射频前端复用电路及用于无线传感器网络的一体芯片

1.本发明涉及模拟集成电路技术领域，具体涉及一种射频前端复用电路及用于无线传感器网络的一体芯片。


背景技术：

2.近年来，随着传感器技术与无线通信技术的发展，以及物联网应用的逐步普及，用于无线传感器网络(wsns，wireless sensor networks)的芯片越来越受到人们的关注。wsns由多个节点构成，wsns技术的发展提出了节点小型化同时提升续航能力的要求。在wsns中，部分单元仅需要在短时间建立数据通信链路并完成数据交互，其空闲时间的待机功耗就造成了能量浪费。基于此，“事件驱动”型智能wsns节点成为热门研究对象。“事件驱动”型智能wsns节点的大部分电路通常处于休眠状态，但唤醒接收机(wurx，wake-up receiver)需要持续不断地监测来自其他节点的数据通信请求信号，一旦需要建立数据通信时，wurx便会输出使能信号来激活节点上的休眠模块。
3.唤醒接收机的使用可以极大降低无线传感网络中节点的功耗，但是其供电问题成为该领域亟需解决的问题，此外，无线传感器网络中的节点大多数使用电池供电，电池的体积严重制约着节点的小型化，并且电池的寿命严重限制着节点的维护周期和使用寿命。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种射频前端复用电路及用于无线传感器网络的一体芯片。
5.在本发明的第一方面提供一种射频前端复用电路，包括射频前端复用模块、rf-dc整流器和wurx自混频器，其中，所述射频前端复用模块分别连接所述rf-dc整流器和所述wurx自混频器，所述射频前端复用模块是所述rf-dc整流器前四级整流器和所述wurx自混频器前四级正向迪克森电荷泵的电路复用。
6.所述射频前端复用模块与所述rf-dc整流器连接形成的电路，用于射频能量获取，为后续电路系统提供直流电压。
7.所述射频前端复用模块与所述wurx自混频器连接形成的电路，用于将射频交流信号输入端ac
in
输入的由天线与匹配网络获取的射频交流信号进行自混频得到差分基带信号。
8.在本发明的一个实施例中，所述射频前端复用模块包括依次连接且电路结构相同的第一级迪克森整流器、第二级迪克森整流器、第三级迪克森整流器和第四级迪克森整流器，其中，所述第一级迪克森整流器包括开关管m3、开关管m4、电容c4、电容c5、电容c12和电容c13，其中，所述电容c4的第一端连接于所述射频交流信号输入端ac
in
，所述电容c4的第二端分别连接于所述开关管m3的漏极和所述开关管m4的源极；所述电容c5的第一端连接于接地端gnd，所述电容c5的第二端连接于所述开关管m4的漏极；所述电容c12和所述电容c13用于将输入的栅偏置电压v
gbias
采用ac耦合的形式添加给所述开关管m3和所述开关管m4，所述
电容c12的第一端连接于所述开关管m3的栅极和所述栅偏置电压v
gbias
的正极，所述电容c12的第二端连接于所述开关管m3的源极和所述栅偏置电压v
gbias
的负极；所述电容c13的第一端连接于所述开关管m4的栅极和所述栅偏置电压v
gbias
的正极，所述电容c13的第二端连接于所述开关管m4的源极和所述栅偏置电压v
gbias
的负极；所述开关管m3的衬底连接于所述开关管m4的漏极；所述开关管m4的衬底和漏极连接于所述第二级迪克森整流器；
9.所述第二级迪克森整流器包括开关管m5、开关管m6、电容c6、电容c7、电容c14和电容c15，所述开关管m5的漏极和所述开关管m6的源极连接所形成的节点与所述第一级迪克森整流器的所述开关管m4的衬底连接，所述开关管m5的源极与所述第一级迪克森整流器的所述开关管m4的漏极连接。
10.所述第四级迪克森整流器包括开关管m9、开关管m10、电容c10、电容c11、电容c18和电容c19，所述开关管m10的漏极和衬底与所述rf-dc整流器连接，所述开关管m10的漏极和所述wurx自混频器连接。
11.在本发明的一个实施例中，所述rf-dc整流器为单独一级整流器，包括开关管m1、开关管m2、电容c1、电容c2和电容c3，其中，所述电容c1的第一端连接于所述射频交流信号输入端ac
in
，所述电容c1的第二端分别连接于所述开关管m1的漏极、所述开关管m2的源极、栅极和衬底；所述电容c2的第一端连接于所述接地端gnd，所述电容c2的第二端分别连接于所述开关管m1的衬底、所述开关管m2的漏极和直流电压输出端v
dcout
；所述电容c3用于将输入的栅偏置电压v
gbias
采用ac耦合的形式添加给所述开关管m1，所述电容c3的第一端连接于所述开关管m1的栅极和所述栅偏置电压v
gbias
的正极，所述电容c3的第二端连接于所述开关管m1的源极和所述栅偏置电压v
gbias
