用于物联网无线节点的780MHz CMOS超低功耗接收机设计

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近几十年以来,随着无线通信要求的进一步提高和新技术的出现,物联网无线通信技术广泛应用地可能性越来越大。其中无线节点极低功耗技术决定物联网实用性的关键核心技术之一,因此,本论文以研究物联网无线节点低功耗技术为目的设计一种低功耗无线射频接收机。论文首先针对应用于物联网无线节点通信一些常见的无线射频接收机进行分析,其中包括介绍无线射频接收机主要性能指标比如接收机灵敏度、噪声、载波频率、数据率和调制方式以及系统功耗,和描述接收机的架构主要有超外差式、零中频、低中频和包络检波器等结构优缺点。然后基于上述无线射频接收机性能指标和架构的分析,提出了适用于物联网无线节点的低功耗接收机方案和相应的性能指标。接着,重点讨论了用于物联网无线节点低功耗包络检波器架构。针对低功耗包络检波器架构的接收机关键模块包括低噪声放大器,射频可编程增益放大器、包络检波器、限幅器和模数转换器,论文详细的讨论了每个模块的性能要求、低功耗架构和电路仿真,并重点分析了低噪声放大器,射频可编程增益放大器、包络检波器。对于低噪声放大器,论文从MOS管工作在亚阀值区的低功耗方面对低噪声放大器两种常用的结构:源极电感反馈型的共源型和共栅型进行对比分析,最后采用了低功耗共栅型结构的低噪声放大器进行电路设计。为了提高系统的灵敏度,采用了一个四级的射频可编程增益放大器(PGA)进行放大。包络检波器采用共源级结构而非传统的源级跟随器结构,不但可以包络检波而且能够获得一定的增益。最后,论文讨论了780MHz超低功耗无线接收机关键模块的整体电路仿真和版图设计,并且进行电路和版图优化以满足要求。同时,给出了接收机的详细的测试方案用于验证芯片的功能,并且与仿真进行对比分析。本论文使用UMC65nm CMOS工艺,设计了用于物联网无线节点的780MHz低功耗无线接收机,该接收机采用结构简单、低耗能模块的包络检波器架构。并且进行电路设计,版图设计和流片测试,测试结果与仿真基本吻合。该接收机芯片裸片面积1mm~2,工作频率780MHz,20MHz带宽,在0.001的误码率下灵敏度为-65dBm,功耗4.2mW,工作电压1.2V。
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