单片集成ISM频段(315/433MHz)射频接收机

摘要

目前，家庭自动化控制、无线门铃、遥控装置、报警和安全系统等短距离无线控制系统得到广泛应用。本课题致力于研制一种工作在315/433 MHz ISM频段的低成本、低功耗和高稳定性的单片集成无线接收机，满足日益增长的短距无线控制需求。 由于具有低成本、低功耗和易集成等优点，超再生结构成为本课题接收方案的首选。但基于超再生结构的传统接收机容易受到器件离散性的影响，核心电路超再生振荡器的起振状态非常不稳定，导致系统不稳定，且成品率低，给规模应用带来困难。本文采用类似锁相环的负反馈控制环路来稳定振荡器的起振状态，基本的电路设计思想是通过检测振荡器的包络输出，将该包络进行数字化后根据其占空比的变化调整振荡器尾电流源的偏置电压，控制振荡器的电流源，形成一个负反馈环路来稳定振荡器的起振状态，避免由于工艺、电源和温度等的偏差导致振荡器起振状态发生大幅波动。 围绕上述目标，本文重点解决了负反馈控制环路的理论问题，分析了振荡器起振时间与电流源以及注入信号强度的关系，对负反馈控制环路进行了建模和稳定性分析，提出了环路的离散模型和相应的分析、仿真方法，并通过MATLAB仿真进行了验证。 由于环路控制的目的是稳定超再生振荡器的起振状态，而信号的接收要求振荡器根据接收信号的强度不停地改变起振状态，二者是矛盾的。本文通过引入时分复用的体系结构使得二者得到了很好的平衡和兼容，化解了这一矛盾。 同时，为了系统的稳定工作，并提高系统的性能，文中对每个主要电路模块都进行深入的分析和研究，并提出了多项改进措施，使得各个电路模块能够稳定地为系统服务，并具有较高的电路性能，这些模块电路主要包括采用改进型有源电感的低噪声放大器，具有优化电路结构的超再生振荡器，高效率包络检波器，高精度电荷泵等。 芯片采用国内CSMC公司的0.5μm CMOS工艺实现，芯片面积为1.2mm×0.8mm，测试结果显示，电源电压为2.5～5.5V时，整个芯片消耗电流2.5～4.5 mA，各项功能正常，采用10mW商用遥控发射器得到的接收距离在空旷地带>100米，满足应用要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章概述

第2章超再生接收原理

2.1超再生接收机

2.2超再生振荡器的起振时间

2.3超再生接收机的工作模式

2.3.1对数模式

2.3.2线性模式

2.4超再生接收机的频率选择性

第3章系统设计

3.1自熄式超再生接收机

3.2他熄式超再生接收机

3.3具有稳定工作状态的超再生振荡器

3.4具有闭环控制的他熄式超再生接收机

3.4.1熄灭信号的选择

3.4.2输入开关的非理想性对系统的影响

3.4.3衬底模型

3.4.4噪声的影响及抑制

3.4.5接收灵敏度

3.4.6接收机对外界的电磁干扰(EMI)

第4章低噪声放大器

4.1性能指标

4.1.1噪声系数

4.1.2输入阻抗匹配

4.1.3增益

4.1.4线性度

4.2噪声分析

4.3电路设计

4.3.1有源电感

4.3.2噪声优化

4.3.3电流源设计

4.3.4仿真结果

第5章超再生振荡器

5.1振荡器工作原理

5.2超再生振荡器原理

5.3超再生增益和带宽

5.4振荡器的幅度

5.5电路设计

5.6仿真结果

第6章后端电路设计

6.1包络检波器

6.1.1包络检波器工作原理

6.1.2包络检波器的分析和改进

6.1.3电路实现及仿真结果

6.2电荷泵

6.2.1传统电荷泵

6.2.2电荷泵的改进

6.2.3电荷泵的电路实现及仿真结果

6.3熄灭信号产生器

6.3.1频率与电源无关的方波信号发生器

6.3.2熄灭信号及任意占空比方波信号的产生

6.3.3边沿噪声的抑制

6.3.4仿真结果

6.4环路稳定性仿真

6.5版图设计

第7章测试结果

第8章总结

致谢

参考文献

攻读博士研究生期间发表的论文