的负极；所述开关管m1的源极连接于所述射频前端复用模块的所述开关管m10的漏极和所述电容c11之间的节点，所述开关管m1的漏极、所述开关管m2的源极和所述开关管m2的衬底之间的节点与所述射频前端复用模块的所述开关管m10的衬底连接。
12.在本发明的一个实施例中，所述wurx自混频器包括电阻r1、电阻r2、电容c20、电容c53、十六级正向迪克森电荷泵和二十级负向迪克森电荷泵。
13.所述十六级正向迪克森电荷泵依次连接且电路结构相同，所述十六级正向迪克森电荷泵中的第一级正向迪克森电荷泵包括电容c21、电容c22、开关管m11和开关管m12，其中，所述电容c21的第一端连接于所述射频交流信号输入端ac
in
，所述电容c21的第二端分别连接于所述开关管m11的漏极、所述开关管m12的源极和衬底；所述电容c22的第一端连接于接地端gnd，所述电容c22的第二端连接于开关管m12的漏极；所述开关管m11的栅极连接于所述电阻r1和所述栅偏置电压v
gbias
连接所形成的节点，所述开关管m11的源极和衬底之间的节点与所述射频前端复用模块的所述开关管m10的漏极和电容c11之间的节点连接；所述开关管m12的栅极连接于所述电阻r1和所述电容c20连接所形成的节点。
14.其他十五级正向迪克森电荷泵中每级正向迪克森电荷泵与所述第一级正向迪克森电荷泵电路结构相同，并且，从第二级正向迪克森电荷泵开始，每级正向迪克森电荷泵中分别包括两个开关管和两个电容，其中，所述两个开关管中第一个开关管的源极和衬底之间的节点连接于上一级正向迪克森电荷泵中第二个开关管的漏极，所述两个开关管中第二个开关管的漏极连接于下一级正向迪克森电荷泵中第一个开关管的源极和衬底之间的节点，最后一级正向迪克森电荷泵的第二个开关管的漏极连接于正差分基带信号输出端v
out
+。
15.所述二十级负向迪克森电荷泵依次连接且电路结构相同，所述二十级负向迪克森电荷泵中的第一级负向迪克森电荷泵包括电容c54、电容c55、开关管m43和开关管m44，其中，所述电容c54的第一端连接于所述射频交流信号输入端ac
in
，所述电容c54的第二端分别连接于所述开关管m43的源极和衬底以及所述开关管m44的漏极；所述电容c55的第一端连接于接地端gnd，所述电容c55的第二端分别连接于所述开关管m44的源极和衬底；所述开关管m43的栅极连接于所述电阻r2和所述电容c53连接所形成的节点，所述开关管m43的漏极连接于所述接地端gnd；所述开关管m44的栅极连接于所述电阻r2和栅偏置电压v
gbias
连接所形成的节点；
16.其他十九级负向迪克森电荷泵中每级负向迪克森电荷泵与所述第一级负向迪克森电荷泵具有相同的电路结构，并且，从第二级负向迪克森电荷泵开始，每级负向迪克森电荷泵均包括两个开关管和两个电容，每级负向迪克森电荷泵中的第一个开关管的漏极连接于上一级负向迪克森电荷泵中第二个开关管的源极和衬底连接所形成的节点，每级负向迪克森电荷泵中的第二个开关管的源极和衬底连接形成的节点均连接下一级负向迪克森电荷泵中第一个开关管的漏极，最后一级负向迪克森电荷泵的第二个开关管的源极和衬底连接所形成的节点连接于负差分基带信号输出端v
out-；
17.所述电容c20的第一端和所述电容c53的第一端连接于所述射频交流信号输入端ac
in
，所述电容c20的第二端连接于所述电阻r1的第一端，所述电容c20和所述电阻r1用于将输入的栅偏置电压v
gbias
采用dc耦合的形式添加给wurx自混频器103中所有正向迪克森电荷泵中的所有开关管；所述电容c53的第二端连接于所述电阻r2的第一端，所述电容c53和所述电阻r2用于将输入的栅偏置电压v
gbias
采用dc耦合的形式添加给wurx自混频器103中所有负向迪克森电荷泵中的所有开关管；所述电阻r1的第二端、所述电阻r2的第二端连接于所述栅偏置电压v
gbias
。
18.在本发明的一个实施例中，所述射频前端复用模块和所述rf-dc整流器中所有开关管的栅偏置电压为ac耦合栅偏置电压，所述wurx自混频器中所有开关管的栅偏置电压为dc耦合栅偏置电压。
19.在本发明的一个实施例中，所述射频前端复用电路包括多个开关管，所述开关管是nmos管，所述开关管的衬底电压能够改变。
20.在本发明的另一方面中，提供一种用于无线传感器网络的一体芯片，该用于无线传感器网络的一体芯片包括前面描述中的射频前端复用电路。
21.在本发明的一个实施例中，用于无线传感器网络的一体芯片还包括偏置与稳压电路和wurx基带信号处理模块，其中，所述偏置与稳压电路，连接于所述射频前端复用电路，根据所述射频前端复用电路所产生的直流电压dc
out
产生栅偏置电压v
gbias
