一种无源无晶振的GFSK发射机芯片

本发明属于集成电路技术设计领域，涉及一种无源无晶振的gfsk发射机芯片。

背景技术：

1、物联网通过不断发展已经扩展到家庭自动化、个人健康和工业监控应用中，帮助人们提高效率、安全性和生活质量。无线通信通常会消耗这些设备的很大一部分能量预算。特别是，工业监测系统的能源受到高度限制，它们一般需要数十年长的寿命，所以应该使用可收集的能源。为了覆盖基站数量有限的典型工业环境，需要几十米的相对长距离通信，需要高输出功率。总的来说，这些看似矛盾的规范可以在低占空比的情况下得到满足，在这种情况下，传感器节点以较长的数据包间隔传输，从而降低了平均功率。对于许多低带宽工业监控应用来说尤其如此。例如，监测电机健康状况的传感器只需要每隔几小时或每天测量一次。同样，监测温度或挥发性气体存在的传感器只需要在发生变化时进行通信，这是一个缓慢变化的过程。这激发了针对超低占空比优化的发射机设计。

2、高斯频移键控（gfsk）是一种连续相位的频移键控调制技术，其具有容易实现、适用频带宽、抗干扰能力强、抑制带外辐射、压缩信号功率等特点，广泛应用于低数据速率和低成本的个人无线音频、视频传输系统和现代通信设备中，例如蓝牙和ieee802.11协议。传统的gfsk发射机是利用混频器将通过高斯低通滤波器并作适当相位积分运算后的数字信号与正交的载波信号相乘后再相加的过程，具有功耗高的特点。而直接调制可以将数字信号经过高斯低通滤波器后，直接对射频载波进行模拟调频，通常调制信号都是加在锁相环频率合成器的压控振荡器上，可以做到结构简单以及低功耗。

3、在gfsk直接调制的实现中，为了实现更加精细的频率分辨率以满足某些协议的频偏要求，比如蓝牙协议（ble4.0）中要求频偏为250khz，锁相环一般采用分数分频的模式。在分数分频锁相环中，σ-△调制器产生的量化噪声需要通过锁相环反馈回路的低通作用进行滤波，通过降低锁相环带宽，量化噪声对输出相位噪声的影响可以降低到可以忽略不计的水平。但是降低锁相环带宽会使得闭环调制的数据率受限，理论上闭环调制数据率要小于等于锁相环的环路带宽。也正是因为这种相互冲突的带宽要求使低噪声、低功耗的小数分频锁相环的设计变得复杂化。在锁相环直接调制的研究中，为了提高能量利用效率和数据发射速率，i型整数分频锁相环逐渐具有更大的吸引力。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种无源无晶振的gfsk发射机芯片，其具体技术方案如下：

2、一种无源无晶振的gfsk发射机芯片，包括：射频能量收集模块、电源管理模块、时钟恢复模块和开环调制发射机模块，所述射频能量收集模块用以进行无线供电，电源管理模块根据供电电压值控制发射机芯片的电源开关，电源开关打开时，电源管理模块向开环调制发射机模块供电，时钟恢复模块为开环调制发射机模块提供参考频率，开环调制发射机模块将参考频率倍频到发射所需的射频频率上并进行数据信号的发送。

3、进一步地，所述射频能量收集模块包括接收天线、匹配网络、整流器电路和存储电容；所述电源管理模块包括电压监测与控制电路、低压差线性稳压器、带隙基准电路；所述时钟恢复模块包括一阶rc带通滤波器、多级自偏置结构的放大器、脉冲产生与整形电路以及多级注入锁定的环形振荡器；所述开环调制发射机模块是一个锁相环电路，包括鉴相器、主从采样滤波器、轨对轨缓冲器、压控振荡器、真单相时钟多模分频器和不交叠时钟产生器；

