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基于晶体振荡器的超再生唤醒接收机研究与设计

郑卫国  
【摘要】:近年来,无线通信新技术不断涌现,推动了无线物联网的快速发展,无线传感网的低功耗技术成为新的研究热点领域。论文对用于低功耗物联网无线节点的有源唤醒接收机进行了深入地研究,重点关注如何重复利用无线节点中普遍存在的晶体及其振荡器,提出了基于晶体振荡器的超再生唤醒方案;本论文着重研究解决了晶体振荡器的起振速度、超再生接收机频率选择性改善等核心问题;该设计相当于扩展无线节点的晶体振荡器的功能,兼具了唤醒接收机的能力,有效降低了带唤醒功能的无线节点的面积和功耗,为物联网节点的低功耗实现提供了新的思路。主要工作及成果包括:1、分析了物联网无线节点的电路特点,提出了一种共享晶体振荡器的超再生唤醒接收机方案。从理论上研究了基于晶体振荡器的超再生接收机的技术可行性,为分析接收机性能奠定了基础。2、分析了传统晶体振荡器起振速度提升受限的原因,提出了一种能提高晶体振荡器内在的起振速度的理想架构,设计了无外注入能量的快速起振晶体振荡器。仿真和实测表明,这种平衡差分反馈环式晶体振荡器的起振速度与普通晶体振荡器相比可提高10倍以上,完全达到了业界快速起振晶体振荡器研究的最前沿水平。3、提出了将晶体振荡放大器反向运用的技术路线,解决了晶体超大的等效电感中贮存的能量因内部存在谐振通路不易耗散的问题,实现晶体振荡器快速熄灭。4、为实现超再生振荡器的反复启停,设计了一种张弛振荡器,并对该张弛振荡器的振荡频率进行了推导和计算。该低频振荡被用作熄灭控制,并且单向斜坡变化的振荡使能信号实现了线性变化的时变阻尼和最优的频率选择性。5、为了确保快速起振所需的平衡条件具备足够的实用性,提出了复用超再生振荡器中现有启停机制进行自动校准的方案。该方案利用寄生振荡判断平衡电容的误差,并采用二进制搜索算法经过多次起振来自动确定最佳电容值,保证了快速起振所需的平衡条件具备适应不同工艺、温度和工作电压的鲁棒性。6、使用TSMC 0.18μm CMOS工艺,设计了用于物联网无线节点的基于晶体振荡器的超再生唤醒接收机,并进行了电路设计、版图设计和流片测试。该接收机芯片面积0.12mm~2。测试结果表明,超再生唤醒接收机接收性能优异。外接26MHz晶体和5pF负载电容时,灵敏度为-78dBm,数据率在250bps以上。频率选择性高于现有文献成果50倍以上,其3dB和10dB带宽紧缩到1.1 kHz和1.8 kHz,有效滤除目标频率之外干扰。7、最后将该超再生接收机在汽车PKE智能钥匙中进行了示例性地应用,有效地降低唤醒部分电路所占体积和重量,并降低功耗。


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