，为所述rf-dc整流器、所述wurx自混频器和wurx基带信号处理模块提供供电电压与偏置；所述wurx基带信号处理模块与所述射频前端复用电路和偏置与稳压电路连接，用于根据差分基带信号产生唤醒信号。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
23.1、本发明通过将rf-dc整流器和wurx自混频器的电路复用并结合为射频前端复用电路，减小了电路的面积，通过输入射频交流信号，将射频交流信号进行整流转换为直流电
压，能够为后续电路提供直流电压，将射频交流信号进行自混频得到差分基带信号，并且，将输入的栅偏置电压v
gbias
通过ac耦合的形式添加给射频前端复用模块和rf-dc整流器提高了能量转换效率，将输入的栅偏置电压v
gbias
通过dc耦合的形式添加给wurx自混频器，通过调节栅偏置电压v
gbias
来调节开关管的阻抗实现最优的灵敏度，无需增加宽长比来提升灵敏度，抑制了寄生效应，避免了由于电荷泵级数过多所导致的电压过大而击穿开关管，同时，通过为wurx自混频器使用栅偏置自混频差分结构，提高了信噪比进一步提高了栅偏置自混频差分结构灵敏度。
24.2、本发明提供的用于无线传感器网络的一体芯片，通过将射频前端复用电路应用到用于无线传感器网络的一体芯片，仅需一个天线与匹配网络即可实现对射频前端复用电路中rf-dc整流器电路和wurx自混频器电路的射频信号输入，节省了一个天线与一个匹配网络的资源，同时减小了电路的面积，使得芯片的面积得到减小，将射频前端复用电路产生的直流电压通过偏置与稳压电路产生栅偏置电压v
gbias
，为射频前端复用电路和wurx基带信号处理模块提供合适的供电电压与偏置，在保证唤醒接收机的功能与射频能量获取的功能互不干扰的前提下，提高了将射频交流信号转化为直流电压的效率；解决了唤醒接收机的供电问题和无线传感器系统使用电池制约节点的小型化的问题；通过为wurx自混频器使用栅偏置自混频差分结构以及调节栅偏置电压v
gbias
来调节开关管的阻抗实现最优的灵敏度，无需增加宽长比来提升灵敏度，抑制了寄生效应，提高了唤醒接收机的灵敏度。
25.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
26.图1是本发明实施例提供的一种射频前端复用电路的结构框图；
27.图2是本发明实施例提供的一种射频前端复用电路的电路图；
28.图3是本发明实施例提供的一种用于无线传感器网络的一体芯片的结构框图；
29.图4是本发明实施例提供的一种用于无线传感器网络的一体芯片的电路图；
30.图5是本发明实施例提供的输入功率为-10dbm的射频交流信号用于无线传感器网络的一体芯片产生的直流电压dc
out
的射频能量获取仿真结果；
31.图6是本发明实施例提供的功率p
rf
为-65dbm的射频交流信号在用于无线传感器网络的一体芯片中唤醒接收机的功能仿真结果。
具体实施方式
32.为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的射频前端复用电路以及用于无线传感器网络的一体芯片进行详细说明。
33.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
34.应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存
在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
35.需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。
36.实施例一
37.请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种射频前端复用电路的结构框图，该射频前端复用电路包括射频前端复用模块101、rf-dc整流器102和wurx自混频器103，射频前端复用模块101分别连接rf-dc整流器102和wurx自混频器103，其中，射频前端复用模块101是rf-dc整流器102前四级整流器和wurx自混频器103前四级正向迪克森电荷泵的电路复用。射频前端复用模块101与rf-dc整流器102连接，用于进行射频能量获取，能够为后续电路系统提供直流电压；射频前端复用模块101与wurx自混频器103连接，用于将射频交流信号输入端ac
in
输入的由天线与匹配网络获取的射频交流信号进行自混频得到差分基带信号。
38.请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种射频前端复用电路的电路图，该射频前端复用电路还包括射频交流信号输入端ac
in
，天线与匹配网络获取射频交流信号，射频交流信号通过射频交流信号输入端ac
in
