無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)低功耗射頻發(fā)射關(guān)鍵技術(shù)研究與芯片設(shè)計(jì).pdf

1、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)是由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)所有者。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用到軍事、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、健康護(hù)理、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、智能家居、城市智能交通、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、空間探索、大型車(chē)間和倉(cāng)庫(kù)管理，以及機(jī)場(chǎng)、火車(chē)站的安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，被認(rèn)為是對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生巨

2、大影響的技術(shù)之一。隨著無(wú)線(xiàn)通信和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，高集成度、低成本、低功耗的CMOS無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)機(jī)芯片已經(jīng)越來(lái)越多的應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ罴肮I(yè)生產(chǎn)的電子設(shè)備中，市場(chǎng)潛力巨大。其中，低功耗研究一直是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，本文對(duì)射頻發(fā)射鏈路的低功耗關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究與分析，基于ZigBee和IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，采用0.18μmRFCMOS工藝設(shè)計(jì)了應(yīng)用于2.4-2.4835GHz無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的射頻關(guān)鍵模塊

3、和射頻發(fā)射機(jī)芯片。
　　本文首先討論了應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee和802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻發(fā)射芯片系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的鏈路預(yù)算。確定了發(fā)射機(jī)所需要的模塊及其性能指標(biāo)，為后續(xù)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
　　本文對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)射頻發(fā)射系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊進(jìn)行了研究、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括工作在1.8V電源電壓下的低通濾波器(LowPassFilter,LPF)、上混頻器(Up-conversionMixer)、功率放大

4、器芯片(PowerAmplifier,PA)，和工作在1V電源電壓下的低通濾波器、上混頻器、功率放大器芯片。
　　在低通濾波器部分，在1.8V電源電壓下采用共模反饋運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)了一款低通濾波器芯片，測(cè)試結(jié)果表明低通濾波器的截止頻率為1.6MHz，功率增益為-3.7dB，通帶紋波為0.16dB，在4MHz處的阻帶抑制為31dB，工作電流為2mA，功耗為3.6mW;在1V電源電壓下設(shè)計(jì)了一款低通濾波器芯片，設(shè)計(jì)了一款低功耗的前饋式運(yùn)

5、算放大器應(yīng)用在低通濾波器中，使低通濾波器在達(dá)到與上款芯片接近性能的前提下，大大降低了其功耗，測(cè)試結(jié)果表明截止頻率為1.5MHz，功率增益為-4.7dB，通帶紋波為0.4dB，在4MHz處的阻帶抑制為34dB，工作電流為1mA，功耗為1mW。
　　在上混頻器部分，在1.8V電源電壓下設(shè)計(jì)了一款低電流上混頻器芯片，采用運(yùn)算放大器提高了上混頻器的等效跨導(dǎo)，從而提高了混頻器的增益，測(cè)試結(jié)果表明該上混頻器的轉(zhuǎn)換功率增益為-4.5dB，輸入1

6、dB壓縮點(diǎn)為-11.5dBm，工作電流為1.77mA，功耗約為3.2mW;在1.8V電源電壓下提出了一種超低電流上混頻器，采用跨導(dǎo)正反饋技術(shù)提高了其等效跨導(dǎo)，采用負(fù)載增強(qiáng)技術(shù)提高了上混頻器輸出負(fù)載，從而提高了上混頻器的增益，大大降低了上混頻器的功耗，仿真結(jié)果表明上混頻器的轉(zhuǎn)換電壓增益為10dB，輸入1dB壓縮點(diǎn)為-18dBm，工作電流為0.5mA，功耗為0.9mW;設(shè)計(jì)了一款1V低電壓上混頻器芯片，采用2層MOS管堆疊結(jié)構(gòu)解決了低電壓下

7、電路工作狀態(tài)問(wèn)題，采用電流復(fù)用技術(shù)和交叉正反饋技術(shù)提高了上混頻器的等效跨導(dǎo)，從而提高了上混頻器的增益，測(cè)試結(jié)果表明該上混頻器的轉(zhuǎn)換功率增益為-3.43dB，輸入1dB壓縮點(diǎn)為-11dBm，工作電流為1mA，功耗為1mW;
　　在功率放大器部分，在1V電源電壓下設(shè)計(jì)了一款A(yù)B類(lèi)功率放大器，改善了其在低功率輸出下的功率附加效率，從而降低了其功耗，測(cè)試結(jié)果表明功率放大器的1dB壓縮點(diǎn)輸出功率為6.24dBm，其功率附加效率為26.73％

8、，工作電流為15.3mA，功耗為15.3mW。
　　本文使用已測(cè)試驗(yàn)證的系統(tǒng)模塊集成了一個(gè)單獨(dú)的發(fā)射機(jī)，研究了發(fā)射機(jī)模塊之間的接口，給出了連接的方法和輔助電路，分析比較了前后仿真結(jié)果，芯片測(cè)試結(jié)果顯示發(fā)射機(jī)1dB壓縮點(diǎn)處輸出功率為0.5dBm，工作電流為14.2mA，功耗為25.56mW。測(cè)試結(jié)果表明，此款發(fā)射機(jī)芯片可用于ZigBee和802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中。
　　本文使用已測(cè)試驗(yàn)證的發(fā)射機(jī)集成了一個(gè)收發(fā)芯片

9、，分析設(shè)計(jì)了收發(fā)芯片所必需的模塊，其中包括帶隙基準(zhǔn)、穩(wěn)壓電源、ESD保護(hù)電路，還考慮了收發(fā)芯片的休眠，然后研究分析了收發(fā)芯片主要電路模塊的布局、電源與地的布局、焊盤(pán)引腳的布局，并且對(duì)這款收發(fā)芯片進(jìn)行了流片測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示收發(fā)芯片中發(fā)射機(jī)功率1dB壓縮點(diǎn)處輸出功率為0.5dBm，工作電流為14.3mA，功耗為25.74mW。此款收發(fā)芯片的發(fā)射機(jī)可用于ZigBee和802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中。
　　本文對(duì)應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)傳感器

10、網(wǎng)絡(luò)ZigBee和802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻發(fā)射芯片低功耗關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入地研究，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)指標(biāo)預(yù)算、具體電路模塊設(shè)計(jì)與測(cè)試、系統(tǒng)集成與測(cè)試等方面。在該過(guò)程中，圍繞著低功耗，對(duì)電路設(shè)計(jì)提出了多種新技術(shù)。運(yùn)用這些技術(shù)在TSMC0.18μmRFCMOS工藝下設(shè)計(jì)了發(fā)射機(jī)的主要模塊芯片、發(fā)射機(jī)芯片以及收發(fā)芯片。雖然設(shè)計(jì)的芯片是應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee和802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻發(fā)射芯片，但文中對(duì)射頻發(fā)射低功耗關(guān)鍵技術(shù)的研究與