CN106815625A - 一种适合超低功耗设计的新型解调电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适合超低功耗设计的新型解调电路，该解调电路包括：包络检波模块，将接收到的射频信号经过包络检波，转换成直流电平，形成包络信号；高低通滤波比较电路，用于将接收的包络信号进行高低频信号滤波，得到节点N1和节点N2两个节点的电压，并对所述电压进行比较，输出模拟电平信号；电平转换电路，用于将模拟电平信号转换为数字信号电平输出。采用本发明所述的解调电路实现了超高频标签对低功耗、高性能和小面积的要求。
Description
技术领域
本发明属于物联网RFID标签领域，特别是指RFID标签射频前端电路中一种适合超低功耗设计的新型解调电路。
背景技术
最近十几年，随着移动互联网的发展，物联网行业也得到巨大的发展。智能的移动终端能够保持信息的随时交换，实时性高，对物联网的需求越来越大；同时随着集成电路的发展，面对普通消费群体的低廉的芯片变得越来越多，各种芯片、标签、传感器的应用大大方便了我们的生活。作为物联网中最重要的硬件终端——RFID标签，由于需求量非常大、应用广泛、工作环境复杂多变，所以对成本和性能的要求都非常苛刻，这样就给IC设计者提出了更高的要求：提供高性价比的产品。
在RFID标签芯片的设计中，主要分为模拟和数字两部分，数字电路主要完成逻辑操作，实现芯片安全和功能等方面的工作；模拟电路由于其RFID标签(大多无源标签)对功耗、面积及性能的要求比较苛刻，工作环境比较复杂，所以给模拟IC设计人员提出了不小的挑战。作为标签与读卡机通讯的最关键的模块，低功耗的解调电路的设计在整个模拟电路设计中至关重要。
较为通用的解调电路结构如图1和图2所示。图1给出了单端天线的结构，当射频天线端接收到包络信号时候，高电平时二极管D1正向导通，低电平时二极管截止，电容C1和R1并联在Vplus端和GND之间，起到滤波稳压的作用；电阻R2保持Vplus和Vminus两个比较器输入端有个电压差ΔV保证比较器两端在没有数据通讯时输出高电平。电阻R3和C2构成一个低通滤波电路，保持Vminus端的电压稳定在一个基准电平。数据通讯时，Vplus端根据包络信号，电平高低变化，比较器将其与基准电平Vminus比较输出数字信号。这种解调结构简单，清晰，采用无源器件实现解调电路的包络检波和高低通滤波部分，器件只与工艺相关，便于控制实现。但由于系统对功耗面积要求比较苛刻，无源的电阻电容需要占很大的面积，才可以保证模块功耗很低。图2给出了双端天线的解调电路结构，采用栅交叉的高效包络检波结构能够最大限度的提高检波效率，有源滤波的结构虽然减小了电路的电阻面积，但滤波电路由于受到电流源和电容的限制，功耗依然需要比较大，而且后级的迟滞比较电路在保证性能的基础上也需要提供足够的参考电流源，在功耗和面积需要比较苛刻时，不能满足要求。针对超高频RFID标签芯片的设计特点，功耗和面积作为设计的关键指标，促使我们需要采用创新的解调电路结构，针对超低功耗设计，改进通用电路的缺点，以得到满足需求的一个超低功耗、小面积、高性能的解调电路。
发明内容
针对传统的解调电路的问题，本发明设计出一种创新的电路结构，图3给出了详细的电路原理图。电路主要包含101～105五个模块，根据各自工作特点保证电路工作的可靠性。101为包络检波电路，103为高低通滤波比较电路，105为电平转换电路，三部分协调配合完成解调电路从包络信号到数字信号的输出过程。其中102的二极管结构与104的电流源实现及M3和M8构成的使能控制管，配合103模块的高低通滤波比较部分。控制功耗，提高性能。
101模块部分为包络检波电路，包络检波电路主要实现射频输出的包络变化到直流电平变化的转换。射频天线的两个输入端RF+、RF-和系统整流输出端或系统电源(V_demo)作为包络检波的输入信号，经过包络检波模块后得到一个包络检波输出信号，即模块101中的输出N0节点。包络检波的实现方法可以采用图2中给出的栅交叉的高效电路结构，也可以采用传统的二极管等类似的实现结构，本设计重点针对采用系统整流输出端或者系统电源作为包络检波模块的输入端给出创新设计。通过这种选择以大大提高包络检波的检波输出电平。为后续的高低通滤波及电平比较电路的创新设计提供基础。
103模块为高低通滤波比较电路，在节点N0和N1分别实现包络信号的高低频信号滤波功能。102模块的MOS管P0采用创新的二极管接法源端连接N0节点，漏端和栅端连接N1节点，实现N0和N1两个节点的单向导通，完成了N0和N1节点的滤波隔离。电容C0和C1作为滤波电容，与电流源M1、M2和M3管分别并联在N0和N1节点。完成包络检波后的滤波功能。MOS管P1源端连接N0节点，漏端和栅端连接N2节点与电流源M1配合完成N0到N2节点的电压跟随功能。
103模块中的MOS管P2的源端连接低频滤波节点N1，栅极连接N0节点电压跟随后的节点N2，漏端连接M3的漏端。通过电流源与P2的串联形成N1和N2两个节点的电压比较。包络信号经高低通滤波分别得到节点N1和N2两个不同的节点电压，经过P2管子的作用得到比较结果，在N3节点输出的电平信号即将射频输入端的包络信号变成数字电路能够识别的逻辑信号，经后续的反相器驱动输出后，提供给数字电路进行解码识别。
使能控制管由M4和M8两个MOS管和一个反相器单元构成。其中M4的栅极连接使能控制端，漏端与节点N3相连，使能关闭时，将N3节点电压拉到地端，保证解调输出信号稳定。M8管的漏端与P1管的栅端和漏端及P2管的栅极相连，源端与电流源M1管的漏端连接。通过M4和M8管的控制可以实现功耗的优化，保证使能开关过程中输出端信号的稳定。