4、所述接收天线接收空间中的射频能量，通过匹配网络连接到整流器电路的输入端，整流器电路的两个输出端分别连接存储电容和所述电压监测与控制电路，电压监测与控制电路实时检测存储电容上的电压，当检测到的电压大于阈值电压时产生控制信号打开电源开关，则通过存储电容向低压差线性稳压器和带隙基准电路提供电压，进而向所述开环调制发射机模块供电；所述时钟恢复模块接收由整流器电路产生的二阶交调信号，将二阶交调信号进行滤波、放大以及整形后注入到多级注入锁定环形振荡器中得到所需参考频率，再通过开环调制发射机模块的锁相环将参考频率倍频到发射所需的射频频率上，发射数据时直接将需要发射的数据通过高斯滤波器后加载到压控振荡器上进行发送。

5、进一步地，所述整流器电路采用n级交叉耦合桥结构，并由差分射频输入方式驱动，将接收天线接收到的电压以倍压的方式输出，其中整流器电路中前n/2级的晶体管使用低阈值nmos管和pmos管，后n/2级的晶体管使用耐受电压更高的低阈值晶体管。

6、进一步地，所述电压监测与控制电路采用了基于本征nmos的电流基准和电流比较器的结构，并在其中嵌入用于调节控制启动和停止时所对应电压阈值大小的电路结构；该电路结构由一个nmos开关和三个以二极管方式连接的pmos管构成，所述pmos管具有相同的宽长比。

7、进一步地，所述电压监测与控制电路还连接一个延时电路，延时电路用以对电压监测与控制电路产生的滞回窗口信号的上升沿进行时间延迟，延时电路多级反相器和mos电容构成；

8、所述电压监测与控制电路包括： nmos晶体管nm0~nm6，pmos开关管pm1~ pm4，以及三个分压管电路，其中，晶体管nm0和nm1为零阈值晶体管，三个分压管电路包括依次串联的第一分压管路、第二分压管路和第三分压管路，每个分压管电路由以二极管方式连接的pmos管构成；

9、开关管pm1的栅极连接延时电路，开关管pm1的源极与晶体管nm1的漏极、开关管pm2的源极、开关管pm3的源极、开关管pm4的源极、第一分压管电路的一端相连，开关管pm1的漏极与晶体管nm0的漏极相连，晶体管nm0的栅极与晶体管nm1的栅极、晶体管nm2的源极、晶体管nm3的源极、晶体管nm4的源极、晶体管nm5的源极、第三分压管路的的一端相连，晶体管nm0的源极与晶体管nm1的源极、晶体管nm2的漏极、晶体管nm2的栅极、晶体管nm3的栅极相连，晶体管nm3的漏极与开关管pm2的漏极、开关管pm2的栅极、开关管pm3的栅极相连，开关管pm3的漏极与开关管pm4的栅极、晶体管nm4的漏极、晶体管nm5的栅极相连，晶体管nm5的漏极与开关管pm4的漏极、晶体管nm6的栅极、开关管pm1的栅极相连，晶体管nm6的源极与晶体管nm4的栅极、第二分压管路和第三分压管路的间节点相连，晶体管nm6的漏极与第一分压管路和第二分压管路的间节点相连。

10、进一步地，所述一阶rc带通滤波器由一个一阶的高通滤波器和一个一阶的低通滤波器串联构成，高通滤波器的截止频率大于等于时钟恢复频率，低通滤波器的截止频率小于等于时钟恢复频率，则一阶rc带通滤波器的中心频率等于时钟恢复频率；

11、多级自偏置结构的放大器分为四级，包括第一级放大器~第四级放大器，第一级放大器为电阻自偏置的有源负载的共源级，由一个pmos管、一个nmos管和一个兆欧级的电阻构成，pmos管的源级接电源电压，nmos管的源级接地，pmos管和nmos管的栅极相连接作为输入端，漏级相接作为输出端，电阻跨接在pmos管和nmos管的栅极和漏级之间为共源级提供直流偏置；第二级放大器~第四级放大器为普通的有源负载的共源级，第二级放大器和第三级放大器将第一级输出的信号继续放大，第四级放大器用以在放大的同时进行限幅；

