WLAN射頻接收端RSSI電路的設(shè)計(jì)

王 巍，牟 茂，林 濤，謝玉亭，胡 潔，楊麗君，袁 軍，王冠宇

(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶400065)

無線本地局域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks，WLAN)使用無線電波作為傳輸介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，適應(yīng)了個(gè)人對(duì)數(shù)據(jù)通信發(fā)展的要求，它的通信范圍不受外界條件的限制，具有巨大的應(yīng)用前景和價(jià)值［1－2］。

無線通信系統(tǒng)中，接收機(jī)會(huì)隨著傳輸距離和其他因素的影響，在大范圍內(nèi)發(fā)生變化，所以RSSI就用來指示接收到的當(dāng)前信號(hào)的功率大小，以便后續(xù)工作。理想RSSI輸入功率與輸出電壓呈線性，檢測(cè)范圍大，功耗低，不受環(huán)境影響。前人對(duì)RSSI的設(shè)計(jì)，已經(jīng)在一定檢測(cè)范圍內(nèi)呈線性變化，測(cè)試結(jié)果在可以接受的誤差范圍內(nèi)，但在各個(gè)corner和溫度下的穩(wěn)定性介紹較少［3－4］。

本文設(shè)計(jì)了一種基于分段線性對(duì)數(shù)放大器結(jié)構(gòu)的RSSI，需要對(duì)溫度和工藝穩(wěn)定性做出討論，且使功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大。

1 電路分析與設(shè)計(jì)

1.1 電路結(jié)構(gòu)的提出

在WALN射頻接收機(jī)中，RSSI檢測(cè)通過低通濾波器后的信號(hào)功率強(qiáng)度，用來調(diào)整發(fā)送端發(fā)送功率及控制接收端的增益，以達(dá)到功率控制的目的。RSSI核心模塊主要包括級(jí)聯(lián)的限幅放大器(Limiting Amplifier)、全波整流器(FullWave Rectifier)、低通濾波器(Low Pass Filter)、偏置電路(Biasing Circuit)、直流失調(diào)消除電路(DC Cancellation Circuit)等組成，如圖1 所示［5－8］。

圖1 RSSI核心電路結(jié)構(gòu)

1.2 電路分析

本設(shè)計(jì)分為兩部分，第一部分是增益衰減，第二部分是RSSI核心電路。增益衰減是為通過LPF的信號(hào)提供衰減，以反映輸入信號(hào)的真實(shí)強(qiáng)度;RSSI核心電路是實(shí)現(xiàn)功率強(qiáng)度指示性能的重要模塊。

本項(xiàng)目射頻接收系統(tǒng)中，LPF有30 dB和10 dB兩種增益模式，為了反映在不同模式下信號(hào)的真實(shí)強(qiáng)度，本設(shè)計(jì)中，RSSI提供了－30 dB和－10 dB的增益衰減單元。

同時(shí)，無線收發(fā)機(jī)同時(shí)提供I、Q兩路差分信號(hào)，其中I、Q是正交的。如圖2所示，如果I/Q信號(hào)強(qiáng)度是a，希望平衡后運(yùn)放的輸出強(qiáng)度仍然是a，那么這個(gè)運(yùn)放須要提供增益G=1/，也就是0.707。

圖2 整體RX RSSI電路

如圖3所示，希望輸出強(qiáng)度和其中一個(gè)輸入強(qiáng)度相等，由KCL規(guī)則可得

圖3 I/Q信號(hào)和平衡運(yùn)放的輸出

圖4為I/Q平衡運(yùn)放設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)。

圖4 I/Q平衡運(yùn)放結(jié)構(gòu)

如圖5所示，為了獲得限幅輸出，需要使用多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)，再經(jīng)過反饋環(huán)路進(jìn)行直流補(bǔ)償。每級(jí)的整流器用來反映該級(jí)放大器輸出幅度的大小，將整流后的電流進(jìn)行疊加，經(jīng)過一個(gè)RC低通濾波器，得到一個(gè)類似對(duì)數(shù)邏輯的RSSI輸出，輸出曲線用來反映接收信號(hào)的強(qiáng)度。具有分段線性對(duì)數(shù)功能的放大器輸入輸出關(guān)系曲線，類似對(duì)數(shù)關(guān)系的分段曲線。

圖5 限幅放大器結(jié)構(gòu)

限幅放大器級(jí)聯(lián)級(jí)數(shù)的選擇:當(dāng)級(jí)數(shù)大于4時(shí)，最大誤差小于3 dB，但是級(jí)數(shù)的增加又會(huì)減小限幅放大器的帶寬;當(dāng)級(jí)數(shù)較少時(shí)，帶寬雖然較寬，但達(dá)到不了增益要求。所以既要滿足一定誤差范圍，又要滿足一定增益和動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)，通過對(duì)資料的調(diào)研，使用7個(gè)放大器級(jí)聯(lián)，且每級(jí)增益為10 dB。