输入到该射频前端复用电路。
39.具体地，射频前端复用模块101包括依次连接且电路结构相同的第一级迪克森整流器、第二级迪克森整流器、第三级迪克森整流器和第四级迪克森整流器。
40.具体地，第一级迪克森整流器包括开关管m3、开关管m4、电容c4、电容c5、电容c12和电容c13。电容c4的第一端连接于射频交流信号输入端ac
in
，电容c4的第二端分别连接于开关管m3的漏极和开关管m4的源极，电容c5的第一端连接于接地端(gnd，ground)，电容c5的第二端连接于开关管m4的漏极。开关管m3的衬底连接于开关管m4的漏极，开关管m3的源极连接于接地端gnd；开关管m4的衬底连接于第二级迪克森整流器的开关管m5的漏极和第二级迪克森整流器的开关管m6的源极连接所形成的节点。
41.特别地，开关管m3的等效阈值电压是开关管m3的阈值电压减去开关管m3的栅漏电压所得的差值，开关管m4的等效阈值电压是开关管m4的阈值电压减去开关管m4的栅漏电压所得的差值。电容c12和电容c13用于将输入的栅偏置电压v
gbias
采用交流(ac，alternating current)耦合的形式添加给开关管m3和开关管m4，电容c12的第一端连接于开关管m3的栅极和栅偏置电压v
gbias
的正极，电容c12的第二端连接于开关管m3的源极和栅偏置电压v
gbias
的负极；电容c13的第一端连接于开关管m4的栅极和栅偏置电压v
gbias
的正极，电容c13的第二端连接于开关管m4的源极和栅偏置电压v
gbias
的负极，此外，开关管m4的漏极连接于第二级迪克森整流器的开关管m5的源极。
42.第二级迪克森整流器包括开关管m5、开关管m6、电容c6、电容c7、电容c14和电容c15，其连接结构与第一级迪克森整流器相同，开关管m6的漏极连接于第三级迪克森整流器的开关管m7的源极；第三级迪克森整流器与第一级迪克森整流器和第二级迪克森整流器电路结构相同，第三级迪克森整流器也包括两个开关管和四个电容，可以分别命名为开关管
m7、开关管m8、电容c8、电容c9、电容c16和电容c17，其中，开关管m8的漏极连接于第四级迪克森整流器。
43.第四级迪克森整流器包括开关管m9、开关管m10、电容c10、电容c11、电容c18和电容c19，开关管m9的源极与第三级迪克森整流器的开关管m8连接，第四级迪克森整流器的开关管m10的漏极和衬底与rf-dc整流器102连接，开关管m10的漏极和wurx自混频器103连接。
44.优选地，射频前端复用模块101中所有的开关管均是nmos管，其衬底电压均能够被改变。
45.进一步地，rf-dc整流器102为单独一级整流器，包括开关管m1、开关管m2、电容c1、电容c2和电容c3，其中，电容c1的第一端连接射频交流信号的输入端ac
in
，电容c1的第二端分别连接开关管m1的漏极、开关管m2的源极、栅极和衬底；电容c2的第一端连接接地端(gnd，ground)，电容c2的第二端分别连接于开关管m1的衬底、开关管m2的漏极和直流电压输出端v
dcout
；电容c3的第一端连接于开关管m1的栅极和栅偏置电压v
gbias
的正极，电容c3的第二端连接于开关管m1的源极和栅偏置电压v
gbias
的负极，开关管m1的源极连接于射频前端复用模块101的开关管m10的漏极，开关管m1的漏极、开关管m2的源极和开关管m2的衬底之间的节点与射频前端复用模块101的开关管m10的衬底连接。
46.特别地，开关管m1的等效阈值电压是开关管m1的阈值电压减去开关管m1的栅漏电压所得的差值。电容c3用于将输入的栅偏置电压v
gbias
采用ac耦合的形式添加给开关管m1，栅偏置电压v
gbias
用于补偿开关管m1的等效阈值电压，以提高射频能量获取效率。
47.优选地，开关管m1和开关管m2均是nmos管，其衬底电压均能够被改变。
48.进一步地，wurx自混频器103使用栅偏置自混频差分结构，包括电阻r1、电阻r2、电容c20、电容c53、十六级正向迪克森电荷泵和二十级负向迪克森电荷泵。
49.具体地，第一级正向迪克森电荷泵包括电容c21、电容c22、开关管m11和开关管m12，其中，开关管m11的源极和衬底之间的节点与射频前端复用模块101的开关管m10的漏极和电容c11之间的节点连接，电容c21的第一端连接于射频交流信号输入端ac
in
，电容c21的第二端分别连接于开关管m11的漏极、开关管m12的源极和衬底。电容c22的第一端连接于接地端gnd，电容c22的第二端连接于开关管m12的漏极；开关管m11的栅极连接于电阻r1和栅偏置电压v
gbias
；开关管m12的栅极连接于电阻r1和电容c20。
