和DSP模块双向互连。

作为本发明的一种优选方案，所述包络检波器内设置有检波电路。

作为本发明的一种优选方案，所述检波电路包括电容元件C1、电容元件C2、电阻元件R1、电阻元件R2、电阻元件R3、电阻元件R4、电阻元件R5、电阻元件R6、电阻元件 R7、电阻元件R8、比较元件MU5A、比较元件MU5B、二极管V4和二极管V5，所述电容元件C1的输入端与电阻元件R1的输入端连接，所述电阻元件R1的输出端分别与比较元件 MU5A的负极、二极管V4的输入端和电阻元件R3的输入端连接，所述比较元件MU5A的正极与电阻元件R2的输入端连接，所述电阻元件R2的输入端连接，所述比较元件MU5A的输出端和二极管V4的输出端均与二极管V5的输入端连接，所述二极管V5的输出端和电阻元件R3的输出端均与电阻元件R4的输入端连接，所述电阻元件R4的输出端与电阻元件R5的输入端连接，所述电阻元件R5的输出端分别与比较元件MU5B的正极和电容元件 C2的输入端连接，所述电容元件C2的输出端分别与GND端和电阻元件R6的输入端连接，所述电阻元件R6的输出端与比较元件MU5B的正极连接，所述比较元件MU5B的负极分别与电阻元件R7的输入端和电阻元件R8的输入端连接，所述电阻元件R7的输出端与GND 端连接，所述比较元件MU5B的输出端和电阻元件R8的输出端均连接Uout端。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本发明采用GF 55nmCMOS工艺实现700-960MHz唤醒接收机的设计，唤醒接收机整体应用射频调谐的架构，主要包括射频放大器、包络检波器和比较器三个部分，为了提高唤醒接收机的动态范围，射频放大器部分采用多级放大器级联并引入开关的方法实现；包络检波器采用共源结构，使MOS管工作于亚阈值区，芯片不采用任何外部元器件，降低成本的同时也提高了集成度；同时，包络检波器也改用无源结构，一方面可以降低功耗，另一方面也能改善噪声从而提高系统的灵敏度。

附图说明

图1为本发明低功耗数字智能USBL接收机的结构示意图；

图2为本发明低功耗数字智能USBL接收机中射频放大器处的结构示意图；

图3为本发明低功耗数字智能USBL接收机中低噪声放大电路处的电路原理图；

图4为本发明低功耗数字智能USBL接收机中带通滤波器处的结构示意图；

图5为本发明低功耗数字智能USBL接收机中检波电路处的电路原理图。

图中标号说明：

1、射频放大器；11、前置放大器；12、带通滤波器；13、第一级放大器；14、数控衰减器；15、第二级放大器；16、高通滤波器；17、低通滤波器；18、第三级放大器；2、包络检波器；3、比较器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/ 底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

请参阅图1-5，低功耗数字智能USBL接收机，USBL接收机即是唤醒接收机，包括依次串联的射频放大器1、包络检波器2和比较器3，其特征在于，射频放大器1由依次串联的前置放大器11、带通滤波器12、第一级放大器13、数控衰减器14、第二级放大器15、高通滤波器16、低通滤波器17和第三级放大器18组成；

带通滤波器12包括RF模块、ADC模块和DSP模块，RF模块的输出端与 ADC模块连接，ADC模块和DSP模块双向互连，唤醒接收机所检测的信号为微弱信号，要求带通滤波器12应选用自噪声较小、且具有低功耗优势的滤波器，

f_H＝mB+kB， (1)

