一种应用于5G毫米波通讯的高灵敏度唤醒接收机制造技术

本发明专利技术属于集成电路技术领域，具体为一种应用于5G毫米波通讯的高灵敏度唤醒接收机。本包括四个低噪声放大器、四组受控振荡器和四组包络检波电路。低噪声放大器的输入耦合在天线上，放大器的输出耦合在受控振荡器；受控振荡器的输出耦合在包络检波的输入，包络检波的输出正比于输入的信号。20GHz到40GHz的毫米波注入低噪声放大器采用电容交流方式耦合，栅极偏置电压设置可调，通过调节注入对管的偏置可以获得最大的转换增益。该接收机实现了注入信号的频率从20GHz到40GHz的‑90dBm的灵敏度，其转换增益最高可达80dB，整体功耗不超过0.1mW。本发明专利技术克服了传统毫米波唤醒接收机的低增益缺点，实现了高增益和高灵敏度。

A High Sensitivity Wake-up Receiver for 5G Millimeter Wave Communication

The invention belongs to the technical field of integrated circuits, in particular to a high sensitivity wake-up receiver applied to 5G millimeter wave communication. This system consists of four low noise amplifiers, four groups of controlled oscillators and four groups of envelope detection circuits. The input of LNA is coupled to the antenna, and the output of the amplifier is coupled to the controlled oscillator. The output of the controlled oscillator is coupled to the input of envelope detection, and the output of envelope detection is proportional to the input signal. The millimeter wave injection low noise amplifier (MILNA) from 20GHz to 40GHz is coupled by capacitive AC mode. The gate bias voltage can be adjusted. The maximum conversion gain can be obtained by adjusting the bias of the injection tube. The receiver achieves a sensitivity of 90 dBm from 20 GHz to 40 GHz, with a maximum conversion gain of 80 dB and overall power consumption of no more than 0.1 mW. The invention overcomes the shortcoming of low gain of traditional millimeter wave wake-up receiver, realizes high gain and high sensitivity.

