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随着微电子、无线通信技术的不断发展,高集成度、低成本的CMOS无线射频收发机芯片已经越来越多的应用于工业以及人们日常生活的电子设备中,市场潜力巨大。无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)是一种由传感器节点构成的网络,在环境监测、智能家居、工业生产控制等领域有着广阔的应用前景,是当前在国际上备受关注的前沿热点研究领域。研究并设计应用于WSN系统的射频收发机芯片具有重要的意义。
本文的前半部分是WSN射频收发机中复数带通滤波器的设计和实现。该滤波器位于低中频结构的接收机中,对混频器输出的中频信号进行信道选择和镜像抑制,是接收机中的一个关键模块。本复数带通滤波器的主体电路采用基于五阶切比雪夫低通原型的有源Gm-C结构,以满足高镜像抑制和低功耗的要求,电路中的核心跨导单元采用跨导可调的折叠式共源共栅OTA结构。另外,考虑到工艺角,温度等不确定因素的影响,为了实现稳定、正确的滤波特性,设计了一个锁相坏实现的片上自动调谐电路。测试结果表明:在1.8V电源电压下,自动调谐电路正常工作,复数带通滤波器具有较为精确的中心频率和带宽,大于45dB的镜像抑制,包含自动调谐电路在内的滤波器总电路共有4.9mA的电流消耗。芯片面积为1.18mm×1.16mm。
本文的后半部分是WSN射频收发机中功率放大器的设计和实现。该电路位于直接上变频结构发射机的末端,将变频后的射频信号进行功率放大并通过天线传输出去。由于WSN系统低功耗的要求,该功率放大器并不需要太高的功率输出和功率增益,效率是关键指标,另外要求有功率控制的功能。权衡效率、线性度、增益、功率等方面,最终的电路采用全差分的AB类单级共源共栅结构,同时通过控制晶体管的通断实现功率控制。在片测试结果表明:1.8V电源电压下,功放电路工作频率准确,具有18.6dB的功率增益,12.5dBm的1dB输出功率,1dB输出时约33%的功率附加效率(PAE),在某一固定输入功率下,通过3比特功率控制码,输出端可以得到7种不同大小的功率输出。芯片面积为1.19mm×0.97mm。
本滤波器电路和功放电路已经过流片验证,并已应用于WSN射频收发芯片中,同时经过适量改进也可应用于类似无线通信系统的射频收发芯片中。