專利名稱：一種脈沖超寬帶的高效低功耗開關(guān)鍵控檢波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢波器，特別一種脈沖超寬帶(IR-UWB)的高效低功耗開關(guān)鍵控(00K:On-Off Keying)檢波器,屬于無線通信與射頻集成電路技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
脈沖超寬帶(IR-UWB)開關(guān)鍵控(00K =On-Off Keying)收發(fā)機具有低功耗的特點，在低速無線通信中占有重要地位。然而現(xiàn)有的檢波器都是使用整流——積分結(jié)構(gòu)，參考文獻參見 Yanping Zhou, Huang Guoch1.“A Wideband OOK Receiver for WirelessCapsule Endoscope, ” IEEE Microwave Conference, 2009.EuMC2009.European, pp.330 -333，Oct.2009.，這種結(jié)構(gòu)需要三級電路來實現(xiàn)，多級電路使得檢波器功耗較高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種IR-UWB的高效低功耗00K檢波器，在簡化了電路結(jié)構(gòu)、保證了檢波效率的同時又降低了整體功耗。本發(fā)明技術(shù)解決方案:一種脈沖超寬帶的高效低功耗開關(guān)鍵控檢波器，采用電壓電流轉(zhuǎn)換單元電路和積分檢波單元電路兩級結(jié)構(gòu)，所述電壓電流轉(zhuǎn)換單元電路的信號輸入端與輸入差分電壓信號相接，輸出端與積分檢波單元電路的信號輸入端連接，積分檢波單元電路的信號輸出端與外部器件(自動增益控制放大器或者判決器)連接，其整體電路如附圖1所示。所述積分檢波單元電路包含十三個MOS管，其中有十個組成差分結(jié)構(gòu)進行信號的整流和積分，另外三個作為放大和輸出匹配；NM0S管M7a、M8a、M10a工作在飽和區(qū)，NMOS管M9a工作在亞閾值區(qū)，Mlla工作在飽和區(qū)，通過調(diào)節(jié)其寬長比可以調(diào)節(jié)M9a的柵極電壓，保證M9a工作在亞閾值區(qū)；當輸入電流I+增加即在輸入信號的正半周時，M9a截止，M9a漏極端口輸出為直流電平；當輸入電流I+減小即在輸入信號的負半周時，M9a導通，輸出信號利用電容Cl、M12a的寄生電容以及M12a的體電阻進行充放電，此時M9a的漏極輸出為整形后的脈沖波形；另一差分整流模塊中NMOS管M7b、M8b、M10b工作在飽和區(qū)，NMOS管M9b工作在亞閾值區(qū)，Mllb工作在飽和區(qū)，通過調(diào)節(jié)其寬長比可以調(diào)節(jié)M9b的柵極電壓，保證M9b工作在亞閾值區(qū)；當輸入電流1-增加即在輸入信號的正半周時，M9b截止，M9b漏極端口輸出為直流電平；當輸入電流1-減小即在輸入信號的負半周時，M9b導通，輸出信號利用電容Cl、M12a的寄生電容以及M12a的體電阻進行充放電，此時M9b的漏極輸出為整形后的脈沖波形；兩路波形在M12a的漏極疊加后通過M12b的比例放大后在M13的漏極形成電壓信號，通過OUT端口輸出，其等效電路如圖4所示，檢波前后的波形如圖5所示。