超低功耗射頻收發(fā)系統(tǒng)理論及電路實(shí)現(xiàn)研究

手持無(wú)線設(shè)備在人們生活中起到越來(lái)越重要的作用，其電池續(xù)航力成為急需解決的重要問(wèn)題。在手持設(shè)備中射頻接收模塊的功耗占據(jù)了較高的比例，因此實(shí)現(xiàn)超低功耗射頻接收電路對(duì)降低總體功耗起到了關(guān)鍵作用。本項(xiàng)目在融合現(xiàn)有低功耗射頻電路設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，提出基于返回式結(jié)構(gòu)的超低功耗射頻接收機(jī)架構(gòu)，該結(jié)構(gòu)放大射頻信號(hào)并將該信號(hào)混頻至中頻，經(jīng)濾波后重新饋通至射頻放大器進(jìn)行放大后輸出。為保證電路穩(wěn)定性，對(duì)混頻輸入和中頻輸出端分別使用高通和低通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)隔離。該方法使用單個(gè)電路同時(shí)實(shí)現(xiàn)射頻和中頻的放大，節(jié)約了硬件開(kāi)支和功耗。鑒于傳統(tǒng)電流復(fù)用結(jié)構(gòu)所面臨的電壓裕度問(wèn)題，本項(xiàng)目提出一種橫向電流復(fù)用射頻前端，在有效降低電流的同時(shí)避免了對(duì)電壓裕度的消耗，并且保證了模塊間隔離度和電路性能。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，針對(duì)第一版返回式混頻器對(duì)中頻信號(hào)線性度不足的問(wèn)題，提出了一種自重構(gòu)跨導(dǎo)返回式混頻器，該結(jié)構(gòu)對(duì)射頻信號(hào)和中頻信號(hào)分別呈現(xiàn)開(kāi)環(huán)特性和閉環(huán)特性，有效保證了中頻線性度。此外，基于對(duì)無(wú)源變頻開(kāi)關(guān)的行為建模，本項(xiàng)目提出了跨導(dǎo)增強(qiáng)射頻前端技術(shù)，該技術(shù)利用無(wú)源變頻方式在跨導(dǎo)級(jí)輸出端構(gòu)造交流地，并在跨導(dǎo)級(jí)構(gòu)造輸入頻率附近的正反饋環(huán)路，對(duì)等效跨導(dǎo)起到了倍增的效果?；谏鲜黾夹g(shù)本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了超低功耗射頻接收機(jī)系統(tǒng)原型，并以流片的方式驗(yàn)證和完善了超低功耗收發(fā)系統(tǒng)的理論和方法。本項(xiàng)目共發(fā)表SCI論文16篇，其中IEEE期刊論文5篇，授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利10項(xiàng)。 2100433B

低功耗是現(xiàn)代便攜式無(wú)線通信系統(tǒng)所追求的重要目標(biāo)之一，而射頻收發(fā)系統(tǒng)的低功耗是實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信系統(tǒng)低功耗的關(guān)鍵。近幾年，低功耗乃至超低功耗射頻收發(fā)電路理論和方法逐漸成為業(yè)界的研究熱點(diǎn)。本課題創(chuàng)新性地提出一種集射頻放大、混頻與中頻放大于一體，并具有動(dòng)態(tài)功耗調(diào)節(jié)功能的電路結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)稱(chēng)為返回式混頻器）：該結(jié)構(gòu)只需使用混頻器的跨導(dǎo)級(jí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)射頻和中頻的放大，節(jié)約了硬件開(kāi)支，顯著降低了功耗；采用高通和低通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)隔離保證了電路的穩(wěn)定性。同時(shí)結(jié)合射頻模塊電流復(fù)用、模塊整合與可重構(gòu)濾波器技術(shù)，提出了一種射頻收發(fā)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的超低功耗。本課題的核心研究?jī)?nèi)容是建立一套超低功耗射頻收發(fā)設(shè)計(jì)理論和方案，主要包括：建立和完善超低功耗射頻收發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和相關(guān)理論，指導(dǎo)具體電路設(shè)計(jì)，進(jìn)行流片驗(yàn)證，以進(jìn)一步完善超低功耗收發(fā)系統(tǒng)的理論和相關(guān)技術(shù)。

