CN113794451B - 一种基于振荡负阻特性的低功耗单端反射放大器电路 - Google Patents

一种基于振荡负阻特性的低功耗单端反射放大器电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种基于振荡负阻特性的低功耗单端反射放大器电路，通过确定工作频率区间并选择在工作频率区间的射频信号，在符合偏置条件的直流偏置电压下工作，产生负电阻对接收的射频信号进行负放大；将负阻放大模块放大的射频信号在选频模块，负阻放大模块、以及反馈模块之间形成的闭环回路中反馈，以维持负阻放大模块持续工作；对射频信号持续进行负阻放大并输出。本发明采用E类振荡器的设计原理，实现负阻特性的反射放大功能，功耗能够达到个位数的毫瓦级别，功耗低，利于应用于射频识别系前端；并且反射放大器电路结构简单，使用单个晶体管设计负阻放大，不会额外占用过多的芯片面积，更加方便集成，更加方便适用于射频识别系统中。

Description

一种基于振荡负阻特性的低功耗单端反射放大器电路
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于振荡负阻特性的低功耗单端反射放大器电路。
背景技术
随着第五代移动通讯技术以及物联网技术的快速发展，从小型便携式电子设备(如智能手机和传感器)到大型电动汽车等的物联网平台将会大量涌现。射频识别技术是实现真正无处不在物联网的一项关键技术，利用无线电波来传送识别有效信息，不受空间限制，可快速地进行物品追踪和数据交换，简化了许多“事物”的复杂性。凭借其独特的无接触信号通信能力，射频识别技术在零售物流、交通控制、资产管理、和监控系统等物联网应用领域得到十分广泛的应用。
RFID系统的通信依赖于反向散射通信技术，其反向散射调制很有可能会将未来数十亿的电子设备连接到物联网上，实现真正无处不在物联网。但目前的无源RFID系统存在功率限制问题，限制了RFID标签通信的范围。射频识别标签使用接收到的载波能量来响应阅读器，而后向散射信号经历约2倍的路径损耗，导致后向散射通信范围短，使得通常标签的实际操作范围限制在几米内。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于振荡负阻特性的低功耗单端反射放大器电路。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供的一种基于振荡负阻特性的低功耗单端反射放大器电路，包括：射频信号输入输出模块、负阻放大模块、选频模块、反馈模块以及直流偏置供电模块，射频信号输入输出模块分别与选频模块以及反馈模块相连，选频模块的输出连接负阻放大模块，负阻放大模块的输出连接反馈模块以及直流偏置供电模块，
射频信号输入输出模块，用于接收输入的射频信号，将射频信号传输至选频模块，
选频模块，用于确定工作频率区间并选择在工作频率区间的射频信号传输至负阻放大模块；
直流偏置供电模块，用于产生符合偏置条件的直流偏置电压，传输至负阻放大模块；
负阻放大模块，用于在符合偏置条件的直流偏置电压下开始工作，产生负电阻对接收的射频信号进行负放大；
反馈模块，用于将负阻放大模块放大的射频信号反馈至选频模块在负阻放大模块、选频模块以及反馈模块之间形成闭环，以维持负阻放大模块持续工作；
负阻放大模块，在持续工作时，对选频模块反馈的射频信号持续进行负阻放大；
射频信号输入输出模块，用于将射频的射频信号输出。
可选的，低功耗单端反射放大器电路还包括射频阻塞滤波模块，该射频阻塞滤波模块分别与负阻放大模块以及直流偏置供电模块相连，用于隔绝射频信号泄露至直流电源。
其中，射频信号输入输出模块，包括一个信号单端口与直流滤波电容C5，选频模块包括选频电容C2和选频电感L4，反馈模块包括反馈电感L2、第一反馈电容C3以及第二反馈电容C4，负阻放大模块包括晶体管Q1以及第一电感L3，直流偏置供电模块包括电阻R1以及直流电源，射频阻塞滤波模块包括滤波电容C1以及滤波电感L1，直流滤波电容C5分别与选频电感L4一端以及第一反馈电容C3的一端相连，用于隔绝直流电流信号对射频信号输入输出模块中端口的影响，第一反馈电容C3的另一端分别连接反馈电感L2以及第二反馈电容C4的一端相连，第二反馈电容C4的另一端连接电源地，晶体管Q1的漏极与第一电感L3一端、选频电容C2的一端以及选频电感L4的另一端连接，晶体管Q1的栅极分别与电阻R1的一端以及反馈电感L2的另一端相连，晶体管Q1的源极与选频电容C2的另一端相连后连接直流电源地，电阻R1的另一端分别与滤波电感L1的一端、滤波电容C1的一端以及第一电感L3的另一端相连，滤波电感L1的另一端连接直流电源，滤波电容C1的另一端连接电源地。