其中，m＝fH/(fH-fL)-k，k为不超过fH/(fH-fL)的最大正整数，则必有0≤m＜1。

其中在(-fs/2，fs/2)范围内的频谱正是系统所需要的基带信号频谱

由式(2)可以看出，系统最低不失真采样频率与信号的带宽B有直接关系，对B<<fH的窄带接收系统，可以采用远低于奈奎斯特采样定理要求的fsmin＞2fH的采样频率，本文中接收系统的信号带宽B＝20kHz，fH＝2.01MHz，fL＝1.99MHz，根据式(1)和式(2) 可得出k＝10，m＝0.5，最低无失真采样频率fsmin＝20.1kHz；取式(3)中的n＝100，得出采样后的数字信号的频率fc＝10kHz，由以上计算可知，对2MHz的接收信号进行频率为 2.01kHz的采样即可完成无失真量化，系统的设计框图如图4所示，天线接收到2MHz微弱感应信号，先经过前端RF模块放大处理，再通过ADC模块进行数字量化处理，得到的数字基带信号分别与由DSP模块产生的正弦数字序列和相乘产生I(n)与和Q(n)信号，通过数字正交解调等数字信号处理算法，可得出I(n)和Q(n)信号的幅度与相位信息， ADC模块芯片选用TI公司的24bit高精度低功耗AD转换芯片ADS121A02，该ADC模块芯片具有分辨率高、超低功耗(2.4mW)、接口简单等优点，能很好满足设计的需要，DSP模块芯片采用TI公司的高性能浮点处理器TMS320F28335，它具有浮点运算速度快、控制功能模块丰富、外设接口灵活、在仪器极端工作温度(150℃)的条件下仍能稳定可靠运行等优点，基于带通采样理论设计的唤醒接收机仅需RF模块、数模转换ADC及DSP模块3部分，与传统的数字接收机设计方法相比，大大简化了电路设计的复杂性，进而降低了系统功耗；

前置放大器11、第一级放大器13、第二级放大器15和第三级放大器18内均设置有低噪声放大电路，具体的，低噪声放大电路包括电阻器R1、电阻器Ro、MOS管M1a、MOS 管M1b、MOS管M2、MOS管MB、MOS管MF、电感L1、电感L2、电感Ld、电感Lo、电感Ls、电容器C1、电容器C2、电容器La、电容器Lc、电容器Cgs2和电容器Cx，射频放大器1 的输入端分别与电感L1和电容器C1的输入端连接，电感L1的输出端与GND端连接，电容器C1的输出端分别与电感Ls的输入端和MOS管Mla的S极连接，MOS管Mla的S极还与GND端连接，MOS管Mla的G极与电阻器R1的输入端连接，电阻器R1的输出端与Vb1 端连接，MOS管的D极分别与MOS管M1b的G极、MOS管M1b的D极、电容器C2的输入端、电容器Cx的输入端和电感L2的输入端连接，电容器C2的输出端和电容器Cx的输出端均与GND端连接，MOS管M1b的S极与GND端连接，电感L2的输出端分别与电感Ld的输入端、电容器Cgs2的输入端和MOS管M2的S极连接，电容器Cgs2的输出端与GND端连接， MOS管M2的G极与GND端连接，MOS管的D极分别与电感Lc的输出端和电感Lo的输入端连接，电感Lo的输出端与电阻器Ro的输入端连接，电阻器Ro的输出端与GND端连接，电感Lc的输出端与MOS管MB的G极连接，MOS管MB的D极与VDD端连接，MOS管MB的S 极分别与GND端、MOS管MF的D极和射频放大器1的输出端连接，MOS管MF的S极与GND 端连接，MOS管MF的G极与Vb2端连接；

