CN218998291U - 一种用于高速短程无线通信的检波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于高速短程无线通信的检波器，包括电阻R4‑R6、电容C1‑C2、接地电感L1‑L2和MOS管M3‑M4。该检波器采用了偏置在亚阈值区域的MOS管和电容交叉耦合技术提高了转换增益；采用源极退化电感，增大了输入阻抗的实部以提高通过匹配网络获得的电压增益，提高了转换增益。

Description

一种用于高速短程无线通信的检波器

技术领域

本实用新型属于检波器技术领域，具体涉及一种用于高速短程无线通信的检波器。

背景技术

基于外差的传统收发器或直接转换架构由于混频器和本振会消耗大量的功率，会大大增加收发机的能耗。此外采用正交调制方案，例如正交相移键控和正交幅度调制，由于它们的高频谱效率和信道容量，在毫米波段高度集成的收发机中得到大量使用。采用正交调制通信的收发机由于其基带电路ADC和DSP的使用会产生大量的能耗通常高达100mW。为了降低基带处理电路的大功率消耗，开关键控调制方案被广泛应用于低功耗的无线短程通信中，采用OOK调制方案的通信系统其基带处理电路不需要ADC和DSP电路，因此可以节省大量的功耗。同时，若采用包络检波器作为解调电路，也会为系统省去混频器和本振的功耗，这为实现超低功耗的无线通讯系统提供了更大的可能性。但是现有的检波器的灵敏度和转换增益会随工作频率与数据率的提高而急剧恶化，并不能满足接收机的需求，因此急需一种高转换增益的检波器来解决目前的困境。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有无线收发机系统复杂度高和高功耗的问题以及由于现有检波器低转换增益的原因难以满足接收机高灵敏度的要求的问题，提出了一种用于高速短程无线通信的检波器。

本实用新型的技术方案是：一种用于高速短程无线通信的检波器包括电阻R4-R6、电容C1-C2、接地电感L1-L2和MOS管M3-M4；

MOS管M3的栅极分别与电阻R4的一端和电容C2的一端连接，并作为检波器的射频正输入端连接；MOS管M3的源极分别与电容C1的一端和接地电感L1连接；MOS管M3的漏极分别与R6的一端和晶体管M4的漏极连接，并作为检波器的输出端；MOS管M4的栅极分别与电阻R5的一端和电容C1的另一端连接，并作为检波器的射频负输入端连接；MOS管M4的源极分别与电容C2的另一端和接地电感L2连接；电阻R4的另一端、电阻R5的另一端和电阻R6的另一端均与差分输入电压Vg连接。

进一步地，MOS管M3和MOS管M4均采用N型MOS管。

本实用新型的有益效果是：该检波器采用了偏置在亚阈值区域的MOS管和电容交叉耦合技术提高了转换增益；采用源极退化电感，增大了输入阻抗的实部以提高通过匹配网络获得的电压增益，提高了转换增益。

附图说明

图1为用于高速短程无线通信的检波器的结构图；

图2为典型无源检波器的结构图；

图3为典型有源源检波器的结构图；

图4为转换增益随补偿电容变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型提供了一种用于高速短程无线通信的检波器，包括电阻R4-R6、电容C1-C2、接地电感L1-L2和MOS管M3-M4；

MOS管M3的栅极分别与电阻R4的一端和电容C2的一端连接，并作为检波器的射频正输入端连接；MOS管M3的源极分别与电容C1的一端和接地电感L1连接；MOS管M3的漏极分别与R6的一端和晶体管M4的漏极连接，并作为检波器的输出端；MOS管M4的栅极分别与电阻R5的一端和电容C1的另一端连接，并作为检波器的射频负输入端连接；MOS管M4的源极分别与电容C2的另一端和接地电感L2连接；电阻R4的另一端、电阻R5的另一端和电阻R6的另一端均与差分输入电压Vg连接。

