重视低功耗的用于超宽带发射机的功率良好探测器

摘要

公开了使用发射机架构在激活/启用之前使发射机保持处于深度睡眠模式的系统、装置和方法。发射机标签包括功率良好探测器、第一调节器和第二调节器。功率良好探测器包括功率良好锁存器、环形振荡器以及纹波计数器。在将GPIO引脚从地断开连接时，功率良好锁存器向调节器发送Bias_EN信号。在接收到Bias_EN信号时，第一调节器向环形振荡器发射唤醒信号，环形振荡器然后开始向纹波计数器发送时钟信号。在所计数的时钟信号达到阈值时，纹波计数器向触发器发送功率良好数字信号。在标签处于重置模式时，功率良好数字信号也是低。在功率良好数字信号从低变为高时，标签未处于重置模式。

说明书

优先权

本申请要求享有2015年4月30日提交的题为“Power-good detector for ultra-wide band transmitter with emphasis on low power consumption”的美国临时专利申请No.62/154,872的优先权，在此通过引用将该美国临时专利申请的全文并入本文。

技术领域

本发明涉及信号发射机，并且更具体而言，涉及超宽带(UWB)发射机。

背景技术

UWB是一种在极低能量水平下用于使用无线电频谱中的大部分无线电频谱的短程高带宽通信的无线电技术。近来，UWB已经被应用于收集目标传感器数据，以高精度定位和跟踪目标传感器。UWB通信提供了很多优点。例如，UWB信号比窄带(尤其是单频)信号更难检测，并且因此，与常规窄带无线系统相比，宽频谱、低功率和极短脉冲的组合还导致低得多的与其它装置的干扰。而且，与其它无线技术相比，UWB更加耐受来自其它装置的电气干扰。因此，UWB的数据容量、速度、低功率需求和对干扰的耐受使其作为一种通信技术很有吸引力。

典型地，常规UWB发射机在用户启用发射机时立即开始发送信标/脉冲。此外，常规UWB发射机不具有被设计成在发射机开始发送信标之前检查UWB发射机的内部芯片是否被正常启用的电气部件。这样一来，强烈需要一种发射机架构，其在激活/启用之前、以及在激活时使发射机保持处于深度睡眠模式(超低功率模式)，允许工程师在发射机开始发送信标之前检查发射机是否被正常启用。

附图说明

将参考本发明的实施例，可以在附图中例示实施例的示例。这些附图旨在例示而非限制。尽管在这些实施例的语境中大致描述了本发明，但应该理解，并非旨在将本发明的范围限制到这些特定实施例。

图1示出了根据本发明的一个实施例的示例性UWB通信系统的示意图。

图2A和图2B示出了根据本发明的一个实施例的UWB发射机的启用过程。

图3示出了在图2A和图2B中的UWB发射机中采用的功率良好探测器的电路拓扑图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的图3中的UWB发射机的示例性内部电路时序图。

图5示出了根据本发明的一个实施例的图3中的功率良好探测器的内部节点处的示例性内部电路时序图。

图6示出了图3中的功率良好探测器的示例性电路拓扑图。

图7示出了根据本发明的一个实施例的图6中的功率良好探测器的示例性内部电路时序图。

图8示出了图6中的R锁存器的示例性电路拓扑图。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本发明的理解。然而，对于本领域的技术人员显而易见的是，可以在没有这些细节的情况下实践本发明。本领域的技术人员将认识到，可以通过多种方式并使用多种手段执行以下描述的本发明的实施例。本领域的技术人员还将认识到，额外的修改、应用和实施例都在其范围内，它们是本发明可以提供实用性的额外的领域。因此，下述实施例是本发明的具体实施例的例示，并且意在避免使本发明难以理解。

本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”是指结合实施例所描述的特定特征、结构、特性或功能包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各处出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”不一定都是指同一个实施例。

此外，图中部件之间或方法步骤之间的连接不限于直接实现的连接。相反，可以通过向其添加中间部件来修改或以其它方式改变图中所示出的部件之间的连接，而不脱离本发明的教导。

