一种用于NBIOT的低功耗高线性度输出功率可调节的电流模发射机的制作方法

本发明属于无线通信系统中射频发射机系统架构和电路领域，重点是涉及物联网通信系统，特别是nbiot通信系统中无线发射机的系统架构设计和电路设计。

背景技术：

随着移动通信技术的发展,互联网逐步往物网方向转换,作为物联网技术的nbiot标准得到广泛应用.nbiot系统具有功耗特别低，小区容量特别大，链路增益特别高，成本特别低等特点。

传统的nbiot射频发射机将基带处理器中的低频低速数字信号通过模数转换器转为模拟信号，然后经过滤波器滤除不需要的频率，再通过上混频器将模拟基带信号转换为射频信号，最后通过功率放大器放大后发射到天线。

由于nbiot小区容量大，为了避免设备之间相互干扰，因此对线性度有较高要求，又因为nbiot系统电池待机时长通常在几年，因此要求系统功耗很低。因此既要保证较高的线性度，又要兼顾低功耗。传统nbiot结构发射机如图1所示，采用电压传输模式，线性度比较差，为了提高线性度，就需要增大电流，因此功耗也比较大。本发明提出的电流模式发射机很好的解决了上述缺点。

并且nbiot系统要求输出功率可以调节，传统电压模式发射机通过控制功率放大器偏置电压或者电源电压来做功率控制，精度不高，电流模式的发射机，其输出电流可以精确控制，因此输出功率也可以得到相对精确的控制。

技术实现要素：

本发明实现了一种用于nbiot系统中的低功耗高线性度输出功率可调节的电流模发射机。采用标准cmos工艺，并在tsmc40nm和smic55nm流片得以验证。

一种用于nbiot系统中的低功耗高线性度输出功率可调节的电流模发射机包括：其中输入data_i和data_q信号与电流舵数模转换器的输入相连，输出dac_ip，dac_in，dac_qp，dac_qn；dac的四路输出与陷波滤波器输入相连,输出ip1，in1，qp1，qn1；再经由电流放大器放大输出ip2,in2,qp2,qn2；这四路输出再与功率混频器的输入相连，输出rf_outp和rf_outn；功率混频器的输出与变压器相连，变压器的输出与天线相连。

所述电流舵数模转换器由pmos管pm1管，pm2管，pm3管，pm4管，pm5管，pm6管，pm7管，pm8管，pm9管，pm10管，pm11管，pm12管，pm13管，pm14管，pm15管，pm16管，pm17管，pm18管，pm19管和pm20管构成；pm1管的源极，pm2管的源极，pm3管的源极，pm4管的源极和pm5管的源极都接电源avdd16；pm1管的栅极，pm2管的栅极，pm3管的栅极，pm4管的栅极和pm5管的栅极都接偏置电压avp；pm1管的漏极接pm6管的源极；pm2管的漏极接pm7管的源极；pm3管的漏极接pm8管的源极；pm4管的漏极接pm9管的源极；pm5管的漏极接pm10管的源极；pm6管的栅极，pm7管的栅极，pm8管的栅极，pm9管的栅极和pm10管的栅极都接偏置电压bp_cas；pm6管的漏极与pm11管的源极和pm12管的源极相连接；pm7管的漏极与pm13管的源极和pm14管的源极相连接；pm8管的漏极与pm15管的源极和pm16管的源极相连接；pm9管的漏极与pm17管的源极和pm18管的源极相连接；pm10管的漏极与pm19管的源极和pm20管的源极相连接；pm11管的栅极，pm13管的栅极，pm15管的栅极，pm17管的栅极，pm19管的栅极都接控制信号swp；pm12管的栅极，pm14管的栅极，pm16管的栅极，pm18管的栅极和pm20管的栅极都接控制信号swn；pm11管的漏极，pm13管的漏极，pm15管的漏极，pm17管的漏极与pm19管的漏极相连接，其节点作为电流舵数模转换器的输出ioutp；pm12管的漏极，pm14管的漏极，pm16管的漏极，pm18管的漏极与pm20管的漏极相连接，其节点作为电流舵数模转换器的另一输出ioutn。