所述電壓電流轉(zhuǎn)換單元包含兩個電壓電流轉(zhuǎn)換電路組成的差分結(jié)構(gòu)，每一個電壓電流轉(zhuǎn)換電路包含六個MOS管，其中作為電壓電流轉(zhuǎn)換的NMOS管Mla柵極接一差分輸入電壓信號IN+，Mla將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號；NM0S管M2a構(gòu)成cascode結(jié)構(gòu)作為隔離器件使用；PM0S管M3a和M4a組成比例電流鏡，將電流信號放大后輸出至M5a源極；PM0S管M5a調(diào)控輸出電流I+的大小；NMOS管M6a作為電流源使用，為M5a提供偏置電流，其柵極接偏置電壓Vb3 ；NMOS管Mlb柵極接另一差分輸入電壓信號IN-, Mlb將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號；NMOS管M2b構(gòu)成cascode結(jié)構(gòu)作為隔離器件使用；PM0S管M3b和M4b組成比例電流鏡，將電流信號放大后輸出至M5b源極；PM0S管M5b調(diào)控輸出電流1-的大小；NMOS管M6b作為電流源使用，為M5b提供偏置電流，其柵極接偏置電壓Vb3。本發(fā)明中所述電壓電流轉(zhuǎn)換單元電路形式上不僅包括直接的使用MOS管進行電壓信號到電流信號的轉(zhuǎn)換，還包括其他各種形式的把電壓信號放大轉(zhuǎn)換為電流信號的電路，只要不對所述積分檢波單元電路進行實質(zhì)性更改而使用了其他的電壓電流轉(zhuǎn)換電路而發(fā)明的檢波器，都在本發(fā)明的權(quán)利追溯之內(nèi)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:本發(fā)明采用兩級結(jié)構(gòu)，第一級電壓電流轉(zhuǎn)換單元電路把輸入差分電壓轉(zhuǎn)化為差分電流，第二級積分檢波單元電路利用MOS器件固有的體電阻和電容，通過工作于亞閾值區(qū)的MOS管把整流和積分電路合二為一，利用電路中器件的寄生電容，既簡化了電路結(jié)構(gòu)、提高了檢波效率，又降低了整體功耗，達到了為IR-UWBOOK射頻收發(fā)機的市場應用提供實用技術(shù)的目的。
圖1是本發(fā)明的檢波器內(nèi)部整體框圖；圖2是電壓電流轉(zhuǎn)換單元電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖3是整流積分電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖4是整流積分電路的等效電路圖；圖5是檢波器檢波前后的波形示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明一種IR-UWB的高效低功耗OOK檢波器采用兩級結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中第一級電壓電流轉(zhuǎn)換單元電路把輸入差分電壓轉(zhuǎn)化為差分電流，第二級積分檢波單元電路利用電容和MOS器件的體電阻，通過工作于亞閾值區(qū)的MOS管將把IR-UWB的OOK信號整流和積分電路合二為一。所述電壓電流轉(zhuǎn)換單元如附圖2所示，其中包含兩個電壓電流轉(zhuǎn)換電路組成的差分結(jié)構(gòu)，每一個電壓電流轉(zhuǎn)換電路包含六個MOS管，其中作為電壓電流轉(zhuǎn)換的NMOS管Mla柵極接一差分輸入電壓信號IN+, Mla將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號,Mla的漏極接M2a的源極；NM0S管M2a作為隔離器件使用，M2a柵極接偏置電壓Vbl，漏極接PMOS管M3a的漏極、M3a的柵極和M4a的柵極；PM0S管M3a和M4a組成比例電流鏡，將電流信號放大后輸出至M5a的源極，其中M3a源極接電源VDD，柵極接M4a柵極和自身的漏極；M4a源極接電源VDD,漏極接M5a源極；PM0S管M5a根據(jù)輸出負載的不同來調(diào)控輸出電流比例，其柵極接偏置電壓Vb2，漏極接輸出端I+和M