基于130 nm CMOS工艺的超低功耗FM-UWB发射机的设计与实现

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报2（2015）133750 µW 3.5-Mohamed Alia， Heba Shawkeya， Abdelhalim Zekryba埃及电子研究所微电子系b埃及Ain Shams大学通信和电子系2015年4月4日在线发布摘要提出了一种采用标准130 nm CMOS工艺实现的超低功耗调频超宽带（FM-UWB）发射机。发射机工作在3.5-4.5 GHz范围发射机可以接受高达250 kbps的输入数据速率弛张振荡器用于生成副载波信号，VCO用于生成RFVCO的中心频率被周期性地校准以避免带外操作。一个整数N锁相环（PLL）用于副载波生成和RF VCO校准，仅需500 ns即可完成校准。AB类功率放大器用于在FCC掩模下输出功率拟议的FM-UWB发射机采用1.2 V电源供电，功耗为750©2015 作 者 。 ElsevierB.V. 制 作 和 托 管 这 是 CCBY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：超宽带;调频超宽带;压控振荡器;弛豫振荡器1. 介绍无线体域网（WBAN）是一种新兴的技术，在社会中发挥着非常重要的作用，主要是在医疗服务。WBAN有助于监测患者的生命体征医生可以从远程位置检查患者的完整详细信息这项技术的主要目的是减少医院的负荷，并远程提供高效的医疗设施WBAN包括持续感测重要身体参数的身体穿戴或植入但是，这些设备的电池更换可能不可行或者是期望的，这对消耗大部分总功率的无线电收发器的功率耗散施加了严格的限制。此外，WBAN非常接近身体。因此，保持电磁污染极低。这些要求使得超宽带（UWB）技术的使用特别合适。对于短距离和低成本的UWB系统，两种UWB技术被认为是：脉冲无线电UWB（IR-UWB）和调频UWB（FM-UWB）。IR-UWB系统发射一系列极短的脉冲，*通讯作者。电子邮件地址：ali@eri.sci.eg（M. Ali）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2015.03.0122314-7172/© 2015作者。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。134M. Ali等/电气系统与信息技术学报2（2015）133−dinVM功率放大器RF振荡器副载波振荡器表1建议变送器的操作。Fig. 1. FM-UWB发射机框图。对照品S1S2 S3S4模式不足On Off关闭调制高解离Off On对校准天线（Win和Scholtz，1998年）。因此，IR-UWB是一种无载波传输技术。然而，由于使用低占空比脉冲，发送器和接收器之间的同步变得非常具有挑战性，这增加了硬件复杂度和功耗。FM-UWB系统生成具有宽带FM调制的恒定包络UWB信号，其特征在于非常陡峭的频谱滚降（Gerrits等人，2005年）。因此，FM-UWB接收机可以在没有本地振荡器的情况下执行FM解调;不需要像IR-UWB技术那样的载波同步这使得整个系统设计简单而稳健。FM-UWB是扩频系统的模拟实现，其扩频增益等于调制指数。 图 1示出了FM-UWB发射机的框图。 它使用低调制指数数字FSK将二进制数据编码到子载波上，然后使用RF载波的高调制指数模拟FM来创建恒定包络UWB信号（Gerrits等人，2005年）。FM-UWB发射机包括在MHz范围内的副载波振荡器，以生成由所发射的数据进行FSK调制的三角信号副载波信号Vm调制RF VCO，生成具有平坦功率谱密度和陡峭频谱滚降的恒定包络UWB信号直接数字频率合成器（DDFS）可用于副载波生成（Nilsson等人， 2007年）。然而，在这方面，它导致高面积和功耗，特别是在需要高数据速率的情况下（Zhou等人，2011年a）。因此，在所提出的FM-UWB发射机中选择了一个弛张振荡器。RF VCO应定期校准，以避免带外操作。 不同的方法已经报道在（Ali等人， 2013b）以校准RF频率。这些方法中的一些导致高功率耗散，诸如使用基于DAC的锁相环（Zhou等人， 2010）、半数字准连续锁频环（FLL）（Zhou等人，2011a）和数字可配置的占空比锁频环（Zhouet al.，2011年b）。在本文中，为了实现低功耗，整数N锁相环（PLL）用于副载波生成和RF VCO校准。2. 所提出的FM-UWB发射机图图2示出了所提出的FM-UWB发射机的框图，该发射机由用于副载波生成的弛张振荡器和用于RF载波生成的压控振荡器（VCO）组成。由弛张振荡器产生的三角波形（Vm）直接调制VCO。VCO的中心频率由整数N锁相环（PLL）周期性校准。在调制期间，通过使用PLL的电荷泵和环路滤波器的电容器C1来完成三角波形的生成。这降低了发射机的总功耗。发射机有两种工作模式，调制模式和校准模式。两种模式之间的切换是通过信号控制和开关S1至S4进行的，如表1所示。 