可选的，晶体管Q1的型号为PL151XCPW，电阻R1型号为PL151XMSR，滤波电感L1、反馈电感L2、第一电感L3以及选频电感L4的型号为PL151XINDRA，滤波电感L1、选频电容C2、第一反馈电容C3、第二反馈电容C4以及直流滤波电容C5型号为PL151XCAPA。
可选的，低功耗单端反射放大器电路采用0.15μm GaAs PHEMT工艺制成。
本发明提供的一种基于振荡负阻特性的低功耗单端反射放大器电路，通过确定工作频率区间并选择在工作频率区间的射频信号，并产生符合偏置条件的直流偏置电压，在符合偏置条件的直流偏置电压下工作，产生负电阻对接收的射频信号进行负放大；将负阻放大模块放大的射频信号在选频模块、负阻放大模块以及反馈模块之间形成的闭环回路中反馈，以维持负阻放大模块持续工作；在满足偏置条件下以及持续工作时，对射频信号持续进行负阻放大并输出。本发明采用E类振荡器的设计原理，实现负阻特性的反射放大功能，功耗能够达到个位数的毫瓦级别，功耗低，利于应用于射频识别系前端；并且反射放大器电路结构简单，使用单个晶体管设计负阻放大，不会额外占用过多的芯片面积，更加方便集成，更加方便适用于射频识别系统中。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例所提出的一种基于振荡负阻特性的低功耗单端反射放大器电路图；
图2为本发明实施例所提出的一种基于振荡负阻特性的低功耗单端反射放大器的等效模型图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本发明提供的一种基于振荡负阻特性的低功耗单端反射放大器电路包括：射频信号输入输出模块、负阻放大模块、选频模块、反馈模块以及直流偏置供电模块，射频信号输入输出模块分别与选频模块以及反馈模块相连，选频模块的输出连接负阻放大模块，负阻放大模块的输出连接反馈模块以及直流偏置供电模块，
射频信号输入输出模块，用于接收输入的射频信号，将射频信号传输至选频模块，
选频模块，用于确定工作频率区间并选择在工作频率区间的射频信号传输至负阻放大模块；
直流偏置供电模块，用于产生符合偏置条件的直流偏置电压，传输至负阻放大模块；
负阻放大模块，用于在符合偏置条件的直流偏置电压下开始工作，产生负电阻对接收的射频信号进行负放大；
反馈模块，用于将负阻放大模块放大的射频信号反馈至选频模块；在负阻放大模块、选频模块以及反馈模块之间形成闭环，以维持负阻放大模块持续工作；
负阻放大模块，在持续工作时，对选频模块反馈的射频信号持续进行负阻放大；
射频信号输入输出模块，用于将射频的射频信号输出。
可以理解，的负阻放大模块是在适当的偏置条件下，使其晶体管持续振荡以便其类似于振荡器一样产生负电阻，使得反射信号能量增强，同时由于偏置电压保持在足够低的水平，放大电路不会振荡；的选频模块用于电脑工作频率的选择；的反馈模块将输出端一定比例的能量反馈到输入端，维持晶体管的持续振荡以便其类似于振荡器一样产生负阻特性；得直流偏置供电模块用于负阻放大模块中晶体管提供合适的直流偏置使其工作在负阻区域；的射频阻塞滤波模块用于在偏置点使用射频阻塞滤波器来防止射频信号泄漏到直流电源，起到一定的保护作用。
参照图2，图2为本发明电路的单端反射放大器的等效模型。单端口网络的反射系数下述公式中给出。
Figure BDA0003207069080000061
对于反射增益，需要ΓS>1。对于负电阻振荡器设计，负载阻抗选择为源阻抗的共轭(Zin+Zis＝0)以获得|ΓS|的最大值。振荡的条件是ΓS>1或ΓSΓin＝1以实现稳定振荡。在实践中，一个值ΓL＜|ΓS/3|需要确保振荡启动。对于本发明中的反射放大器，当放大器连接到50Ω源阻抗时，RS被选择为刚好低于该值以获得反射增益并抑制寄生振荡。
本发明提供的反射放大器可以提高后向散射波可以增加反向散射通信系统的覆盖范围。改反射放大器是有源单端口网络，其输入阻抗的实部值为负值。因此产生了幅度大于1的反射系数，它相当于放大的后向散射波，由此能够有效缓解传统射频识别距离短问题。