50.类似地，其他十五级正向迪克森电荷泵与第一级正向迪克森电荷泵电路结构相同，并且，从第二级正向迪克森电荷泵开始，每级正向迪克森电荷泵中分别包括两个开关管和两个电容，其中，两个开关管中第一个开关管的源极和衬底之间的节点连接于上一级正向迪克森电荷泵中第二个开关管的漏极，两个开关管中第二个开关管的漏极连接下一级正向迪克森电荷泵中第一个开关管的源极和衬底之间的节点，最后一级正向迪克森电荷泵的第二个开关管的漏极连接于正差分基带信号输出端v
out
+。
51.第一级负向迪克森电荷泵包括电容c54、电容c55、开关管m43和开关管m44。具体地，电容c54的第一端连接于射频交流信号输入端ac
in
，电容c54的第二端分别连接于开关管m43的源极和衬底以及开关管m44的漏极；电容c55的第一端连接于接地端gnd，电容c55的第二端分别连接于开关管m44的源极和衬底；开关管m43的栅极连接于电阻r2和电容c53连接所形成的节点，开关管m43的漏极连接于接地端gnd；开关管m44的栅极连接于电阻r2和栅偏置电压v
gbias
连接所形成的节点。
52.类似地，其他十九级负向迪克森电荷泵中每级负向迪克森电荷泵与第一级负向迪克森电荷泵具有相同的电路结构，并且，从第二级负向迪克森电荷泵开始，每级负向迪克森电荷泵均包括两个开关管和两个电容，每级负向迪克森电荷泵中的第一个开关管的漏极连接于上一级负向迪克森电荷泵中第二个开关管的源极和衬底连接所形成的节点，每级负向迪克森电荷泵中的第二个开关管的源极和衬底连接形成的节点均连接下一级负向迪克森电荷泵中第一个开关管的漏极，最后一级负向迪克森电荷泵的第二个开关管的源极和衬底连接所形成的节点连接于负差分基带信号输出端v
out-。
53.此外，电容c20和电容c53的第一端连接于射频交流信号输入端ac
in
，电容c20的第二端连接于电阻r1的第一端，电容c53的第二端连接于电阻r2的第一端，电阻r1的第二端、电阻r2的第二端连接于栅偏置电压v
gbias
。
54.特别地，电阻r1和电容c20用于将输入的栅偏置电压v
gbias
采用直流(dc,direct current)耦合的形式提供给wurx自混频器103中所有正向迪克森电荷泵中的所有开关管，通过调节栅偏置电压v
gbias
来调节开关管的阻抗进而提高栅偏置自混频差分结构的灵敏度；电阻r2和电容c53用于将外部输入的栅偏置电压v
gbias
采用dc耦合的形式提供给wurx自混频器103中所有负向迪克森电荷泵中的开关管，通过调节栅偏置电压v
gbias
来调节开关管的阻抗进而提高栅偏置自混频差分结构的灵敏度，无需增加开关管的宽长比来调节阻抗来实现灵敏度的提高，抑制了寄生效应，同时避免了wurx自混频器103由于电荷泵级数过多所导致的电压过大从而击穿开关管。
55.优选地，wurx自混频器103中的所有开关管均是nmos管，其衬底电压均能够被改变。
56.本实施例所提供的射频前端复用电路，在射频交流信号输入端ac
in
输入射频交流信号后，射频前端复用模块101与rf-dc整流器102相连接，将射频交流信号转换为直流电压dc
out
，实现了射频能量获取，能够为后续电路系统提供直流电压。同时，射频前端复用模块101与wurx自混频器103相连接，将射频交流信号进行自混频得到差分基带信号，差分基带信号包括正差分基带信号v+和负差分基带信号v-，正差分基带信号v+通过wurx自混频器103的正差分基带信号输出端v
out
+输出，负差分基带信号v-通过wurx自混频器103的负差分基带信号输出端v
out-输出。
57.此外，射频前端复用模块101是rf-dc整流器102和wurx自混频器103的复用电路，射频前端复用模块101是rf-dc整流器102前四级整流器和wurx自混频器103前四级正向迪克森电荷泵的电路复用，在保证射频能量获取与提供差分基带信号功能互不干扰的前提下减小了整体电路面积。
58.进一步地，通过为射频前端复用电路添加外部输入的栅偏置电压v
gbias
，并通过ac耦合的形式将栅偏置电压v
gbias
添加给射频前端复用模块101和rf-dc整流器102，提高了能量转换效率，即提高了将射频交流信号转化为直流电压的效率；通过为wurx自混频器103使用栅偏置自混频差分结构以及以dc耦合的形式将栅偏置电压v
gbias
添加给wurx自混频器103提高了差分基带信号灵敏度，同时避免wurx自混频器103由于电荷泵级数过多所导致的电压过大从而击穿开关管。
59.实施例二
60.在实施例一的基础上，本实施例提供了一种用于无线传感器网络的一体芯片。
61.请参见图3，图3是本发明实施例提供的一种用于无线传感器网络的一体芯片的结构框图，该用于无线传感器网络的一体芯片包括射频前端复用电路、偏置与稳压电路104、wurx基带信号处理模块105。