图 3示出了电荷泵电路（Ali等人， 2010年）的报告。 它在调制模式下接收来自比较器的UP和DN信号，在校准模式下接收来自鉴频鉴相器（PFD）的UP和DN信号。通过多路复用器（Mux）进行选择（Ali等人，2013年a）。当输入数据din为逻辑此外，ICP在M. Ali等/电气系统与信息技术学报2（2015）133135IREFDNICPFF_out控制起VLVHdin频率62.5MHzS1FF_outDNUPS2控制VMC1PA控制对照品S3R2C2控制S4图二.所提出的FM-UWB发射机的框图。图三. 电荷泵电路。VCO分频器（/64）CPPFDClkD QMux136M. Ali等/电气系统与信息技术学报2（2015）133FoutVM见图4。 一个3级环形VCO。校准模式提供快速锁定。分频器是使用6个D触发器的级联来实现的，这些D触发器被连接为2分频器。2.1. 副载波产生1电荷泵用于对电容进行充电和放电，以在电容两端产生三角信号。三角信号的幅度受到比较器的上（VH）和下（VL）触发点的限制，比较器在充电和放电模式之间切换电荷为了确保频率转换仅在电容器C1达到VH或VL触发点时发生，利用D触发器来使数据与副载波频率同步2.2. 射频载波产生图4所示的3级环形VCO用于RF载波生成。VCO输出频率如图所示。 五、 VCO在3.5-4.5 GHz范围内线性工作。因此，RF振荡器是开环调制的，并且为了避免带外操作，使用整数N PLL周期性地校准RF频率。模拟VCO图五. VCO的模拟输出频率与电压.M. Ali等/电气系统与信息技术学报2（2015）133137见图6。 VCO的模拟相位噪声见图7。一种AB类功率放大器电路。如图6所示，在偏离4 GHz载波频率1 MHz时，相位噪声为−79 dBc/Hz。FM-UWB在1 MHz偏移时可以容忍高达−60dBc/Hz的相位噪声（Saputra等人， 2010年）的报告。2.3. AB类功放需要功率放大器来输出FCC掩码下的功率 图图7示出了在所提出的FM-UWB发射机中使用的AB类功率放大器。 为了提高功率效率，使用电容C m和电感L m形成的匹配网络，将50 ▲负载阻抗转换为400 ▲负载，用于功率放大器。PA功耗为300 µW，效率为30%。3. 仿真结果图 8示出了弛张振荡器（调制模式）的瞬态仿真。当输入数据为逻辑“0”时，它生成1 MHz三角信号;当输入数据为逻辑“1”时， 图 9显示了调制和校准模式期间的系统输出，其中从调制模式切换到校准模式发生在1 µs，锁定发生在1.5 µs。结果表明，所设计的锁相环仅需500 ns即可将环形压控振荡器的分频输出调谐到62.5 MHz的参考频率。模拟138M. Ali等/电气系统与信息技术学报2（2015）133见图8。弛张振荡器的瞬态模拟。见图9。调制和校准模式下的系统仿真。表2FM-UWB发射机性能综述。100 100 750a测量结果。b模拟结果。参数Detratti等人萨普特拉和Chen等人Almeida等人这项工作B（2009年）aLong（2011年）a（2013年）a（2013年）b技术130 nm CMOS90纳米CMOS65纳米130 nm CMOS130 nm CMOSRF调谐范围（GHz）6.25-8.252.9-5.2CMOS3.5-47.33-8.53.5-4.5副载波频率（MHz）10.8202.1662相位噪声（dBc/Hz，1MHz）数据速率（kbps）−107−75−74–−79250功耗（mW）校准时间4.6300µs0.8-1.16 ms1.14–9.7–0.75500 NSM. Ali等/电气系统与信息技术学报2（2015）133139−见图10。 模拟发射机输出频谱。FM-UWB频谱如图所示。 10个。 频谱近似平坦且陡峭的滚降。采用1.2 V电源供电时，建议发射器的功耗为750 µW。拟议的FM-UWB发射机的模拟性能进行了总结，并与最近文献中的其他FM-UWB发射机进行了比较，见表2。此表显示了与其他架构相比功耗的大幅降低。4. 结论提出了一种超低功耗FM-UWB发射机，设计工作在3.5-4.5 GHz的范围内。它是在标准的130纳米CMOS工艺实现的。整数N锁相环（PLL）用于副载波生成和RF VCO校准。该发射器采用1.2 V电源供电时仅消耗750 µW。发射机可以以250 kbps的速度工作。在1 MHz偏移时，模拟相位噪声为79 dBc/Hz。PLL用于调谐VCO的中心频率。仿真结果表明，该锁相环对压控振荡器中心频率的调谐时间仅为500 ns。AB类功率放大器用于在FCC掩模下输出功率。引用阿里，M.，Elemary，H.，Shawkey，H.，Zekry，A.，2010年。 采用可编程电荷泵的快速锁定数字锁相环。In：IEEE ICCES，pp. 135比138阿里，M.，Shawkey，H.，Zekry，A.，2013年a。 FM-UWB收发机综述 Int. J. Comput. 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