6a漏極；NM0S管M6a作為電流源使用，為M5a提供偏置電流，其中M6a的柵極接偏置電壓Vb3，源極接地；與此類似，另一電壓電流轉(zhuǎn)換電路的差分結(jié)構(gòu)中NMOS管Mlb柵極接一差分輸入電壓信號IN-, Mlb將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，Mlb的漏極接M2b的源極；NM0S管M2b作為隔離器件使用，柵極接偏置電壓Vbl，漏極接PMOS管M3b的漏極、M3b的柵極、M4b的柵極；PM0S管M3b和M4b組成比例電流鏡，將電流信號放大后輸出至M5b的源極，其中M3b源極接電源VDD ；M4b源極接電源VDD，漏極接M5b源極；PMOS管M5b根據(jù)輸出負載的不同來調(diào)控輸出電流比例，其柵極接偏置電壓Vb2，漏極接輸出端1-和M6b漏極；NMOS管M6b作為電流源使用，為M5b提供偏置電流，其柵極接偏置電壓Vb3，源極接地；所述積分檢波單元如附圖3所示，本電路單元包含十三個MOS管，其中有十個組成差分結(jié)構(gòu)進行信號的整流和積分，另外三個作為放大和輸出匹配；NM0S管M7a、M8a、M10a工作在飽和區(qū)，NMOS管M9a工作在亞閾值區(qū)，當輸入電流I+增加即在輸入信號的正半周時，M9a截止，M9a漏極端口輸出為直流電平；當輸入電流I+減小即在輸入信號的負半周時，M9a導通，輸出信號利用電容Cl、M12a的寄生電容以及M12a的體電阻進行充放電，此時M9a的漏極輸出為整形后的脈沖波形；NM0S管M7b、M8b、M10b工作在飽和區(qū)，NMOS管M9b工作在亞閾值區(qū)，當輸入電流1-增加即在輸入信號的正半周時，M9b截止，M9b漏極端口輸出為直流電平；當輸入電流1-減小即在輸入信號的負半周時，M9b導通，輸出信號利用電容Cl、M12a的寄生電容以及M12a的體電阻進行充放電，此時M9b的漏極輸出為整形后的脈沖波形；在具體實現(xiàn)過程中，M7a源極接地，柵極接M7a漏極、M8a柵極、M9a源極和輸入端I+ ;M8a源極接地，漏極接MlOa源極；M9a柵極接MlOa柵極、MlOa漏極和Mlla漏極，漏極接M9b漏極、M12a漏極、M12a柵極、M12b柵極和電容Cl的負極；Mlla源極接電源VDD和Mllb源極，柵極接Ml Ib柵極和偏置電壓Vb4 ;M12a源極接電源VDD ;電容Cl正極接電源VDD ;M7b源極接地，柵極接M7b漏極、M8b柵極、M9b源極和輸入端1- ；M8b源極接地，漏極接MlOb源極;M9b柵極接MlOb柵極、MlOb漏極和Mllb漏極；Mllb源極接電源VDD ；M12b源極接電源VDDdJI極接M13漏極和輸出端OUT ；M13源極接地，柵極接偏置電壓Vb5。以上示例中采用的載波頻率為7.5GHz，數(shù)據(jù)率為50MHz，在Cadence仿真軟件中，使用SMIC130nm工藝仿真結(jié)果顯示本檢波器效率可以達到50%以上。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。本發(fā)明的可追溯性:如權(quán)利要求所示，任何電路只要在單級電路中同時利用晶體管的亞閾值區(qū)工作特性、自身的體電阻和電容實現(xiàn)了半波整流和積分來實現(xiàn)各種頻率的OOK檢波，或者不限于差分信號，用本電路或者相似結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)單端信號的OOK檢波，或者不使用單獨的電容器而是利用MOS管本身的寄生電容，達到本電路中所提到的電容的檢波效果的都在本專利的追訴范圍之內(nèi)；顯然本發(fā)明可以通過反向工程，判斷某款芯片產(chǎn)品是否侵權(quán)，或通過觀察電路板電路結(jié)構(gòu)判斷某款產(chǎn)品是否侵權(quán)。