62.射频前端复用电路包括射频前端复用模块101、rf-dc整流器102和wurx自混频器103，射频前端复用模块101是rf-dc整流器102前四级整流器和wurx自混频器103前四级正向迪克森电荷泵的电路复用，射频前端复用模块101分别连接于rf-dc整流器102和wurx自混频器103，rf-dc整流器102的直流电压输出端v
dcout
与偏置与稳压电路104连接，wurx自混频器103的正差分基带信号输出端v
out
+和负差分基带信号输出端v
out-与wurx基带信号处理模块105相连接，此外，wurx基带信号处理模块105还连接于偏置与稳压电路104。
63.具体地，射频前端复用模块101、rf-dc整流器102、偏置与稳压电路104用于射频能量获取。天线与匹配网络获取射频交流信号后，将射频交流信号通过射频交流信号输入端ac
in
输入到射频前端复用电路，射频前端复用模块101与rf-dc整流器102连接，用于将射频交流信号转化为直流电压dc
out
，偏置与稳压电路104通过rf-dc整流器102输出的直流电压dc
out
产生栅偏置电压v
gbias
，为射频前端复用模块101和rf-dc整流器102提供栅偏置电压v
gbias
，射频前端复用模块101和rf-dc整流器102将该栅偏置电压v
gbias
以ac耦合的形式添加到对应电路中，同时，偏置与稳压电路104还用于为wurx基带信号处理模块105提供电压和偏置，实现了无线传感器网络的一体芯片的自供电。
64.射频前端复用模块101、wurx自混频器103与wurx基带信号处理模块105用于作为无线传感器网络的一体芯片的唤醒接收机(wurx，wake-up receiver)。具体地，射频前端复用模块101与wurx自混频器103连接，用于将射频交流信号进行自混频，得到差分基带信号，包括正差分基带信号v+和负差分基带信号v-。进一步地，wurx自混频器103接收偏置与稳压电路104产生的栅偏置电压v
gbias
，并以dc耦合的形式将该栅偏置电压v
gbias
添加到电路中，提高了差分基带信号的灵敏度，wurx自混频器103将得到的正差分基带信号v+和负差分基带信号v-输出到wurx基带信号处理模块105，wurx基带信号处理模块105产生唤醒信号，唤醒无线传感器网络节点的其余模块，从而实现唤醒接收机功能。
65.本实施例提供的用于无线传感器网络的一体芯片，通过应用前述的射频前端复用电路，实现了对射频能量获取功能和唤醒接收机功能电路的复用，实现了天线与匹配网络的复用，节省了一个天线与一个匹配网络，使得无线传感器网络的一体芯片的整体面积得到减小，通过为射频前端复用电路以ac耦合的形式提供栅偏置电压提高了能量转换效率，通过为wurx自混频器103使用栅偏置自混频差分结构以及通过以dc耦合的形式添加并调节栅偏置电压v
gbias
来调节开关管的阻抗实现唤醒接收机的最优灵敏度，无需增加宽长比实现灵敏度，抑制了寄生效应，同时避免唤醒接收机由于电荷泵级数过多所导致的电压过大从而击穿开关管。
66.请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种用于无线传感器网络的一体芯片的电路图，其中，该用于无线传感器网络的一体芯片所包含的射频前端复用电路是本发明图2的缩略简图，其电路连接结构与图2一致。
67.特别地，射频前端复用模块101与rf-dc整流器102连接将射频交流信号转化为直流电压dc
out
并输出给偏置与稳压电路104，偏置与稳压电路104通过直流电压dc
out
产生的栅偏置电压v
gbias
替换前述射频前端复用电路中外部输入的栅偏置电压v
gbias
，并以ac耦合的
形式将栅偏置电压v
gbias
添加到前端复用模块101和rf-dc整流器102，与前述射频前端复用电路相同，以ac耦合形式添加的栅偏置电压v
gbias
用于补偿电路中对应开关管的等效阈值电压，以提高将射频交流信号转化为直流电压的效率。
68.特别地，wurx基带信号处理模块105接收wurx自混频器103的差分基带信号，并根据差分基带信号产生唤醒信号。偏置与稳压电路104通过直流电压dc
out
产生的栅偏置电压v
gbias
替换前述射频前端复用电路中外部输入的栅偏置电压v
gbias
，为wurx自混频器103以dc耦合的形式添加栅偏置电压v
gbias
，提高了差分基带信号灵敏度，进而提高了唤醒接收机的灵敏度。同时避免唤醒接收机由于电荷泵级数过多所导致的电压过大从而击穿开关管。