104模块作为电流源为整个高低通及电平比较部分提供参考电流源。105模块由P3～P5和M5～M7形成三级反向器级联结构。完成包络信号解调后到数字信号的电平转换功能。保证数字和模拟接口的可靠通讯。图4给出了包络信号(VRF)、高频包络检波输入信号(N0)、低频基准输入信号(N1)和解调输出数字信号(DEMO_DATA)的波形示意图。
附图说明
图1通用的解调电路的系统结构图
图2超高频解调电路结构框图
图3为本发明所述的超低功耗的新型解调电路结构示意图
图4解调电路包络及检波输出信号波形图
具体实施方式
本发明提供了一种适合超低功耗设计的新型解调电路，如图3所示，该解调电路包括：包络检波模块101、高低通滤波比较电路103以及电平转换电路105；
包络检波模块101，包络检波电路主要实现射频输出的包络变化到直流电平变化的转换。射频天线的两个输入端RF+、RF-和系统整流输出端或系统电源(V_demo)作为包络检波的输入信号，经过包络检波模块后得到一个包络检波输出信号，即模块101中的输出N0节点。包络检波模块可以采用图2中给出的栅交叉的高效电路结构，也可以采用传统的二极管等类似的实现结构；
高低通滤波比较电路103，用于对包络检波模块101的输出信号进行滤波，分别得到N1和N2两个节点的电压，通过电流源与P2的串联结构来比较N1和N2两个节点电压，在N3节点输出高低电平信号，实现高低通的滤波比较功能；
电平转换电路105，用于将模拟包络信号转换为数字信号电平并输出。
其中，高低通滤波比较电路103进一步包括：通过PMOS管P0、P1、P2和电容C0、C1及电流源104(MOS管M0、M1、M2和M3)的合理使用实现滤波及电平比较的功能
C0和C1作为N0和N1节点的滤波电容与M1、M2和M3形成的电流源分别并联在N0、N1和GND之间，P0管采用栅漏端短接的二极管接法，将N0和N1两个节点隔离开来，利用二极管的单向导通性完成N0和N1两个信号的隔离，有利于高低通信号的滤波；PMOS管P1源端连接N0节点，漏端和栅端连接N2节点与电流源M1配合完成N0到N2节点的电压跟随功能。N0和N2两个节点通过电流源和MOS管P1实现了共模电平的平移。103模块中的PMOS管P2的源端连接低频滤波节点N1，栅极连接N0节点电压跟随后的节点N2，漏端连接M3的漏端。通过电流源与P2的串联形成N1和N2两个节点的电压比较。包络信号经高低通滤波和该部分的电平比较后，N3节点产生包络解调后的电平信号。M4和M8两个MOS管和一个反相器单元构成使能控制单元。其中M4的栅极连接使能控制端，漏端与节点N3相连，使能关闭时，将N3节点电压拉到地端，保证解调输出信号稳定。M8管的漏端与P1管的栅端和漏端及P2管的栅极相连，源端与电流源M1管的漏端连接。通过M4和M8管的控制可以实现完成解调不工作时的功耗的优化，保证使能切换过程中输出信号的稳定。
104模块作为电流源为整个高低通滤波比较电路提供参考电流源。105模块由P3～P5和M5～M7形成三级反向器级联结构，实现模拟包络信号到数字信号的电平转换功能。
以上详细描述了本发明的基本原理、电路特征及实现的详细思路。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，结构。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所述的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种适合超低功耗设计的新型解调电路，其特征在于，该解调电路包括：
包络检波模块，将接收到的射频信号经过包络检波，转换成直流电平，形成包络信号；高低通滤波比较电路，用于将接收的包络信号进行高低频信号滤波，得到节点N1和节点N2两个节点的电压，并对所述电压进行比较，输出模拟电平信号；
电平转换电路，用于将模拟电平信号转换为数字信号电平输出。
2.根据权利要求1所述的解调电路，其特征在于，所述包络检波模块的输入端为射频天线的两个输入端RF+、RF-和系统整流输出端或系统电源。
3.根据权利要求2所述的解调电路，其特征在于，所述高低通滤波比较电路，包含MOS管P0，其源端连接节点N0，漏端和栅端连接节点N1，实现N0和N1两个节点的单向导通，及N0和N1节点的滤波隔离。
4.根据权利要求3所述的解调电路，其特征在于，所述高低通滤波比较电路进一步包括电流源，用于为高低通滤波比较电路提供参考电源。
5.根据权利要求1-4任一所述的解调电路，其特征在于，所述电平转换电路，由MOS P3、P4、P5和MOS管M5、M6和M7形成三级反向器级联结构。
6.根据权利要求5所述的解调电路，其特征在于，所述高低通滤波比较电路中，C0和C1作为N0和N1节点的滤波电容与M1、M2和M3形成的电流源分别并联在N0、N1和GND之间，PMOS管P1源端连接N0节点，漏端和栅端连接N2节点；N0和N2两个节点通过电流源和MOS管P1实现了共模电平的平移；PMOS管P2的源端连接低频滤波节点N1，栅极连接N0节点电压跟随后的节点N2，漏端连接M3的漏端。通过电流源与P2的串联形成N1和N2两个节点的电压比较；M4的栅极连接使能控制端，漏端与节点N3相连，使能关闭时，将N3节点电压拉到地端；M8管的漏端与P1管的栅端和漏端及P2管的栅极相连，源端与电流源M1管的漏端连接。
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