为了实现LNA低电压低功耗工作，折叠型拓扑结构是一个很好的选择，这种结构是将晶体管以并联的方式放置在直流电源电压之间，可避免大的电源电压；此外，在超低功耗低噪声放大器设计中良好的反向隔离度和稳定性使得这种结构在低功耗的情况下显得更加有优势；本专利提出的低功、耗低噪声放大器采用Chartered 0.18pmRF CMOS工艺技术，设计的元器件都可集成，请参阅图3，图3展示了本专利提出由两个增益级电路构成的低噪声放大器完整电路图，该电路还采用了共栅放大器CG作为射频的输入级(图中未出示)， CG结构在宽带输入匹配，稳定性以及对PVT变化的鲁棒性方面有着较好的性能优势，提出的电路共分为两级：共栅放大器CG的拓扑结构和后失真电路构成电路的第一增益级，MOS 管M2作为第二增益级，同时，利用CG和折叠型拓扑结构，LNA的输入端阻抗匹配由电感L1、电容C1和电感Ls构成，实现良好的输入匹配特性，电感Lc、电感Lo和电阻器Ro则构成输出端阻抗匹配实现输出宽带匹配，电感Ld与电容C2以及级间寄生电容在感兴趣的频带内发生谐振；同传统折叠型结构中的射频扼流电感相比，电感L2只保证在窄带范围内的射频小信号电流流向输出级，由于电感Ld与MOS管M1a的D极寄生电容和MOS管M2、 MOS管M1b的S极处的寄生电容发生谐振，因此第一级电路能从LC网络中获得较高的高阻抗性；为了改善共栅输入级MOS管M1a至第二级MOS管M2的级间宽带特性，电路在节点X 处插入一个串联电感L2和一个并联电容C2构成Ld－Cgs2－L2－Cx四阶带通滤波实现带宽扩展，后失真线性技术应用在第一增益级，有效地减小了对LNA的噪声和IMD3影响；

包络检波器2内设置有检波电路，具体的，检波电路包括电容元件C1、电容元件C2、电阻元件R1、电阻元件R2、电阻元件R3、电阻元件R4、电阻元件R5、电阻元件R6、电阻元件R7、电阻元件R8、比较元件MU5A、比较元件MU5B、二极管V4和二极管V5，电容元件C1的输入端与电阻元件R1的输入端连接，电阻元件R1的输出端分别与比较元件MU5A 的负极、二极管V4的输入端和电阻元件R3的输入端连接，比较元件MU5A的正极与电阻元件R2的输入端连接，电阻元件R2的输入端连接，比较元件MU5A的输出端和二极管V4 的输出端均与二极管V5的输入端连接，二极管V5的输出端和电阻元件R3的输出端均与电阻元件R4的输入端连接，电阻元件R4的输出端与电阻元件R5的输入端连接，电阻元件R5的输出端分别与比较元件MU5B的正极和电容元件C2的输入端连接，电容元件C2的输出端分别与GND端和电阻元件R6的输入端连接，电阻元件R6的输出端与比较元件MU5B 的正极连接，比较元件MU5B的负极分别与电阻元件R7的输入端和电阻元件R8的输入端连接，电阻元件R7的输出端与GND端连接，比较元件MU5B的输出端和电阻元件R8的输出端均连接Uout端；

检波电路通过二极管V4和二极管V5对电容元件C2充电，加反向电压时截止，电容元件C2上电压对电阻元件R6放电这一特性实现的，时间常数τ＝RC，其大小反映了RC电路充放电的快慢；检波电路在通道和自动增益控制处都有应用，而在AGC部分检波电路直接影响增益控制的动态范围；充放电时间常数τ不能太大，信号的探测脉冲宽度直接影响检波性能，检波后包络波形的波纹不宜太大，所以检波电路要兼顾前后级电路的幅频响应一致性，选择适合的时间常数τ，保证整个电路系统正常工作，实际上的检波电路如图5 所示；

具体的，唤醒接收机接收的信号通常采用的是开关键控(OOK)的调制方式，开关键控(OOK)调制是移幅键控(ASK)调制方式的特例，载波存在用1表示，载波不存在就用 0表示，是最节省能量的调制方式，只有在发送1是辐射能量，但这种调制方式抗噪性能比较差，调制幅度就是用低频调制信号改变载波信号的幅度来传递信息，而包络检波的过程是将调制信号从输入信号中解调出来，得到传递的数据，为调制的逆过程。唤醒接收机中均采用包络检测器进行解调，是因为其结构简单、功耗低，可以解调出开关键控(OOK) 调制信号携带的信息。