69.传统的的射频能量获取和唤醒接收系统，由于唤醒接收芯片的频率与射频能量获取芯片的工作频率不相同，射频能量获取功能和唤醒接收机功能往往需要使用两个单独的芯片来实现，每个芯片需要单独的天线与匹配网络。本发明通过采用同一个工作频率，使用分时复用整流和解调策略，即射频能量获取功能和唤醒接收机功能交替进行，具体地，在输入射频交流信号大时实现射频交流信号到直流电压的转换，在输入射频交流信号小时实现信号的自混频，实现了将射频能量获取功能和唤醒接收机功能芯片一体化，节省一个天线与匹配网络，并通过对rf-dc整流器与wurx自混频器的电路进行复用，有效的减小了芯片的面积和功耗。
70.以下结合公式对本技术进行说明，若未特别指出，所有开关管均相同，所有开关管的参数值均相同，以下开关管均指单独开关管以及单独开关管的参数值。
71.用于无线传感器网络的一体芯片中的射频前端复用电路中所包含的开关管m11以及后续开关管的栅极直流电压为v
gbias
，这个值比较小，通常只有100多mv。当需要唤醒接收机工作时，输入的射频交流信号峰峰值较小，例如射频交流信号的峰峰值为0mv～10mv之间，开关管m10的漏极、开关管m11衬底和开关管m11源极连接所形成的节点的直流电压v11约为0v，栅偏置电压v
gbias
可以帮助开关管m11以及后续的开关管导通。当射频前端复用模块101和rf-dc整流器102需要进行射频能量获取时，输入的射频交流信号峰峰值较大，例如射频交流信号的峰峰值大于40mv，100多mv的栅偏置电压v
gbias
可以使开关管m11及后续开关管处于截止区，限制了后续电流的大小，从而避免后续节点电压过高导致开关管被击穿。
72.在射频能量获取中，通常用功率转换效率(pce，power conversion efficiency)来衡量射频交流信号转化为直流电压的能力，高的pce转换意味着射频前端复用模块101和rf-dc整流器102在射频交流信号到直流电压的转化中，损失的能量少。其中，pce被定义为：
[0073][0074]
其中，p
rf,in
是射频交流信号的输入功率，从天线上获得；输出功率p
out
是负载电路消耗的功率，与rf-dc整流器102输出的直流电压dc
out
正相关，因此，pce与输出的直流电压dc
out
正相关。
[0075]
通过输入天线和匹配网络从环境中获取射频交流信号，射频前端复用模块101和rf-dc整流器102将该射频交流信号转化为直流电压dc
out
。对于rf-dc整流器102，其输出的直流电压dc
out
为：
[0076]
dc
out
；2n(v
rf-v
th
+v
bth
)＝2n(v
rf-v
theq
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0077]
其中，n为射频前端复用模块101和rf-dc整流器102中整流器级数之和，v
rf
为输入
的射频交流信号的振幅，v
th
是开关管的阈值电压，v
bth
为开关管的栅漏电压。开关管的等效阈值电压v
theq
＝v
th-v
bth
，由于pce与输出的直流电压dc
out
正相关，因此，根据公式(2)，制约pce的重要因素是开关管的等效阈值电压v
theq
。尤其是，当输入的射频交流信号幅值较小时，与开关管的等效阈值接近时，等效阈值对输出的直流电压dc
out
的干扰极为严重，射频前端复用模块101与rf-dc整流器102的功率转换效率也会大大降低。为了提高pce，本技术提出了使用了栅偏置电压v
gbias
作为v
bth
，通过增大栅偏置电压减小等效阈值电压。添加了栅偏置电压后，开关管的等效阈值电压可以极大程度降低，从而直流电压dc
out
得到提升，进而pce得到了极大的提升。同时，为了避免使用体积庞大的片外电阻链，采用ac耦合的形式将v
gbias
添加到各个开关管上，进一步减少了电路整体面积。
[0078]
此外，当nmos开关管的衬底电压高于其源电压时，开关管的阈值电压将下降。基于该思想，图2中开关管m1、开关管m3至开关管m10的衬底被接到了电压更高的节点，进一步降低阈值电压。此外，由于开关管m2后的电容c2为储能电容，为了尽可能减小开关管m2漏电，因此，不为开关管m2添加栅偏置电压。
[0079]
请参见图5，图5是本发明实施例提供的输入功率为-10dbm的射频交流信号用于无线传感器网络的一体芯片产生的直流电压dc
out
的射频能量获取仿真结果。其中，输入的射频交流信号通过射频前端复用模块101和rf-dc整流器102和偏置与稳压电路104产生直流电压dc
out
。
[0080]
当需要唤醒接收机工作时，输入的射频交流信号的峰峰值为0mv～10mv之间，开关管m10的漏极、开关管m11衬底和开关管m11源极连接所形成的节点的直流电压v11约为0v，栅偏置电压v
gbias
可以帮助开关管m11以及后续的晶体管导通。当需要射频前端复用模块101和rf-dc整流器102进行射频能量获取时，输入的射频交流信号的峰峰值大于40mv，100多mv的栅偏置电压v
gbias