图1示出了根据本发明的一个实施例的示例性UWB通信系统100的示意图。如所示，一个或多个UWB发射机106a-106c可以向一个或多个接收机104a-104n发射UWB信号/信标120。来自接收机104a-104n的输出信号可以被发送到交换模块108，例如以太网供电交换机，其中交换模块108可以控制从接收机104a-104n到例如计算机的服务器110的数据流。例如，交换模块108可以经由单根电缆耦合到服务器110，该电缆用于从接收机104a-104n发射数据并向接收机104a-104n提供电力。

应当注意，系统100中可以包括任何适当数量的UWB发射机。类似地，应当注意，系统100中可以包括任何适当数量的UWB接收机。在实施例中，发射机106a-106c中的每一个可以是能够在预设频率下发射UWB信号的标签。在实施例中，使用由接收机104a-104n接收的UWB信号和三角测量技术，可以确定发射机106a-106c的确切位置。

图2A和图2B示出了根据本发明的一个实施例的UWB发射机200的启用过程。如所示，UWB发射机200包括：标签204；以及电源202，例如电池，其用于向标签204提供电力。(要注意，标签204可以具有电源，即，术语标签可以总体上指代电源202和标签204两者。)在用户激活/启用标签204之前，标签204可以处于深度睡眠模式并且经由通用输入输出(GPIO)引脚206被连接到地208，如图2A中所示。在GPIO引脚206从地208断开连接(即，连接断开)时，如图2B所示，标签204可以被启用并在标签的内部低压降(LDO)调节器唤醒之后开始发送信标。

要注意，与常规UWB发射机不同，本发明的GPIO引脚206可以用于检查标签204的内部电路/芯片是否被正常启用。图3示出了图2A和图2B中的UWB发射机200中采用的功率良好探测器的电路拓扑图。如所示，可以由例如电池的电源320为标签204供电，并且GPIO引脚322(或206)在启用之前被连接到地。在用户将GPIO引脚322从地断开连接时，标签204的电气部件被激活以接收/发射信号。

如图3所示，标签204可以包括：功率良好探测器(PWR_good_detector)310；第一调节器330，例如1.2V LDO&带隙调节器，其直接连接到电源320并发送其输出信号VDDLDO 350(其维持在预设电压电平，例如1.2伏)；第二调节器332，例如1.8V LDO&弛豫振荡器，其直接连接到电源320并将其输出电压电平维持在1.8伏；以及两个触发器340和342。要注意，标签204可以包括其它适当数量和类型的电气部件，其与功率良好探测器310、调节器330和332以及触发器340和342具有类似功能。还要注意，可以利用在其它电压电平工作的其它调节器替代调节器330和332。

功率良好探测器310包括：功率良好锁存器324、环形振荡器328；以及纹波计数器326。在从地断开GPIO引脚322时，功率良好锁存器324向调节器330和332发送Bias_EN信号360，并且向纹波计数器326发送重置计数(Rst_count)信号362，以使纹波计数器重置对环形振荡器328发射的时钟信号的计数。在接收到Bias_EN信号360时，第一调节器330产生1.2V的输出信号，并向环形振荡器328发射唤醒(WKUP)信号。然后，环形振荡器328开始向纹波计数器326发送时钟信号。在计数的时钟信号达到预设值或纹波计数器的阈值时，纹波计数器326向触发器340和342发送功率良好数字(PGOOD_DIG)信号364。

由功率良好锁存器324发射的Bias_EN信号360还启用第二调节器332，以使第二调节器开始产生1.8V的输出信号并向两个触发器340和342发射纹波时钟输出(RCO_CLK)信号。使用输入信号、PGOOD_DIG和RCO_CLK，该对触发器340和342产生并发射数字重置条(DIG_Rstb)信号。当标签204的数字部件处于重置模式时，DIG_Rstb信号为低，并且PGOOD_DIG信号364也为低。当PGOOD_DIG信号364从低变为高时，DIG_Rstb信号也变高，这指示标签204的数字部件未处于重置模式。