本发明提供的一种基于振荡负阻特性的低功耗单端反射放大器电路，通过确定工作频率区间并选择在工作频率区间的射频信号，并产生符合偏置条件的直流偏置电压，在符合偏置条件的直流偏置电压下工作，产生负电阻对接收的射频信号进行负放大；将负阻放大模块放大的射频信号在选频模块在选频模块、负阻放大模块以及反馈模块之间形成的闭环回路中反馈，以维持负阻放大模块持续工作；在满足偏置条件下以及持续工作时，对射频信号持续进行负阻放大并输出。本发明采用E类振荡器的设计原理，实现负阻特性的反射放大功能，功耗能够达到个位数的毫瓦级别，功耗低，利于应用于射频识别系前端；并且反射放大器电路结构简单，使用单个晶体管设计负阻放大，不会额外占用过多的芯片面积，更加方便集成，更加方便适用于射频识别系统中。
作为本发明一种可选的实施例，低功耗单端反射放大器电路还包括射频阻塞滤波模块，该射频阻塞滤波模块分别与负阻放大模块以及直流偏置供电模块相连，用于隔绝射频信号泄露至直流电源。
参考图1，射频信号输入输出模块，包括一个信号单端口与直流滤波电容C5，选频模块包括选频电容C2和选频电感L4，反馈模块包括反馈电感L2、第一反馈电容C3以及第二反馈电容C4，负阻放大模块包括晶体管Q1以及第一电感L3，直流偏置供电模块包括电阻R1以及直流电源，射频阻塞滤波模块包括滤波电容C1以及滤波电感L1，直流滤波电容C5分别与选频电感L4一端以及第一反馈电容C3的一端相连，用于隔绝直流电流信号对射频信号输入输出模块中端口的影响，第一反馈电容C3的另一端分别连接反馈电感L2以及第二反馈电容C4的一端相连，第二反馈电容C4的另一端连接电源地，晶体管Q1的漏极与第一电感L3一端、选频电容C2的一端以及选频电感L4的另一端连接，晶体管Q1的栅极分别与电阻R1的一端以及反馈电感L2的另一端相连，晶体管Q1的源极与选频电容C2的另一端相连后连接直流电源地，电阻R1的另一端分别与滤波电感L1的一端、滤波电容C1的一端以及第一电感L3的另一端相连，滤波电感L1的另一端连接直流电源，滤波电容C1的另一端连接电源地。
其中，射频信号输入/输出模块由一个信号单端口与一个电容C5组成，用于接收天线端口输入的射频信号以及输出反射放大信号，直流滤波电容C5位于射频信号输入/输出端口、选频网络、反馈网络三者之间，起到隔绝直流电流信号到端口的作用；负阻放大模块由晶体管Q1，电阻R1和电感L3组成，晶体管Q1的漏极与电感L3与电感L4连接，晶体管Q1的源极与地连接，电阻R1一端与射频阻塞滤波器连接，一端与晶体管的栅极连接，对该模块进行适当的偏置，使其在不满足开始振荡的必要条件的情况下产生负电阻，使得反射信号能量增强，同时由于偏置电压保持在足够低的水平，放大电路不会振荡；选频模块由电容C2与电感L4构成，负责确定电路的工作频率，电容C2与晶体管Q1并联，电感L4分别与负阻放大模块和反馈模块连接；反馈匹配模块由电感L2和两个电容C3和C4组成，电感L2一端与负阻放大模块中晶体管Q1的栅极连接，另一端与两个电容相连接，电容C3与地连接，电容4与直流滤波电容C5连接，反馈模块将输出端一定比例的能量反馈到输入端，维持晶体管的持续振荡以便其类似于振荡器一样产生负阻特性；直流偏置供电模块用于负阻放大模块中晶体管提供合适的直流偏置使其工作在负阻区域，由一个直流电压源VDD、一个电阻R1以及接地信号组成，通过电阻R1不同取值对电压源分压给晶体管Q1以合适的偏置；射频阻塞滤波器由电容C1和电感L1组成，电容C1一端接地，一端与电感L1连接，电感L1一端与负阻放大模块连接，一端与电源VDD连接，在偏置点使用射频阻塞滤波器来防止射频信号泄漏到直流电源，起到一定的保护作用。
本发明的工作原理如下：
射频信号从单端口输入，经过电容C2和电感L4构成的选频网络后确定了电路的理想工作频率，直流电压端口电压VDD经过电阻R1分压后为负阻放大模块的晶体管Q1提供合适的直流偏置，同时由电感L2和两电容C3和C4组成的反馈网络将输出端一定比例的能量反馈到输入端，维持晶体管Q1的持续放大，使得其模块中的晶体管Q1持续振荡以便其类似于振荡器一样产生负电阻。射频信号经过进入负阻放大区域，由于电感L1和电容C1组成的射频阻塞滤波器原因使得信号不能进入直流偏置供电模块，不会对电源VDD产生影响，直流偏置能够正常为放大模块提供合适偏置。负阻抗负载与传输线特征阻抗失配导致信号被完全反射，并且反射能量高于入射能量，反射信号经谐振网络传送到外部。由于直流滤波电容C5的存在，隔绝直流电流传送到输入/输出端口对反射信号造成影响。