本課題主要針對(duì)未來(lái)納米工藝條件下微瓦級(jí)片上系統(tǒng)芯片的若干關(guān)鍵技術(shù)瓶頸問(wèn)題開(kāi)展研究，致力于提出一套完整的微瓦級(jí)SoC設(shè)計(jì)方法學(xué)及其關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)解決途徑。課題研究的關(guān)鍵技術(shù)包括微瓦級(jí)SoC體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功耗優(yōu)化方法，超低電壓射頻與模擬電路，超低功耗異步與絕熱邏輯數(shù)字電路。最終課題將納米級(jí)工藝節(jié)點(diǎn)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款面向人體局域網(wǎng)應(yīng)用的SoC芯片，對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行全面的測(cè)試驗(yàn)證。

隨著工藝尺度的持續(xù)演進(jìn)和健康監(jiān)護(hù)、物聯(lián)網(wǎng)等各類(lèi)新型應(yīng)用場(chǎng)景的不斷涌現(xiàn)，發(fā)展超低功耗集成電路和SoC技術(shù)稱(chēng)為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛共識(shí)。本項(xiàng)目圍繞納米工藝條件下微瓦級(jí)片上系統(tǒng)的若干技術(shù)瓶頸問(wèn)題展開(kāi)研究，提出了系統(tǒng)解決途徑，形成了一套完整的微瓦級(jí)SoC設(shè)計(jì)方法。在低功耗、低電壓的模擬、射頻、數(shù)字電路，自供能技術(shù)，μW-SoC體系結(jié)構(gòu)和芯片實(shí)現(xiàn)技術(shù)等方面取得了豐碩成果。提出了超低功耗SAR ADC的一系列電路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種參數(shù)可配置、功耗可變（6-10位0.5V-0.9V）的SAR ADC，為生物醫(yī)電芯片的高效設(shè)計(jì)提供重要支撐。設(shè)計(jì)了雙環(huán)反饋C類(lèi)CMOS壓控振蕩器，實(shí)現(xiàn)了4.55 GHz到5.16 GHz的頻率調(diào)諧范圍，2.78mW的功耗和-192.8dB 的FOM值，解決了前端集成WBAN低功耗載波的科學(xué)問(wèn)題。設(shè)計(jì)了三值絕熱JKL觸發(fā)器、三值低功耗多米諾JKL觸發(fā)器、三值絕熱多米諾T運(yùn)算電路、三值絕熱多米諾可逆計(jì)數(shù)器和三值絕熱乘法器等新型絕熱電路，為超低功耗邏輯電路的設(shè)計(jì)探索了新途徑。提出了超低電壓SRAM存儲(chǔ)器的新電路、新結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了0.39V供電電壓下的穩(wěn)定工作。提出了多種超低功耗的生物信號(hào)處理與壓縮算法，通過(guò)降采樣小波濾波和基于NLSPIHT（無(wú)鏈表多級(jí)樹(shù)集合分裂）的1.5維數(shù)據(jù)壓縮，大幅度提升信號(hào)處理與傳輸過(guò)程的能量效率。最后，基于高能效的體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)集成，面向心電、腦電健康監(jiān)護(hù)完成了μW-SoC芯片的流片測(cè)試。本項(xiàng)目執(zhí)行了預(yù)期的各項(xiàng)研究計(jì)劃，產(chǎn)出了大量高水平的學(xué)術(shù)論文和發(fā)明專(zhuān)利，所突破的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)超低功耗集成電路與SoC芯片發(fā)展將發(fā)揮重要的推動(dòng)作用。 2100433B

射頻收發(fā)器傳輸廣泛地運(yùn)用在車(chē)輛監(jiān)控、遙控、遙測(cè)、小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線抄表、門(mén)禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線標(biāo)簽、身份識(shí)別、非接觸RF智能卡、小型無(wú)線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無(wú)線遙控系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、無(wú)線232數(shù)據(jù)通信、無(wú)線485/422數(shù)據(jù)通信、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像傳輸?shù)阮I(lǐng)域中。