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，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.低功耗数字智能USBL接收机，包括依次串联的射频放大器(1)、包络检波器(2)和比较器(3)，其特征在于，所述射频放大器(1)由依次串联的前置放大器(11)、带通滤波器(12)、第一级放大器(13)、数控衰减器(14)、第二级放大器(15)、高通滤波器(16)、低通滤波器(17)和第三级放大器(18)组成，所述前置放大器(11)、第一级放大器(13)、第二级放大器(15)和第三级放大器(18)内均设置有低噪声放大电路；

所述低噪声放大电路包括电阻器R1、电阻器Ro、MOS管M1a、MOS管M1b、MOS管M2、MOS管MB、MOS管MF、电感L1、电感L2、电感Ld、电感Lo、电感Ls、电容器C1、电容器C2、电容器La、电容器Lc、电容器Cgs2和电容器Cx，所述射频放大器(1)的输入端分别与电感L1和电容器C1的输入端连接，所述电感L1的输出端与GND端连接，所述电容器C1的输出端分别与电感Ls的输入端和MOS管Mla的S极连接，所述MOS管Mla的S极还与GND端连接，所述MOS管Mla的G极与电阻器R1的输入端连接，所述电阻器R1的输出端与Vb1端连接，所述MOS管的D极分别与MOS管M1b的G极、MOS管M1b的D极、电容器C2的输入端、电容器Cx的输入端和电感L2的输入端连接，所述电容器C2的输出端和电容器Cx的输出端均与GND端连接，所述MOS管M1b的S极与GND端连接，所述电感L2的输出端分别与电感Ld的输入端、电容器Cgs2的输入端和MOS管M2的S极连接，所述电容器Cgs2的输出端与GND端连接，所述MOS管M2的G极与GND端连接，所述MOS管的D极分别与电感Lc的输出端和电感Lo的输入端连接，所述电感Lo的输出端与电阻器Ro的输入端连接，所述电阻器Ro的输出端与GND端连接，所述电感Lc的输出端与MOS管MB的G极连接，所述MOS管MB的D极与VDD端连接，所述MOS管MB的S极分别与GND端、MOS管MF的D极和射频放大器(1)的输出端连接，所述MOS管MF的S极与GND端连接，所述MOS管MF的G极与Vb2端连接。

2.根据权利要求1所述的低功耗数字智能USBL接收机，其特征在于，所述带通滤波器(12)包括RF模块、ADC模块和DSP模块，所述RF模块的输出端与ADC模块连接，所述ADC模块和DSP模块双向互连。

3.根据权利要求1或2所述的低功耗数字智能USBL接收机，其特征在于，所述包络检波器(2)内设置有检波电路。

4.根据权利要求3所述的低功耗数字智能USBL接收机，其特征在于，所述检波电路包括电容元件C1、电容元件C2、电阻元件R1、电阻元件R2、电阻元件R3、电阻元件R4、电阻元件R5、电阻元件R6、电阻元件R7、电阻元件R8、比较元件MU5A、比较元件MU5B、二极管V4和二极管V5，所述电容元件C1的输入端与电阻元件R1的输入端连接，所述电阻元件R1的输出端分别与比较元件MU5A的负极、二极管V4的输入端和电阻元件R3的输入端连接，所述比较元件MU5A的正极与电阻元件R2的输入端连接，所述电阻元件R2的输入端连接，所述比较元件MU5A的输出端和二极管V4的输出端均与二极管V5的输入端连接，所述二极管V5的输出端和电阻元件R3的输出端均与电阻元件R4的输入端连接，所述电阻元件R4的输出端与电阻元件R5的输入端连接，所述电阻元件R5的输出端分别与比较元件MU5B的正极和电容元件C2的输入端连接，所述电容元件C2的输出端分别与GND端和电阻元件R6的输入端连接，所述电阻元件R6的输出端与比较元件MU5B的正极连接，所述比较元件MU5B的负极分别与电阻元件R7的输入端和电阻元件R8的输入端连接，所述电阻元件R7的输出端与GND端连接，所述比较元件MU5B的输出端和电阻元件R8的输出端均连接Uout端。