所述陷波滤波器由电阻r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8，r9和电容c1，c2，c3，c4，c5，c6，c8构成；r1与c5串联，节点作为陷波滤波器的输入端in；r1的另一端连接c1；c5的另一端连接r6，r7，c6；c6的另一端与r2，r3，c7相连；r2的另一端与c2相连；r3的另一端与c3相连；c7的另一端连接r8，r9和c8；c8的另一端连接r4和r5；r4的另一端连接c4；r5的另一端作为陷波滤波器的输出端out；c1的另一端，c2的另一端，c3的另一端，c4的另一端，r6的另一端，r7的另一端，r8的另一端和r9的另一端都连接衬底avss。

所述电流放大器由nmos管nm1，nm2，nm3，nm4，nm5，nm6，nm7，nm8，nm9，nm10构成；nm2管的栅极，nm3管的漏极和nm4管的漏极都接电源vdd12；nm3管的栅极和nm4管的栅极都连接偏置电压vb1；nm3管的源极与nm1管的漏极和nm5管的漏极相连接，其节点作为电流放大器的输入端iin；nm1管的源极连接nm2管的漏极；nm5管的源极与nm1管的栅极，nm7管的漏极和nm9管的栅极相连接；nm5管的栅极和nm6管的栅极都连接偏置电压vb2；nm4管的源极连接nm6管的漏极；nm6管的源极与nm7管的栅极，nm8管的栅极和nm8管的漏极相连接；nm9管的栅极作为电流放大器的输出端iout；nm9管的源极连接nm10管的漏极；nm10管的栅极连接控制信号vcode；nm2管的源极，nm7管的源极，nm8管的源极和nm10管的源极都接地gnd。

所述功率混频器由电阻r1，r2，r3，电容c1，c2，nmos管nm1，nm2，nm3，nm4，nm5，nm6构成；r1的一端连接电源vdd；r1的另一端与nm1管的栅极和nm2管的栅极相连接；nm1管的漏极作为功率混频器的输出rf_outp；nm2管的漏极作为功率混频器的另一输出rf_outn；nm1管的源极与nm3管的漏极和nm5管的漏极相连接；nm2管的源极与nm6管的漏极和nm4管的漏极相连接；nm3管的栅极与nm6管的栅极，c1和r2相连接，其节点标记为lop；nm4管的栅极与nm5管的栅极，c2和r3相连接，其节点标记为lon；c1的另一端接本振信号lo_ip；c2的另一端接本振信号lo_in；r2的另一端和r3的另一端接本振信号的偏置电压lo_bias；nm3管的源极和nm4管的源极相连，其节点作为功率混频器的输入i_inp；nm5管的源极和nm6管的源极相连，其节点作为功率混频器的另一输入i_inn。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中；