图4示出了根据本发明的一个实施例的在图3中的UWB发射机204的示例性内部电路时序图400。Vbatt信号402代表施加到标签204的电压电势。在电源320连接到标签204时，Vbatt在过渡时间段A之后达到其稳定状态。在实施例中，时间间隔A在10-100毫秒的范围内。要注意，稳定状态的电压和过渡时间段可以根据电源类型和标签204的部件而改变。

GPIO信号404代表来自GPIO引脚322的信号。在实施例中，GPIO信号404是在GPIO引脚322处测量的电压电势。如上所述，GPIO引脚322用于两个目的：(1)用户通过断开GPIO引脚和地之间的连接来启用标签，以及(2)工程师可以读取GPIO信号以检查标签是否被正确启用。时间间隔B代表在Vbatt信号达到其稳定状态的时间和用户能够断开连接以启用标签的时间之间的时间间隔。在实施例中，时间间隔B在2-3毫秒的范围内。

VDDLDO信号350代表来自第一调节器330(1.2V LDO&带隙调节器)的输出信号350。VDDLDO信号350在过渡时间段之后达到其稳定状态。箭头420指示在第一调节器330已经达到其稳定状态之后标签204的内部过程：(1)第一调节器330向环形振荡器328发送唤醒信号，(2)环形振荡器328开始向纹波计数器326发送时钟信号，以及(3)在所计数的时钟信号达到预设值或纹波计数器的阈值时，纹波计数器326断言PGOOD_DIG信号364为高。PGOOD_DIG信号364是来自纹波计数器326的输出信号。如上所述，在PGOOD_DIG信号364为低时，标签204的部件处于重置模式，即，所有数字逻辑保持处于重置模式。在实施例中，时间间隔E是第一调节器的启用点和PGOOD_DIG信号的断言点之间的时间间隔，时间间隔E为大约500微秒，其中第一调节器330需要时间间隔E来通过瞬时状态并稳定到其正常工作状态。

在PGOOD_DIG信号364被断言为高之后过去一时间间隔之后，GPIO信号404变为低，即，GPIO引脚电压被拉低，如箭头422所指示的。在图4中，通用IO弱下拉信号(GPIO_weak_PLD)410导致GPIO信号404从高变为低。在实施例中，GPIO可以被包括在功率良好探测器310中，如结合图6所讨论的。

GPIO_weak_PLD信号410指示标签204被完全启用。这样一来，在过去预设时间间隔C时，可以将GPIO引脚322用于除了检查是否恰当地完成启用过程之外的其它目的，即，可以将GPIO引脚322用于例如在时间段D期间测试标签204的工作状态。在实施例中，时间间隔C为大约5毫秒。

图5示出了根据本发明的一个实施例的图3中的功率良好探测器的示例性内部电路时序图500。由功率良好锁存器324发射Bias_EN信号360以启用第一和第二调节器330和332。由功率良好锁存器324向纹波计数器326发射重置计数(Rst_Count)信号362以重置对时钟信号的计数。VDDLDO350信号是来自第一(1.2V LDO&带隙)调节器330的输出信号并且用于向标签204的时钟和其它部件提供电力。如箭头520所指示的，Bias_EN信号360启用第一调节器330，以使第一调节器在预设电压电平(例如1.2V)下开始产生输出信号。RING_OSC信号508是来自环形振荡器328的输出信号。PGOOD_DIG信号364是指来自纹波计数器326的输出信号。如箭头532所指示的，当在时间间隔530期间所计数的时钟信号达到预设值或纹波计数器的阈值时，纹波计数器326断言PGOOD_DIG信号364为高。

图6示出了图3中的功率良好探测器310的示例性电路拓扑图。如所示，环形振荡器630和纹波计数器632分别对应于环形振荡器328和纹波计数器326。环形振荡器630和纹波计数器632可以充当计时器，其在发送信号之前(如图7中的箭头730所指示的)对预设时间间隔(图7中的740)计数以改变PGOOD_INT信号614的状态。在启用标签300时，GPIO 602将GPIO信号605(对应于图4中的GPIO信号404)从高变为低，其中图4中的GPIO_weak_PLD信号410代表GPIO信号被断言为低状态。Bias_EN信号606对应于图3中的Bias_EN信号360。