作为本发明一种可选的实施例，晶体管Q1的型号为PL151XCPW，电阻R1型号为PL151XMSR，滤波电感L1、反馈电感L2、第一电感L3以及选频电感L4的型号为PL151XINDRA，滤波电感L1、选频电容C2、第一反馈电容C3、第二反馈电容C4以及直流滤波电容C5型号为PL151XCAPA。
作为本发明一种可选的实施例，低功耗单端反射放大器电路采用0.15μm GaAsPHEMT工艺制成。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于振荡负阻特性的低功耗单端反射放大器电路，其特征在于，包括：射频信号输入输出模块、负阻放大模块、选频模块、反馈模块以及直流偏置供电模块，所述射频信号输入输出模块分别与选频模块以及反馈模块相连，所述选频模块的输出连接负阻放大模块，所述负阻放大模块的输出连接反馈模块以及直流偏置供电模块，
所述射频信号输入输出模块，用于接收输入的射频信号，将所述射频信号传输至选频模块，
所述选频模块，用于确定工作频率区间并选择在所述工作频率区间的射频信号传输至所述负阻放大模块；
所述直流偏置供电模块，用于产生符合偏置条件的直流偏置电压，传输至负阻放大模块；
所述负阻放大模块，用于在符合偏置条件的直流偏置电压下开始工作，产生负电阻对接收的射频信号进行负放大；
所述反馈模块，用于将负阻放大模块放大的射频信号反馈至选频模块在负阻放大模块、选频模块以及反馈模块之间形成闭环，以维持所述负阻放大模块持续工作；
所述负阻放大模块，在持续工作时，对所述选频模块反馈的射频信号持续进行负阻放大；
所述射频信号输入输出模块，用于将射频的射频信号输出。
2.根据权利要求1所述的低功耗单端反射放大器电路，其特征在于，所述低功耗单端反射放大器电路还包括射频阻塞滤波模块，该射频阻塞滤波模块分别与负阻放大模块以及直流偏置供电模块相连，用于隔绝射频信号泄露至直流电源。
3.根据权利要求2所述的低功耗单端反射放大器电路，其特征在于，
所述射频信号输入输出模块，包括一个信号单端口与直流滤波电容(C5)，所述选频模块包括选频电容(C2)和选频电感(L4)，所述反馈模块包括反馈电感(L2)、第一反馈电容(C3)以及第二反馈电容(C4)，所述负阻放大模块包括晶体管(Q1)以及第一电感(L3)，所述直流偏置供电模块包括电阻(R1)以及直流电源，所述射频阻塞滤波模块包括滤波电容(C1)以及滤波电感(L1)，所述直流滤波电容(C5)分别与选频电感(L4)一端以及第一反馈电容(C3)的一端相连，用于隔绝直流电流信号对射频信号输入输出模块中端口的影响，所述第一反馈电容(C3)的另一端分别连接反馈电感(L2)以及第二反馈电容(C4)的一端相连，所述第二反馈电容(C4)的另一端连接电源地，晶体管(Q1)的漏极与第一电感(L3)一端、选频电容(C2)的一端以及选频电感(L4)的另一端连接，晶体管(Q1)的栅极分别与电阻(R1)的一端以及反馈电感(L2)的另一端相连，晶体管(Q1)的源极与选频电容(C2)的另一端相连后连接直流电源地，电阻(R1)的另一端分别与滤波电感(L1)的一端、滤波电容(C1)的一端以及第一电感(L3)的另一端相连，滤波电感(L1)的另一端连接直流电源，滤波电容(C1)的另一端连接电源地。
4.根据权利要求3所述的低功耗单端反射放大器电路，其特征在于，所述晶体管(Q1)的型号为PL151XCPW，所述电阻(R1)型号为PL151XMSR，滤波电感(L1)、反馈电感(L2)、第一电感(L3)以及选频电感(L4)的型号为PL151XINDRA，滤波电感(L1)、选频电容(C2)、第一反馈电容(C3)、第二反馈电容(C4)以及直流滤波电容(C5)型号为PL151XCAPA。
5.根据权利要求1所述的低功耗单端反射放大器电路，其特征在于，所述低功耗单端反射放大器电路采用0.15μm GaAs PHEMT工艺制成。
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