【技术实现步骤摘要】
一种应用于5G毫米波通讯的高灵敏度唤醒接收机
本专利技术属于集成电路
，具体涉及应用于5G毫米波通讯的唤醒接收机。
技术介绍
随着万物互联IoT（internetofthings）的技术的发展，越来越多的物体需要连接到物联网中，连接入物联网的结点呈指数的增加。为了满足通信速率的要求，信号的带宽通常要在毫米波频段。第五代通讯（5G）是未来的发展趋势，其通信的带宽可以达到200MHz。为了满足200MHz带宽的需求，通常要采用毫米波的载波。载波的频率在毫米波频段的5G主要是26GHz，28GHz和39GHz。相比于传统的低频率电路，高频电路主要面临的问题是低增益和大的噪声系数，同时还要满足连接点的低功耗特征。连接点的物体，其工作模式并不是一直处于工作状态，通常是需要唤醒才开始正常工作。这样的工作模式主要是为了实现更低的功耗，在干电池的情况下可以实现10年到20年的工作时间，而不需要换电池。随着晶体管特征尺寸按照摩尔定律不断的降低和工艺的进一步发展，CMOS晶体管的工作频率已经进入毫米波频段。但是仍然存在增益低、衬底损耗大的缺点。这是对电路的设计和版图的设计提出了很高的要求。在电路设计方面，噪声和增益是设计和版图的主要考虑因素，特别是硅衬底电阻的巨大损耗，衬底电容的噪声耦合，会影响MOSFET高频输出特性，影响低噪声放大器（LNA）、功率放大器（PA）等二端口匹配网络设计。因此，需要基本版图结构基础上，研究如何通过调整版图栅宽（W）、栅长（L）和栅指数目（Nf）三个维度的参数，来降低衬底损耗和噪声耦合影响。为了提高版图调整效率，快速选择合适的器件结构，需要建立可缩放的元器件模型库。并且在选择采样点（尺寸和数目）、采用目标数据、控制频率精度范围、选用误差函数等多方面之间进行折衷，并根据实际电路设计需求仔细确定。在必要的情况下，针对核心器件/结构仍有必要单独建立模型，以避免建立缩放模型后因缩放规律提取误差给这些器件/结构的模拟精度带来影响。从而可以实现28nm工艺下的高灵敏度的唤醒接收机。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种具有超低功耗和高灵敏度的应用于5G毫米波通讯基站的唤醒接收机。本专利技术提出的应用于5G毫米波通讯基站的唤醒接收机，其电路结构包括：四个低噪声放大器，四个受控振荡器和四个包络检波器；用于多路信号合成，输出一个信号。其中，天线接收到的信号耦合注入所述低噪声放大器；低噪声放大器的栅极偏置电压可调，以达到最大的转换增益，低噪声放大器的漏端作为输出端，输出耦合在所述受控振荡器；受控振荡器的输出耦合在包络检波器的输入，包络检波器的输出正比于输入信号。本专利技术中，优选地，共有四个低噪声放大器、四个受控振荡器和四个包络检波器；可以进行多路信号合成，输出一个信号。本专利技术中，所述的包络检波器是一种全差分包络检波器，电路左右两端对称。包络检波器的两端各有两个隔直电容耦合到受控振荡器的输出；包络检波器的输入为经晶体管偏置的电压，可以调控，控制包络检波的增益；差分对晶体管的漏极作为包络检波器输出端。本专利技术中，所述的受控振荡器，含有一个晶体管做尾电流管，一对交叉耦合晶体管作为负阻管，交叉耦合晶体管之间用一个中心抽头接电源的电感连接。本专利技术克服了传统毫米波唤醒接收机的低增益缺点，实现了高增益和高灵敏度。其转换增益最高可达80dB，整体功耗不超过0.1mW。附图说明图1唤醒接收机的示意性框图。图2包络检波器的电路示意图。图3可控振荡器的电路示意图。图中标号：100为本专利技术唤醒接收机，101为低噪声放大器，102为四个包络检波器与四个受控振荡器耦合结构，103为低噪声放大器，104为低噪声放大器，111为受控振荡器，112为包络检波器；200为包络检波结构；201为核心包络检波电路；300为可控振荡器电路。具体实施方式以下将参照附图更详细地描述本专利技术。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。在下文中描述了本专利技术的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本专利技术。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本专利技术。图1示出本专利技术唤醒接收机的示意性框图。如图1所示，本专利技术唤醒接收机100包括四个低噪声放大器101、103、104、105，及四组受控振荡器（其一为111）和四组包络检波电路（其一为112）。天线接收到信号，再通过隔直流电容交流耦合注入低噪声放大器101。低噪声放大器的栅极偏置电压可调，以达到最大的转换增益。放大器的漏端作为输出端，输出耦合在受控振荡器111。每一个受控振荡器对应一个低噪声放大器。受控振荡器的输出耦合在包络检波器的输入，包络检波器的输出正比于输入信号。四个包络检波器的输出信号耦合成最终输出信号。图2示出本专利技术中包络检波电路的电路示意图。如图2所示，该电路为全差分包络检波电路，左右两端对称。电容C1一端接输入信号，另一端通过两个电阻R11、R12与电容C2相连，C2另一端接差分输入信号。同左侧电路结构，右侧为电容C3一端接输入信号，另一端通过两个电阻R13、R14与电容C4相连，电容C4另一端也作为输入端。左侧偏置电压加在电阻R11、R12之间，右侧偏置电压加在电阻R13、R14之间。晶体管M4与晶体管M5组成对管结构，晶体管M4栅极与电容C2一端相连，晶体管M5栅极与电容C4一端相连。晶体管M4与晶体管M5漏端相连，并通过电阻R3接地；源端相连，接电源VDD。晶体管M4与晶体管M5漏端作为输出端，输出一个正相关于输入信号强度的电压信号。图3示出本专利技术中可控振荡器的电路示意图。如图3所示，受控振荡器300底部为一个电流镜，晶体管M3栅极接控制电压，源极接地，漏极与交叉耦合NMOS管对M1与M2的源极相连。电流镜用来控制偏置电流的大小，控制振荡幅度。又由于电流镜的输出电阻要远高于振荡器内核的动态电阻，相当于在振荡器和电源地线间串联了一个大电阻，从而减少振荡器内核受电源或地线、衬底噪声的影响。两个晶体管M1与M2组成交叉耦合的NMOS管对。晶体管M1的栅极与晶体管M2的漏极相连，晶体管M2的栅极与晶体管M1的漏极相连。晶体管M1与晶体管M2的源极相连，连到晶体管M3的漏极上。晶体管M1与晶体管M2的漏极分别接电压Vop与Von，并通过电感相连。电压VDD加在电感上。该接收机实现了注入信号的频率从20GHz到40GHz的-90dBm的灵敏度，其转换增益最高可达80dB，整体功耗不超过0.1mW。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"或者其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过程、方法、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，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。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过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。依照本专利技术的实施例如上文所述，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于5G毫米波通讯的高灵敏度唤醒接收机，其特征在于，电路结构包括：四个低噪声放大器，四个受控振荡器和四个包络检波器，用于多路信号合成，输出一个信号；其中，天线接收到的信号耦合注入所述低噪声放大器；低噪声放大器的栅极偏置电压可调，以达到最大的转换增益，低噪声放大器的漏端作为输出端，输出耦合在所述受控振荡器；受控振荡器的输出耦合在包络检波器的输入，包络检波器的输出正比于输入信号。

【技术特征摘要】
1.一种应用于5G毫米波通讯的高灵敏度唤醒接收机，其特征在于，电路结构包括：四个低噪声放大器，四个受控振荡器和四个包络检波器，用于多路信号合成，输出一个信号；其中，天线接收到的信号耦合注入所述低噪声放大器；低噪声放大器的栅极偏置电压可调，以达到最大的转换增益，低噪声放大器的漏端作为输出端，输出耦合在所述受控振荡器；受控振荡器的输出耦合在包络检波器的输入，包络检波器的输出正比于输入信号。2.根据权利要求1所述的唤醒接收机，其特征在于，所述的包络检波器是一种全差分包络检波器，电路左右两端对称；包络检波器的两端各有两个隔直电容耦合到受控振荡器的输出；包络检波器的输入为经晶体管偏置的电压，可以调控，控制包络检波的增益；差分对晶体管的漏极作为包络检波器输出端。3.根据权利要求1所述的唤醒接收机，其特征在于，所述的受控振荡器，含有一个晶体管做尾电流管，一对交叉耦合晶体管作为负阻管，交叉耦合晶体管之间用一个中心抽头接电源的电感连接。4.根据权利要求2所述的唤醒接收机，其特征在于，所述的包络检波器中，在左侧，电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：马顺利，任俊彦，聂丽荷，李宁，叶凡，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31