限幅放大器結(jié)構(gòu)采用折疊的二極管負(fù)載電路，輸出擺幅較大，偏置電壓較低。

由于限幅放大器是直接耦合，所以需要消除直流失調(diào)，本文采用一個(gè)起直流負(fù)反饋的低通濾波器，來抵消限幅放大器輸入端產(chǎn)生的影響。限幅放大器的增益是

在信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)電路中，全波整流器具有良好的穩(wěn)定性、線性度和整流功能，它將限幅器輸出的電壓轉(zhuǎn)化為電流。

全波整流器有多種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，有的是消耗過多的功耗，有的則不適于低電源電壓工作。圖6為全波整流器的一種實(shí)現(xiàn)形式，它比較適合于低電壓和低功耗工作的場(chǎng)合，其最小供電電壓為Vtr1+2VOV，但是該結(jié)構(gòu)對(duì)工藝角比較敏感。

圖6 全波整流器結(jié)構(gòu)圖

如圖7所示，全波整流器采用相同的2對(duì)非平衡差分輸入對(duì)管組成非平衡的源極耦合對(duì)，它的2路電流值作為整流器的輸出，M2和M1管的寬長(zhǎng)比為K(K＞1)，假設(shè)各管都工作在飽和區(qū)，經(jīng)推導(dǎo)得整流器的電壓電流輸出關(guān)系

確定了限幅放大器、全波整流器和直流消除電路后，本設(shè)計(jì)整體RSSI結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 非平衡對(duì)全波整流器

圖8 RSSI core結(jié)構(gòu)

2 仿真結(jié)果與討論

本文設(shè)計(jì)的RSSI基于SMIC 55 nm CMOS工藝下，采用Cadence Spectre對(duì)其仿真。整個(gè)RSSI電路原理圖如圖9所示。

圖9 RSSI整體電路原理圖

圖10為限幅放大器在各corner下仿真結(jié)果，在誤差范圍內(nèi)滿足要求。圖11為RSSI在不同corner和溫度(tt－(－40)℃，tt－27℃，tt－120℃，ss－(－40)℃，ss－27℃，ss－120℃，ff－(－40)℃，ff－27℃，ff－120℃)下的仿真結(jié)果。結(jié)果表明，RSSI的檢測(cè)誤差在±0.5 dBm以內(nèi)，動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍≥60 dBm，消耗電流2.6 mA，RSSI輸出電壓范圍為0.5 ～2.0 V，檢測(cè)曲線的斜率為25 mV/dB，可以看出該RSSI具有良好的線性關(guān)系和穩(wěn)定性。

如圖12所示，在+40 dB建立時(shí)間為0.32μs，－40 dB為0.34μs，結(jié)果表明該RSSI具有建立時(shí)間短的特點(diǎn)。

圖10 各corner下限幅放大器仿真結(jié)果(截圖)

圖11 RSSI在不同corner和溫度的仿真結(jié)果(截圖)

圖12 RSSI建立時(shí)間(截圖)

整體版圖如圖13所示，整體版圖面積為480μm×160μm，RSSI core版圖面積為:157μm×366μm。圖14為RSSI后仿真結(jié)果。

圖13 RSSI電路版圖(截圖)

圖14 RSSI后仿真結(jié)果(截圖)

本設(shè)計(jì)與前人設(shè)計(jì)的結(jié)果相比較見表1?？梢钥闯霰驹O(shè)計(jì)采用了SMIC 55 nm CMOS工藝;其次，RSSI在各corner和溫度下，檢測(cè)范圍較大、誤差范圍較小、功耗較低;最后，本設(shè)計(jì)的RSSI版圖面積最小、輸出電壓范圍最大。本設(shè)計(jì)總體上滿足設(shè)計(jì)要求，從電路結(jié)構(gòu)、工藝、線性關(guān)系和穩(wěn)定性上都有一定的優(yōu)化。

表1 本文與文獻(xiàn)結(jié)果性能比較

3 結(jié)論

本文基于SMIC 55 nm CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一種基于分段線性對(duì)數(shù)放大器結(jié)構(gòu)的RSSI，采用了7級(jí)限幅放大器級(jí)聯(lián)，限幅放大器的輸出增益為70 dB，檢測(cè)范圍為60 dBm，整個(gè)RSSI在各個(gè)corner和溫度下，檢測(cè)誤差在±0.5 dB以內(nèi)。RSSI core版圖面積為157μm×366μm，整體版圖面積為480μm×160μm，功耗為8 mW。相比以往文獻(xiàn)，本文首次具體得出RSSI在各corner和溫度下仿真結(jié)果，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)具有良好的線性關(guān)系和穩(wěn)定性;其次，本文首次提出建立時(shí)間，仿真結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)建立時(shí)間較短，能較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。本設(shè)計(jì)整體滿足設(shè)計(jì)要求，在電路構(gòu)建和仿真結(jié)果上，有一定的優(yōu)化和改進(jìn)。

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