要注意，功率良好探测器600包括两个延迟电路607和608，其中本领域的普通技术人员应当显而易见的是，可以将两个延迟电路607和608的延迟时间间隔设置为任何适当的值。延迟电路608发射输出信号PGOOD_DIG 618，其对应于图5中的PGOOD_DIG 364。

在电池电压斜升期间，可以由晶体管672将节点676驱动到地电压(0伏)，晶体管672可以是低阈值NMOS晶体管。可以在电池电压斜升期间为节点670充电，并且3输入与非门可以确保将节点670上拉到电源电压。将节点676处的电压下拉可以确保R锁存器604不会看到假的触发。

图7示出了根据本发明的一个实施例的图6中的功率良好探测器310的示例性内部电路时序图700。如所示，Vbatt信号702代表施加于功率良好探测器310的电压电势，并且对应于图4中的Vbatt信号402。1.2V VLDO信号714和RING_OSC信号716分别代表来自图3中的第一调节器(1.2V VLDO&带隙)330和环形振荡器328的输出信号。GPIO信号605、PGOOD_INT(功率良好中断)信号614、PGb信号616和Bias_EN信号606分别是来自GPIO 602、R锁存器604、反相器648和或门642的输出信号。EN_Pulse信号612代表节点676处的信号，其中该节点耦合到PMOS(p型金属氧化物半导体)晶体管674和低阈值NMOS晶体管672。

箭头722、724、726和728指示功率良好探测器310的对应部件之间的信号的流动。例如，箭头724指示EN_Pulse信号612的状态改变导致Bias_EN信号606的状态改变。因此，在箭头724的开始点和结束点之间的时间间隔代表R锁存器604、放大器641和或门642响应于EN_Pulse信号612的状态改变而将Bias_EN信号606断言为高的时间。类似地，箭头730、732和734指示功率良好探测器310的对应部件之间的信号的流动。例如，在箭头732的开始点和结束点之间的时间间隔代表放大器646、延迟电路607和反相器648响应于PGOOD_INT信号614的状态改变而将PGb信号616断言为低的时间。

图8示出了图6中的R锁存器604的示例性电路拓扑图。如图8中所示，R锁存器604包括：代表通过晶体管804和832的电流泄漏的电流泄漏(ILEAK)840；具有深N阱中的NMOS(n型金属氧化物半导体)806和二极管808并且能够补偿电流泄漏840的泄漏补偿单元812；深N阱中的NMOS 804；金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)802；电容器810；反相器820和822；以及三个晶体管830、832和824，其中晶体管824是低阈值电压晶体管。R锁存器604接收两个输入信号EN-Pulse 612和PG_Pulse 640并发射PGOOD-INT信号614。

在实施例中，R锁存器604是正反馈锁存器并且以已知状态唤醒，即，在向功率良好探测器310施加Vbatt时，节点860处于电源的电压Vbatt，其中该特征是由电容器810实现的。

R锁存器604可以不受电流泄漏840的影响，因为泄漏补偿单元812可以补偿泄漏。在实施例中，可以使晶体管804处的电流泄漏最小化，因为其被放在深N阱中并且用于P主体的主体节点直接耦合到源极，以使得晶体管804的源极在加电时也被充电到接近电源电压(例如Vbatt)的电平。

而且，低阈值电压晶体管824可以补偿反相器820和822的跳变点变化，以使得R锁存器604可以不受反相器跳变点变化的影响。

本领域的技术人员还将认识到，可以针对超宽带(UWB)发射机实施各种实施例。已经出于清晰和理解的目的描述了本发明的前述说明。并非旨在将本发明限制到所公开的精确形式。在所附权利要求的范围和等同物的范围内，各种修改都是可能的。