【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于集成电路技术设计领域，涉及一种基于远场无线供电的快速频率合成系统。
技术介绍
1、基于锁相环的频率综合器是各种射频接收机和发射器中必不可少的组成部分，锁相环能产生高频率、低相位噪声以及低抖动的本征频率信号，用作各种无线通信协议中的载波信号，如2.4ghz ism频段的蓝牙、wifi以及zigbee等。与此同时，锁相环频率合成器占据了各种射频收发机中的大部分能量。
2、在当今万物互联的世界，无线传感器节点存在于我们身边的方方面面，要实现数以万计的无线传感器节点与手持设备的智能连接与通信，无线传感器节点必须内置用于通信的收发器。但是要产生高频率以及高质量的载波信号，特别是那些具有标准兼容性的2.4ghz载波，需要消耗大量的能量，这样导致电池的使用寿命较短，频繁更换电池不仅带来了大量的时间成本和经济成本，也降低了人们对物联网的使用体验感。更甚者，在一些特定使用环境中无线传感器节点更换电池具有不可行性，比如数以万计的零散分布的用于森林防火的无线传感监测节点和置于水泥路面之下的公路压力监测节点等。
3、为了延长无线传感器节点的电池使用寿命，传统的方式是对其中的电路进行低功耗设计，但是受集成电路制造工艺、电路单元拓扑结构的限制，目前成熟的较为先进的高性能收发机的功耗仍然在毫瓦级，虽然有的论文中提出了低于1mw 的蓝牙收发机芯片，但是这种超低功耗的收发机由于其他限制仍未实现量产。就算该低功耗收发机芯片完成量产，数百微瓦的功耗对于无线传感节点来说仍然是一个巨大的的功耗。
技术实现
1、为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术提出了一种基于远场无线供电的快速频率合成系统，其具体技术方案如下：
2、一种基于远场无线供电的快速频率合成系统，包括能量收集模块、电源管理模块和频率合成模块，所述能量收集模块将在环境中收集的射频能量转换成直流能量并以电荷的形式进行存储，用以系统无线供电，电源管理模块根据存储端电压控制电源开关，电源开关打开时，频率合成模块通电运行，通过锁相环产生高分辨输出频率并快速锁定。
3、进一步地，所述能量收集模块包括接收端天线、匹配网络、整流器电路、存储电容；电源管理模块包括全自动电压监测与控制电路、低压差线性稳压器和电源开关；所述电源开关连接在能量收集模块和频率合成模块之间；频率合成模块基于锁相环电路，包括无源晶振激励电路、鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、锁相环稳定节点监测电路、压控振荡器、反向相位切换双模预分频器、多相位产生与选择电路、预充电控制电路和σδ调制器；
4、所述接收端天线接收环境空间中的射频能量，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全自动电压监测与控制电路，全自动电压监测与控制电路实时检测存储电容上的电压，当检测到的电压小于阈值电压时产生控制信号关闭电源开关，反之则打开电源开关，打开后通过存储电容向低压差线性稳压器提供电压，进而向所述频率合成模块供电；在频率合成模块中，鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器、反向相位切换双模预分频器、多相位产生与选择电路组成锁相环电路作为频率合成器工作；无源晶振激励电路配合外部无源晶振产生参考频率，输入至鉴频鉴相器；预充电控制电路通过能量收集模块的无线供电为环路滤波器中的电容预充电，同时配合多相位产生与选择电路来缩短锁相环电路的锁定时间；σδ调制器配合反向相位切换双模预分频器实现小数分频从而使得频率合成器产生高分辨率输出频率。
5、进一步地，所述整流器电路采用m级dickson电荷泵结构，通过交替连接电容和二极管的方式，将接收端天线接收到的电压以倍压的方式输出，其中二极管均用二极管连接方式的nmos管替代，整流器电路中前m/2级的nmos管使用零阈值nmos管，后m/2级的nmos管使用相比前m/2级的nmos管耐受电压更高的零阈值nmos管。
6、进一步地，所述全自动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，所述全自动电压监测与控制电路还连接一个延时电路，延时电路用以对全自动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、所述全自动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，所述预充电控制电路连接在整流器电路的输出端和环路滤波器的输入端之间，当存储电容上电压大于阈值电压，预充电控制电路的开关打开，反之该开关关闭；
11、所述预充电控制电路包括：一个pmos开关、n个以二极管连接方式级联的pmos管、n个nmos开关、n个二选一数据选择器和一个译码器；其中n=2^m，m为整数，n的大小取决于电压调节所需的精度，当n=8时，译码器为三线八线译码器；pmos开关一端连接到整流器电路的输出端，另一端连接到以二极管连接方式级联的pmos管的源极，所述pmos开关和n个以二极管连接方式级联的pmos管的衬底均与源极相连；n个nmos开关一端与n个二选一数据选择器相连，所有nmos开关的衬底接地，二选一数据选择器由三线八线译码器的输出进行控制，三线八线译码器将输入的三位控制字译码成八位选择信号，八位选择信号分别输入控制八个二选一数据选择器的选择端口，所有的二选一数据选择器的两个输入端口分别连接到电源电压和接地端口，使得八位选择信号每一时刻只有一位为高电平，剩下的位全为低电平以在同一时刻只打开其中的一个nmos开关。