12、脉冲产生与整形电路由延迟线和与门组成，延迟线由多级电流偏置的反相器电路组成；

13、多级注入锁定环形振荡器包括：pmos开关管pm5~pm8组成的电流镜，三个反相器以及三个多点注入的nmos管nm7、nm8、nm9开关，pmos开关管pm5、pm6、pm7和pm8的宽长比为1:1:1:1，nmos管nm7、nm8和nm9的宽长比为1:1:1，三个反相器首尾相接构成三级环形振荡器，电流镜复制带隙基准电路的标准电流，多点注入的nmos管的源极接地，漏极接反相器的输出，栅极为注入锁定输入端口。

14、进一步地，所述鉴相器采用异或门结构，鉴相器后面连接主从采样滤波器，主从采样滤波器包括两个nmos管开关s1和s2、两个电容c1和c2、一个一阶rc低通滤波器，nmos管开关的衬底接地，栅极为开关控制端口，源极和漏极为开关的信号连接端口；轨对轨缓冲器由一个轨对轨的运放组成，运放的同相输入端为轨对轨缓冲器的输入端口，运放的输出端与其反相输入端短接，构成轨对轨缓冲器的输出端口，轨对轨缓冲器的共模输入电压范围和输出电压范围从负电源到正电源电压。

15、进一步地，所述压控振荡器为lc结构，采用键合线设计电感来取代片上电感，压控振荡器的两个输出端分别连接两个焊盘pad1和pad2，用以连接键合线封装配合，压控振荡器包括：晶体管m1~m6、压控电容管d1~d2、两个数控电容阵列，所述晶体管m5和m6通过镜像源为压控振荡器提供电流，晶体管m1~m4组成交叉耦合管，压控电容管d1~d2串联后的间节点接入输入控制电压vc，两个数控电容阵列连接在压控振荡器的两个输出端之间，其中一个数控电容阵列中的电容为mom电容，容值大，另一个数控电容阵列中的电容为mos电容，容值小。

16、进一步地，所述真单相时钟多模分频器由一个32/33双模预分频器和一个可编程分频器组成，32/33双模预分频器由真单相时钟触发器构成，只使用单相的时钟信号来驱动触发器电路；可编程分频器的工作频率降至数十mhz范围，使用标准静态逻辑综合实现。

17、进一步地，所述不交叠时钟产生器由与非门和反相器两种门电路构成，通过门电路的延时功能将输入的时钟变换成一对在同一时刻高低电平不相交叠的时钟，用作主从采样滤波器的开关控制信号。

18、有益效果：本发明创新性地构建了一种无源无晶振的gfsk发射机，通过能量收集电路实现了无线供电，无线供电使得该系统不需要电池，消除电池成本的同时也能避免在一些特殊使用环境下由于电池使用寿命的限制和电池更换问题带来的麻烦，优化的整流电路使得无线供电的灵敏度更高，无线供电的距离更远，在空间射频能量密度较低的环境下也能为系统提供足够的能量使其正常工作。

19、本发明使用i型锁相环以及主从采样滤波器电路实现了宽环路带宽，由此缩短了锁相环的锁定时间，使发射机在启动之后在更短的时间内输出频率达到稳定，同时在同样的能量消耗条件下能够持续稳定工作更长时间，提高了无线供电的能量效率；此外，宽环路带宽突破了环路带宽对直接调制发射机的发射数据率的限制，该开环调制发射机的数据率达到2mbps以上。

20、本发明使用时钟恢复的方式来为锁相环提供参考频率，消除了片外晶振的使用，减小节点芯片的体积，无电池无晶振使得该芯片能够适用于对于体积要求严苛的场景。同时，采用键合线设计电感来取代片上电感，减少片内电感的使用将压控振荡器的芯片面积缩小到原来的1/10，芯片面积开销减小具有极大的经济效益，体现出较强的商用价值，同时键合线可以用金做材料，其品质因数很高，高品质因数降低了压控振荡器的起振功耗，同时可以降低输出频率的相位噪声。