高动态范围CMOS接收信号强度指示器设计

李 斌，张 英

（1．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2．石家庄陆军指挥学院，河北 石家庄 050084）

高动态范围CMOS接收信号强度指示器设计

李 斌1，张 英2

（1．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2．石家庄陆军指挥学院，河北 石家庄 050084）

采用0．18 μm RF CMOS工艺设计了一种具有宽输入动态范围的接收信号强度指示器（RSSI）。采用逐级检波式对数放大器结构，以分段线性近似法实现对数传输特性，使RSSI输出电压正比于输入功率的对数值。电路采用直流耦合方式以降低寄生参数并减少电路面积，并采用直流失调消除环路（DCOC）解决直流耦合方式所带来的直流偏移电压影响，有效降低直流失调和低频噪声。仿真结果显示，该RSSI可检测输入信号动态范围大于60 dB，对数精度小于±1 dB。采用1．8 V电源电压供电，电路总电流消耗为11 mA，芯片核心面积为0．23 mm2。

接收信号强度指示器；对数放大器；宽输入动态范围；直流失调消除环路

1 总体结构及分析

1.1 对数放大器原理

逐级检波式对数放大器是利用分段线性近似来实现对数传输特性，其结构框图如图1所示，包括限幅放大器串、全波整流电路、无源低通滤波器以及直流偏移消除（DC offset cancellation，DCOC）电路。被检测信号通过一组限幅放大器逐级进行放大，对每级限幅放大器的输出进行全波整流后求和，再通过低通滤波器滤除高频分量得到指示信号强度的直流电压。

图1 逐级检波对数放大器结构

假设限幅放大器总级数为N，限幅放大器小信号增益为A0，限幅输入、输出电平分别为VIL、VOL。当输入信号电压Vin＜VOL／时，各级限幅放大器均未达限幅状态，总增益最大，此时传输曲线斜率最大。而随着输入信号电压逐渐增大，限幅放大器从最后一级开始饱和，总增益相应降低，随着饱和状态限幅放大器个数的增加，传输曲线斜率逐渐减小，直至第一级限幅放大器达到限幅状态，其输入—输出电压可表示为［7］：

可知输出电压与输入电压成对数关系，如果以输入信号功率（dBm）作为横坐标，则式（1）所表示的对数曲线就转变为坐标轴上的直线，其交截点与斜率可分别表示为：

1.2 设计考虑

对RSSI的设计来说，限幅放大器级数的选择十分关键。假设RSSI包含N级限幅放大器，单级限幅放大器增益及带宽为A0及BWs，则限幅放大器总增益At及总带宽BWtotal可分别表示为：

由于采用分段线性近似来逼近对数特性，与理想对数函数值存在固有误差。对于给定动态范围，随着级数的增加，对数误差相应减小。最大对数误差可用下式表示［4］。

从式（4）、式（5）和式（6）可知，增加级数在增大RSSI信号检测范围的同时降低其带宽，限幅放大器的级数决定RSSI的对数精度。因此，需综合考虑功耗、动态范围、带宽及对数误差等性能指标。在本设计中，限幅放大器总级数为7级，此外增加一级作为虚设级，以保证前7级的匹配性，单级限幅放大器增益为9 dB，信号检测范围为63 dB，对数精度小于±1 dB。

限幅放大器之间级联方式可分为直流耦合和交流耦合，相对于交流耦合，直流耦合可减少寄生参数影响，提升工作带宽，减少版图面积。由于限幅放大器串的高增益特性，器件失配等非理想因素所导致的直流偏移将会使得后级限幅单元饱和，从而严重影响电路的动态范围。为消除直流偏移，设计中采用反馈式直流偏移消除电路，通过将放大器输出的信号经过低通滤波器滤出交流分量所得直流失调成分反馈到输入端。为减少芯片面积，低通滤波器中电容C采用片外电容实现。

2 电路设计

2.1 限幅放大器电路

限幅放大器串由多个相同的限幅放大器级联而成，单级限幅放大器电路如图2所示，采用全差分放大器结构，NMOS管M1、M2作为差分输入级，M12作为偏置电流源，负载采用二极管连接形式的NMOS管M5、M6，并在M5、M6的漏极与栅极之间各串接电阻Rb用以扩展电路带宽［8，9］。

图2 单级限幅放大器电路原理

由于采用全差分结构，需使用共模反馈（Common mode feedback，CMFB）环路以稳定输出共模电平。其中，2个Rc用以检测输出共模电平，由M7～M11所构成的单级放大器作为反馈放大器，通过比较输出共模电平与参考电压Vref的差值，将比较结果以负反馈的形式加载到PMOS电流源M3、M4的栅极以调节M3、M4的偏置电流，从而稳定输出共模电平，确保其与输入共模电平相等。此外，为保持环路稳定性，在反馈放大器输出端跨接密勒补偿电容C及调零电阻R，确保整个电路具有足够的相位裕度。

忽略沟道长度调制效应，可求得限幅放大器小信号增益为：

式中，ID1，2，ID5，6与（W／L）M1，2，（W／L）M5，6分别为输入晶体管M1（M2）与负载晶体管M5（M6）的偏置电流与宽长比。由式（7）可知，单级限幅放大器增益仅取决于输入级和负载的晶体管尺寸比和偏置电流比，从而可以减小工艺偏差对增益的影响，降低增益误差。