图1传统电压模式发射机；

图2为本发明一种用于nbiot系统中的低功耗高线性度输出功率可调节的电流模发射机整体框图；

图3为本发明一种用于nbiot系统中的低功耗高线性度输出功率可调节的电流模发射机电流舵数模转换器；

图4为本发明一种用于nbiot系统中的低功耗高线性度输出功率可调节的电流模发射机陷波滤波器；

图5为本发明一种用于nbiot系统中的低功耗高线性度输出功率可调节的电流模发射机电流放大器；

图6为本发明一种用于nbiot系统中的低功耗高线性度输出功率可调节的电流模发射机功率混频器。

具体实施方式

结合图2-图6所示，在下面的实施例中，所述一种用于nbiot系统中的低功耗高线性度输出功率可调节的电流模发射机包括：其中来自基带信号处理器的输入data_i和data_q信号与电流舵数模转换器的输入相连，通过电流舵数模转换器将数字基带iq正交信号data_i和data_q转换成正交差分的模拟信号dac_ip，dac_in，dac_qp，dac_qn；dac的四路输出dac_ip，dac_in，dac_qp，dac_qn与陷波滤波器输入相连,陷波滤波器由两级串联的rccr网络组成，陷波频率设置在数模转换器采样频率，两级串联的rccr网络陷波滤波器对采样频率信号抑制高达90dbc，充分滤除dac输出信号中采样时钟的干扰。陷波滤波器的输出ip1，in1，qp1，qn1再经由电流放大器放大输出，电流放大器将输入的被陷波滤波器滤波后的dac输出电流线性放大1-64倍，放大倍数由控制字调节。通过调节即可实现输出功率的调节。电流放大器的输出ip2,in2,qp2,qn2，这四路信号再与功率混频器的输入相连，在功率混频器中与本地振荡器产生的本地振荡信号lo_in,lo_ip相乘，输出rf_outp和rf_outn；功率混频器的输出rf_outp和rf_outn变压器相连，变压器将天线的特征阻抗50ohm变换到功率混频器所需要的负载阻抗，并实现单端到差分的转换。本发明功率混频器输出功率10dbm，采用1：1的变压器实现。在整个发射机信号传输过程中，由于是传输电流信号，信号电压摆幅小，因此不会受限于低电源电压对线性度的约束，可以实现高线性度的发射。

所述电流舵数模转换器由pmos管pm1管，pm2管，pm3管，pm4管，pm5管，pm6管，pm7管，pm8管，pm9管，pm10管，pm11管，pm12管，pm13管，pm14管，pm15管，pm16管，pm17管，pm18管，pm19管和pm20管构成；其中pm5,pm10,pm19,pm20组成基准尺寸命名为1x，由数模转换器最低位控制信号swp<0>,swn<0>控制,pm4,pm9,pm17,pm18这四个pmos管宽长比是基准尺寸的2倍，命名为2x，由次低位控制信号swp<1>,swn<1>控制，pm3,pm8,pm15,pm16这四个pmos管的尺寸为基准尺寸的4倍，命名为4x，由控制信号swp<2>,swn<2>控制，pm2,pm7,pm13,pm14这四个pmos管的尺寸为基准尺寸的8倍，命名为8x，由控制信号swp<3>,swn<3>控制，pm1,pm6,pm11,pm12这四个pmos组成的cell重复64份，由数模转换器swp<9:4>，swn<9:4>控制。

所述陷波滤波器由电阻r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8，r9和电容c1，c2，c3，c4，c5，c6，c8构成；其中r1,r2,c1,c2,c5,c6,r6,r7组成第一级陷波滤波器，r3,r4,r8,r9,c3,c4,c7,c8组成第二级陷波滤波器，第一级陷波滤波器中心频率设置成高于数模转换器采样频率，第二级陷波滤波器中心频率设置成低于数模转换器采样频率，两级串联陷波滤波器提供对采样频率90dbc抑制。

所述电流放大器由nmos管nm1，nm2，nm3，nm4，nm5，nm6，nm7，nm8，nm9，nm10构成；其中，nm9管和nm10管的个数是nm1管和nm2管个数的64倍，nm10管的栅极接控制信号vcode,这个信号为0v或者1.2v，调节nm10管的工作截止状态，分别打开这64倍的管子，来使输出电流从1倍inn变化到64倍inn，从而实现电流放大的功能，最终控制输出功率。

所述功率混频器由电阻r1，r2，r3，电容c1，c2，nmos管nm1，nm2，nm3，nm4，nm5，nm6构成；其中c1,c2为本振信号隔直电容，r1,r2，r3为偏置电阻，其中r2,r3为本地振荡信号提供偏置，r1为功率混频器的保护管nm1,nm2提供偏置。

本发明提出了一种用于nbiot系统中的低功耗高线性度输出功率可调节的电流模发射机，可以实现nbiot的信号从基带到射频的转换，并且放大后从天线发射出去的功能。具有功耗低，线性度高，输出功率可调节的功能。

虽然本发明利用具体的实施例进行说明，但是对实施例的说明并不限制本发明的范围。本领域内的熟练技术人员通过参考本发明的说明，在不背离本发明的精神和范围的情况下，容易进行各种修改或者可以对实施例进行组合，这些也应视为本发明的保护范围。