论文部分内容阅读
随着物联网(IoT)需求的日益增长,低功耗蓝牙(BLE)技术已成为无线设备的一种短距离通信的流行解决方案,尤其是BLE通信传输距离延伸后对自动化、工业控制、智慧家庭等应用变得更加实用,因此BLE不仅具有科学研究意义而且还具有重要的应用价值和广阔的市场前景。为了延长电池的寿命,通常BLE设备需要长期稳定的工作,低功耗设计是BLE技术最重要的要求。BLE射频芯片是BLE设备中的关键芯片,同时也是功耗占比最大的芯片,如何在满足BLE射频指标要求的同时,实现低功耗和低成本的射频芯片设计一直是科研人员关注的问题。本文围绕BLE射频芯片低功耗和小面积的关键技术展开研究,着重对BLE射频芯片的接收链路和发射链路的核心模块进行研究和设计。所设计的BLE射频芯片通过0.11μm RFCMOS工艺进行流片验证。本文主要研究工作和创新点如下:(1)提出了一种共享电感的接收前端射频方案。该方案由天线开关、匹配电路、Inductor-Less低噪声放大器(LNA)、有源混频器组成。其中Inductor-Less LNA采用电流再生技术和有源电感技术相结合的两级放大级联结构,第一级的放大利用电流再生技术在低功耗下可以获得较大的跨导,高效率利用跨导放大有用信号。第二级利用有源电感技术,通过源极跟随器中MOS管的栅极和源极形成的电容Cgs实现有源电感。混频器利用电荷注入型有源混频器技术,缓解了线性度、开关噪声和混频器增益之间的矛盾关系。仿真结果表明,在蓝牙工作频段2.402 GHz~2.483.5GHz,接收机的最大反射系数S11为-14.5 d B,发射机的最大反射系数S11为-17.5 d B,噪声系数为3.7 d B,IIP3为-15.8 d Bm,IIP2为10 d Bm,接收机射频前端功耗为1.5m W。(2)设计了一种增益可调、带宽自动校准的有源RC复数滤波器电路。增益可调范围0 d B~20 d B。通过带宽自动校准电路,降低带宽对CMOS工艺偏差的敏感度。校准范围±30%,校准精度2%。校准电路工作于芯片上电期间,校准时间小于4μs,完成校准后校准电路自动断电,有效降低了芯片功耗。(3)提出了一种降低频移键控误差(FSK error)的方案,该方案通过对两点调制锁相环中环路增益自动校准,有效降低两条环路增益对生产工艺和温度等环境因素的敏感度。通过压控振荡器(VCO)中的负反馈网络使偏置电流保持恒定,降低VCO低频相位噪声。通过VCO的可变电容减敏电路和交叉偏置可变电容电路,降低FSKerror对可变电容工艺偏差的敏感度,有效改善发射质量。仿真结果表明,压控振荡器在偏离振荡频率100 KHz、1 MHz、3 MHz的开环相位噪声分别为-95.1 d Bc/Hz、-115.4 d Bc/Hz、-124.9 d Bc/Hz,锁相环功耗为2.2 m W。(4)实现了一种加快锁相环锁定时间的粗调算法。芯片上电时通过此算法对电容阵列进行粗调,完成粗调后将电容阵列控制字与对应的BLE频点计算出来,每次切换信道自动调用。仿真结果表明,锁相环锁定时间小于30μs,加快了锁相环锁定时间,降低了锁相环锁定过程中的无用功耗。所研发的BLE射频芯片测试结果表明,在蓝牙工作频段2.402 GHz~2.483.5 GHz,发射机的最大反射系数S11为-10.6 d B,接收机的最大反射系数S11为-11.1 d B。接收机噪声系数为7 d B,IIP3为-17.1 d Bm,IIP2为9.8 d Bm。锁相环锁定时间小于32μs,VCO震荡在4.8 GHz,偏离4.8GHz 10KHz、1MHz和3MHz的相位噪声的测量值依次为-83d Bc/Hz、-108 d Bc/Hz和-114 d Bc/Hz。射频芯片接收机的灵敏度测量值为-93 d Bm,功耗9.7 m W,发射机在0 d Bm输出功率下功耗为9.4 m W,时频移键控误差(FSK error)测量值为2.97%。射频前端面积仅为0.24 mm2,整个芯片面积为3.6 mm2(包括数字调制和解调)。射频芯片性能完全满足BLE规范要求。本论文的成果不仅可以应用于BLE射频电路,还可对其它通信方式的射频电路有一定的参考。