2.2 DCOC

DCOC的基本原理是在输出端取出低频信号，构成一个完整的负反馈环路，实现抵消直流失调的功能。传统的用于开环的DCOC环路，往往需要在电路的输入端口增加一个减法器模块。而在本文中将减法器与第一级限幅放大电路合并，通过在限幅放大器输入端并联交叉耦合对管实现信号相减功能，从而简化整体电路结构并减少芯片面积。修改后的第一级限幅放大器原理图如图3所示。

图3 限幅放大器电路原理

2.3 全波整流电路

整流电路将限幅单元输出信号转变为电流信号，其电流—电压特性直接决定了RSSI的输入—输出特性。本设计采用了非平衡源级耦合差分对全波整流器［10－12］。全波整流器电路原理图如图4所示。

图4 全波整流器电路原理

图4中包括2对相同的非平衡源极耦合对，晶体管M1、M3及M2、M4宽长比分别为K（W／L）和（W／L），M5与M6构成镜像电流源，假设所有器件均工作在饱和区，可推导出整流器输出电流与输入电压关系式：

式中，β为用工艺所决定的参数值，β＝μnCox（W／L）／2；Vin为差分输入电压。从式（8）可知，当时，iout与Vin近似成对数关系。因此，应该选择合适的k值以缩小抛物线区间并扩大对数特性区间，使全波整流电路尽量工作在近似对数函数区间，从而扩大检波的线性范围。通过仿真确定参数值K＝10，仿真所得全波整流电路输入输出特性曲线如图5所示。

图5 全波整流器整流特性

3 版图及仿真结果

在Cadence环境下采用TSMC 0．18 μm RF CMOS工艺完成版图设计，在版图设计中充分考虑了各电路模块的对称性，整个芯片版图如图6所示，总芯片面积为0．23 mm2。采用Spectre RF对电路进行了后仿真，在500 MHz输入信号下，在－80～10 dBm范围内以2 dB间隔扫描信号功率，输出指示电压仿真结果如图7所示。可知，在－80～10 dBm输入功率范围内，RSSI线性检测范围大于60 dB，对数误差小于±1 dB。电路采用1．8 V电源电压供电，总消耗电流为11 mA。

图6 芯片版图

图7 RSSI输入输出曲线

4 结束语

给出了一种高动态范围的RSSI设计。通过分析逐级检波式对数放大器电路结构特点及性能参数的优化，采用该结构实现了RSSI对数输入—输出传输特性。设计中对RSSI的增益、带宽、功耗以及对数误差等进行折衷考虑及优化，采用TSMC 0．18 μm RF CMOS工艺实现该电路，实际芯片面积为0．23 mm2（包括输入输出焊盘）。仿真结果显示，该RSSI在射频频段可检测动态范围大于60 dB，对数精度小于±1 dB，实现了高输入动态范围，总消耗功率小于20 mW。对于实际应用中RSSI电路设计具有现实指导意义。

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Design of High Dynamic Range CMOS Radio Signal Strength Indicator

LI Bin1，ZHANG Ying2
（1．The 54th Research Institute of CECT，Shijiazhuang Hebei 050081，China；2．Army Command Academy，Shijiazhuang Hebei 050084，China）

A high dynamic range linear radio signal strength indicator is presented using a 0．18 μm RF CMOS process．In order to achieve piecewise linear approximation of the logarithmic function，successive detection logarithmic amplifier architecture is adopted so that the output voltage is proportional to the logarithm value of the input power．DC coupling is used to achieve small parasitic parameter as well as low area．DC offset cancellation circuit is also introduced to cancel the DC offset due to the DC coupling．The simulation results show that the dynamic range of this RSSI is larger than 60 dB with the logarithm-error within±1 dB．The chip occupies an area of 0．23 mm2，and the total current consumption is 11 mA with a 1．8 V supply．

radiosignal strength indicator；logarithmic amplifier；large input dynamic range；DC offset cancellation

号强度指示器（

Signal Strength Indicator，RSSI）常用于AGC中用以检测信号幅度，以便于AGC达到幅度控制的目的。常用的RSSI为逐级检波式［1］对数放大器，对不同输入功率值，其传输特性具有常数斜率，因而可以简化幅度调整过程，降低设计复杂度，在无线接收机的设计中得到了广泛应用［2－6］。通过优化设计参数，采用0．18 μm RF CMOS工艺完成对数放大器设计，仿真结果表明该电路能够很好地实现接收信号强度指示功能，并保证检测功率的准确性和一致性。

TN432

A

1003－3106（2015）07－0083－04

10．3969／j．issn．1003－3106．2015．07．22

李 斌，张 英．高动态范围CMOS接收信号强度指示器设计［J］．无线电工程，2015，45（7）：83－86．

0 引言

李 斌男，（1981—），博士研究生，工程师。主要研究方向：射频集成电路设计。

2015-04-28

国家部委基金资助项目。

在无线通信系统中，由于多径衰减、传输损耗等信道效应以及复杂多变的通信环境等诸多因素的影响，天线接收到的信号强度将波动不定。因此需要在保证误码率的前提下压缩接收信号的动态范围，常用方法是采用自动增益控制（Automatic Gain Con-trol，AGC）环路实时调整信号增益，给基带电路提供稳定的输入信号幅度，与此同时也能大大降低对模数转换器（Analog-to-Digital Convert，ADC）采样精度的要求，保证接收机具有良好的性能。

张 英女，（1978—），硕士，工程师。主要研究方向：模拟仿真。