12、进一步地，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于远场无线供电的快速频率合成系统，其特征在于，包括能量收集模块、电源管理模块和频率合成模块，所述能量收集模块将在环境中收集的射频能量转换成直流能量并以电荷的形式进行存储，用以系统无线供电，电源管理模块根据存储端电压控制电源开关，电源开关打开时，频率合成模块通电运行，通过锁相环产生高分辨输出频率并快速锁定。
2.如权利要求1所述的一种基于远场无线供电的快速频率合成系统，其特征在于，所述能量收集模块包括接收端天线、匹配网络、整流器电路、存储电容；电源管理模块包括全自动电压监测与控制电路、低压差线性稳压器和电源开关；所述电源开关连接在能量收集模块和频率合成模块之间；频率合成模块基于锁相环电路，包括无源晶振激励电路、鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、锁相环稳定节点监测电路、压控振荡器、反向相位切换双模预分频器、多相位产生与选择电路、预充电控制电路和ΣΔ调制器；
3.如权利要求2所述的一种基于远场无线供电的快速频率合成系统，其特征在于，所述整流器电路采用M级Dickson电荷泵结构，通过交替连接电容和二极管的方式，将接收端天线接收到的电压以倍压的方式输出，其
4.如权利要求2所述的一种基于远场无线供电的快速频率合成系统，其特征在于，所述全自动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。
5.如权利要求4所述的一种基于远场无线供电的快速频率合成系统，其特征在于，所述全自动电压监测与控制电路还连接一个延时电路，延时电路用以对全自动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；
6.如权利要求2所述的一种基于远场无线供电的快速频率合成系统，其特征在于，所述预充电控制电路连接在整流器电路的输出端和环路滤波器的输入端之间，当存储电容上电压大于阈值电压，预充电控制电路的开关打开，反之该开关关闭；
7.如权利要求2所述的一种基于远场无线供电的快速频率合成系统，其特征在于，所述多相位产生与选择电路由第一四分频器、相位比较电路和八选一数据选择器组成；所述第一四分频器由电流模逻辑型锁存器组成，采用全差分的结构，第一四分频器产生八个不同相位的输出信号，其两两相位间隔为45°；所述相位比较电路由与门和非门组成，比较电路对两个输入信号上升沿敏感，先将八个不同相位的输出信号两两进行比较，将比较的结果再次与参考频率相位进行对比以确定与参考频率相位最接近的信号，比较的结果以三位控制字的形式控制八选一数据选择器；所述八选一数据选择器在相位选择控制信号下选择与参考频率相位最接近的信号进行输出。
8.如权利要求2所述的一种基于远场无线供电的快速频率合成系统，其特征在于，所述的反向相位切换双模预分频器由第二四分频器、格雷码减法计数器和数据选择器组成；所述第二四分频器采用电流模逻辑型锁存器的结构，采用反向切换的方法，即分频模数为N和N-1，其中N的取值为2^k，k为整数，同时数据选择器的控制信号由格雷码编码，使得在格雷码减法计数器计数时下一时刻输出的二进制码与当前时刻输出的二进制码只有一位不同。
9.如权利要求2所述的一种基于远场无线供电的快速频率合成系统，其特征在于，所述锁相环稳定节点监测电路由两个StrongARM比较器、与门和延迟链组成，两个StrongARM比较器对环路滤波器的输出电压进行实时检测，并根据输出电压的波动范围对锁相环电路稳定性进行判定。
10.如权利要求2所述的一种基于远场无线供电的快速频率合成系统，其特征在于，所述的ΣΔ调制器采用MASH111结构，ΣΔ调制器中累加器的位数设为18位。
...【技术特征摘要】
1.一种基于远场无线供电的快速频率合成系统，其特征在于，包括能量收集模块、电源管理模块和频率合成模块，所述能量收集模块将在环境中收集的射频能量转换成直流能量并以电荷的形式进行存储，用以系统无线供电，电源管理模块根据存储端电压控制电源开关，电源开关打开时，频率合成模块通电运行，通过锁相环产生高分辨输出频率并快速锁定。
2.如权利要求1所述的一种基于远场无线供电的快速频率合成系统，其特征在于，所述能量收集模块包括接收端天线、匹配网络、整流器电路、存储电容；电源管理模块包括全自动电压监测与控制电路、低压差线性稳压器和电源开关；所述电源开关连接在能量收集模块和频率合成模块之间；频率合成模块基于锁相环电路，包括无源晶振激励电路、鉴频鉴相器、电荷泵、环路滤波器、锁相环稳定节点监测电路、压控振荡器、反向相位切换双模预分频器、多相位产生与选择电路、预充电控制电路和σδ调制器；
3.如权利要求2所述的一种基于远场无线供电的快速频率合成系统，其特征在于，所述整流器电路采用m级dickson电荷泵结构，通过交替连接电容和二极管的方式，将接收端天线接收到的电压以倍压的方式输出，其中二极管均用二极管连接方式的nmos管替代，整流器电路中前m/2级的nmos管使用零阈值nmos管，后m/2级的nmos管使用相比前m/2级的nmos管耐受电压更高的零阈值nmos管。
4.如权利要求2所述的一种基于远场无线供电的快速频率合成系统，其特征在于，所述全自动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。
5.如权利要求4所述的一种基于远场无线供电的快速频率合成系统，其特征在于，所述全自动电压监测与控制电路还连接一个延时电路，延时电路用以对全自动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，...
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