權(quán)利要求
1.一種脈沖超寬帶的高效低功耗開關(guān)鍵控檢波器，其特征在于:采用電壓電流轉(zhuǎn)換單元電路(I)和積分檢波單元電路(2)兩級結(jié)構(gòu)組成，積分檢波單元電路(2)把整流和檢波合二為一；所述電壓電流轉(zhuǎn)換單兀電路(I)的信號輸入端與輸入差分電壓信號相接，輸出端與積分檢波單元電路(2)的信號輸入端連接，積分檢波單元電路(2)的信號輸出端與外部器件連接； 所述積分檢波單元電路(2)包含十三個MOS管和一個電容，其中有十個MOS管組成差分結(jié)構(gòu)進行信號的整流，另外三個MOS管作為放大和輸出匹配；十三個MOS管中，M7a、M8a、M9a、M10a、M7b、M8b、M9b、M10b、M13 為 NMOS 管，Mlla、M12a、Mllb、M12b 為 PMOS 管；其中 M7a源極接地，柵極接M7a漏極、M8a柵極、M9a源極和輸入端I+ ；M8a源極接地，漏極接MlOa源極；M9a柵極接MlOa柵極、MlOa漏極和Mlla漏極，M9a漏極接M9b漏極、M12a漏極、M12a柵極、M12b柵極和電容Cl的負極；Mlla源極接電源VDD和Mllb源極，柵極接Mllb柵極和偏置電壓Vb4 ;M12a源極接電源VDD ;電容Cl正極接電源VDD ;M7b源極接地，柵極接M7b漏極、M8b柵極、M9b源極和輸入端1- ；M8b源極接地，漏極接MlOb源極；M9b柵極接MlOb柵極、MlOb漏極和Mllb漏極；Mllb源極接電源VDD ；M12b源極接電源VDD，漏極接M13漏極和輸出端OUT ；M13源極接地，柵極接偏置電壓Vb5。
2.如權(quán)利要求1所述的脈沖超寬帶的高效低功耗開關(guān)鍵控檢波器，其特征在于:所述積分檢波單元電路(2)中的NMOS管M7a (b)、M8a (b)、MlOa (b)工作在飽和區(qū)，NMOS管M9a (b)工作在亞閾值區(qū)，當輸入電流1+(-)增加即在輸入信號的正半周時，M9a (b)截止，M9a (b)漏極端口輸出為直流電平；當輸入電流1+(_)減小即在輸入信號的負半周時，M9a(b)導通，輸出信號利用電容Cl、M12a的寄生電容以及M12a的體電阻進行充放電，此時M9a(b)的漏極輸出為整形后的脈沖波形；M9a和M9b漏極的兩路信號波形在M12a的漏極疊加后通過M12b的比例放大后在M13的漏極形成電壓信號，通過OUT端口輸出。
3.如權(quán)利要求1所述的脈沖超寬帶的高效低功耗開關(guān)鍵控檢波器，其特征在于:所包含的電壓電流轉(zhuǎn)換單元電路(I)形式上不僅包括直接的使用MOS管的共源極放大作用進行的電壓電流變換，還包括其他各種形式的把電壓信號直接放大轉(zhuǎn)換為電流信號的電路。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種脈沖超寬帶的高效低功耗開關(guān)鍵控檢波器，該檢波器包括電壓電流轉(zhuǎn)換單元電路(1)和積分檢波單元電路(2)兩部分，其中電壓電流轉(zhuǎn)換單元電路(1)的輸出端與積分檢波單元電路(2)的輸入端相連；本發(fā)明利用工作于亞閾值區(qū)的MOS管M9a(b)的開關(guān)作用進行整流，同時利用MOS管的寄生電容和導通電阻來進行積分檢波。本發(fā)明可有效降低OOK接收機功耗，達到了為脈沖超寬帶開關(guān)鍵控(IR-UWB OOK)射頻收發(fā)機的市場應用提供實用技術(shù)的目的。
文檔編號H04B1/7163GK103138743SQ201310071590
公開日2013年6月5日 申請日期2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月6日
發(fā)明者沈傳魁, 黃魯, 白雪飛 申請人:中國科學技術(shù)大學