在本实用新型实施例中，MOS管M3和MOS管M4均采用N型MOS管。

在检波器设计中主要可分为两大类：无源检波器和有源检波器。

无源包络检波器历来采用低开启电压器件或者开启电压抵消技术来最大化功率(而非电压)转换效率，但这会导致较小的输入阻抗。虽然如此，但是无源检波器也仍有一个巨大的优点：采用无源检波器，由于没有直流电流，所以并不会带了额外的直流功耗，除此之外还不会引入闪烁噪声。如图2所示，为一种典型无源检波器，这是一种可调谐无源伪差分结构的包络检波器，它是一个2n级整流器，中间节点连接到vcm(地)，衬底节点连接到一个可调谐电压，以设置带宽。因此，基带交流电流相对于地流向相反的方向，形成伪差分输出。但由于其采用管子堆叠的方式进行检波会引入较多的寄生电容，检波器输出达到稳态的时间(输出从稳态的10％到90％的时间)也会大大延长，这就限制了检波器的数据传输速率。无法满足高速通讯的数据率需求。同时无源检波器随着工作频率的升高也会面临着转换增益过低的困境。因此无源检波器的应用场景较为有限。

有源检波器顾名思义采用有源结构，虽然与无源结构相比会带来一定的功耗但其在毫米波段的表现会更加的良好，如图3所示，为常见的有源检波器。利用偏置在AB类的M1和M2对输入的差分信号进行检波。

上述提到的无源检波器虽然有着功耗极低和没有闪烁噪声的优点，但由于其采用管子堆叠的方式进行检波会引入较多的寄生电容，检波器输出达到稳态的时间(输出从稳态的10％到90％的时间)也会大大延长，这就限制了检波器的数据传输速率。无法满足高速通讯的数据率需求。同时无源检波器随着工作频率的升高也会面临着转换增益过低的困境。因此无源检波器的应用场景较为有限。

现有的有源检波器虽然相比无源结构对转换增益和灵敏度有了提升但仍十分有限，对于高频信号和高速数据传输时的应用仍然有一定的限制。

本实用新型提出的有源检波器在高数据率传输的情况下能提供更好的灵敏度和转换增益。其由CMOS伪差分对MOS管M3和M4、交叉耦合电容C1和C2、源极退化电感L1和L2构成。其中，交叉耦合电容分别连接M3的栅极到M4的源极、M4的栅极到M3的源极用于耦合输入差分信号。

检波器输出基带信号的幅度与输入信号在MOS管栅极的电压摆幅正相关，由于MOS管寄生电容Cgs的存在，当工作频率升高时会有部分信号通过Cgs泄露到地，减小输入信号在MOS管栅极的摆幅从而减小输出的解调信号的幅度。以图3中检波器为例分析：对于一个AM信号或者OOK信号的输入，则M1漏极电流为：

其中，V_g为MOS管的直流偏置，v_g为射频信号在MOS管栅极的电压，设vg＝A(t)cosω₀t,则在第三项中有

在输出端经电容C1滤除2ω₀后可得到解调后检波器的输出电压

其转换增益为

而同样的根据所提出的新型检波器可得出解调后的转换增益为

其中，A_in为输入信号在输入端的电压摆幅，A_out为输出解调信号的电压摆幅，W、L、R_L、C_gs、μ_n、C_ox分别为M1、M2的栅宽、栅长、漏极的负载电阻、栅源的寄生电阻、电子迁移率、单位面积的栅氧化层电容，C为补偿电容C1、C2的容值。

如图4所示，为仿真的在2Gb/s的传输速率下的转换增益随补偿电容容值变化的曲线，仿真结果与公式推导的所得的结论基本吻合。

由于加入了源极退化电感会增大检波器的输入阻抗，这样也会增大电路通过输入匹配所获得的电压增益，进而进一步的增大检波器的转换增益。

此外有式

可知，检波器转换增益与CMOS管二阶跨导息息相关，因此需要将MOS管偏置在亚阈值区域以最大化二阶跨导提高转换增益。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (2)

1.一种用于高速短程无线通信的检波器，其特征在于，包括电阻R4-R6、电容C1-C2、接地电感L1-L2和MOS管M3-M4；

所述MOS管M3的栅极分别与电阻R4的一端和电容C2的一端连接，并作为检波器的射频正输入端连接；所述MOS管M3的源极分别与电容C1的一端和接地电感L1连接；所述MOS管M3的漏极分别与R6的一端和晶体管M4的漏极连接，并作为检波器的输出端；所述MOS管M4的栅极分别与电阻R5的一端和电容C1的另一端连接，并作为检波器的射频负输入端连接；所述MOS管M4的源极分别与电容C2的另一端和接地电感L2连接；所述电阻R4的另一端、电阻R5的另一端和电阻R6的另一端均与差分输入电压Vg连接。

2.根据权利要求1所述的用于高速短程无线通信的检波器，其特征在于，所述MOS管M3和MOS管M4均采用N型MOS管。

Images