可以使得晶体管处于截止区，限制了后续电流的大小，从而避免后续节点电压过高导致晶体管被击穿。
[0081]
射频前端复用模块101、wurx自混频器103与wurx基带信号处理模块105用于作为无线传感器网络的一体芯片的唤醒接收机，输入天线与匹配网络获取的射频交流信号后，射频前端复用模块101和wurx自混频器103将射频交流信号进行自混频，得到正差分基带信号v+和负差分基带信号v-并将该正差分基带信号v+和负差分基带信号v-输出到wurx基带信号处理模块105，进而wurx基带信号处理模块105产生唤醒信号，唤醒无线传感器网络的节点其余模块。灵敏度是检验唤醒接收机的重要指标，由于灵敏度与信噪比(snr，signal-noise ratio)成正比，因此采用信噪比来分析灵敏度。
[0082]
通常，wurx自混频器103使用普通单端包络检波器结构，其信噪比snr
ed
如公式(3)所示，
[0083][0084]
其中，k为玻尔兹曼常数，t为绝对温度，n为包络检波器电荷泵级数，k
ed
为转换增益因子，bn为包络检波器输出的等效噪声带宽，rd为开关管的阻抗，v
in,rf
为射频交流信号的电压，μd为开关管本身的开路电压灵敏度。
[0085]
而对于本实施例提出的wurx自混频器103使用栅偏置自混频差分结构，其信噪比
snr
diff-ed
为
[0086][0087]
其中，为栅偏置自混频差分结构的输出噪声，n为本实施例中射频前端复用模块101的整流器级数与wurx自混频器103的电荷泵级数之和，k
diff-ed
为转换增益因子，bn为包络检波器输出的等效噪声带宽，rd为开关管的阻抗，v
in,rf
为射频交流信号的电压，μd为开关管本身的开路电压灵敏度。
[0088]
对比公式(3)和(4)，可以看出本实施例的栅偏置自混频差分结构的snr是普通单端包络检波器结构的snr的两倍，即灵敏度提升2倍。
[0089]
此外，栅偏置自混频差分结构可以进一步提升唤醒接收机的灵敏度，从公式(4)可以看出唤醒接收机的灵敏度与开关管的阻抗rd成反比，存在一个rd值，如r
d,best
，使得唤醒接收机的灵敏度最优。在本实施例中，开关管的阻抗rd为
[0090][0091]
其中，v
t
为开关管的热电压，其等于kt/q；w/l为开关管的宽长比；i
t
是开关管的漏端电流，其取值为当开关管的栅源电压v
gs
等于阈值电压v
th
，w/l等于1，室温下v
t
大约为26mv，并且开关管的源漏电压v
ds
远大于热电压v
t
时的漏端电流，因此，i
t
的取值与工艺参数相关。η为亚阈值斜率系数，其取值与工艺参数和偏置电压均有关，典型值一般在1.2～1.5之间，v
th
是开关管的阈值电压，v
gbias
为开关管的栅偏置v
gbias
。
[0092]
现有技术中，不存在添加栅偏置v
gbias
来减小开关管的阻抗rd的方案，因此必须通过增大开关管尺寸w/l来减少开关管的阻抗rd。但是增大开关管尺寸会导致输入电容过大，减小匹配网络增益，导致灵敏度下降。从公式(5)得知，不需要增加w/l，开关管的阻抗rd可以通过调节v
gbias
得到r
d,best
使得唤醒接收机的灵敏度最优。
[0093]
请参见图6，图6是本发明实施例提供的功率p
rf
为-65dbm的射频交流信号在用于无线传感器网络的一体芯片中唤醒接收机的功能仿真结果。唤醒接收机的整体功能描述为当唤醒接收机接收到唤醒信号并恢复出唤醒码以后，其中的数字相关器对唤醒码进行识别匹配，若匹配成功，则输出一个唤醒使能脉冲。
[0094]
其中调制信号的调制形式为ook调制，载波信号频率为434mhz，数据传输速率为250bps(即单个码元的持续周期为4ms)。从图6可以看出，输入ook调制信号携带的8bit唤醒码信息为“10101100”，在接收到唤醒信号并经过一定的延迟时间后，唤醒接收机正确地恢复出了唤醒码数据。此外，从图中的dff采样时钟波形可以看到采样频率为2倍过采样，因而数字相关器中对应设置的过采样码书位数为16bit，在本实例中，其被设置为“1100110011110000”。数字相关器将恢复出的唤醒码数据与设置的码书进行比较匹配，因为是完全匹配的，所以在匹配完成后唤醒接收机正确地输出了唤醒使能脉冲。
[0095]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明的限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同
替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
[0096]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。