WLAN射频接收端RSSI电路的设计

王 巍，牟 茂，林 涛，谢玉亭，胡 洁，杨丽君，袁 军，王冠宇

(重庆邮电大学光电工程学院，重庆400065)

无线本地局域网(Wireless Local Area Networks，WLAN)使用无线电波作为传输介质进行数据传输，具有速度快、结构简单等优势，适应了个人对数据通信发展的要求，它的通信范围不受外界条件的限制，具有巨大的应用前景和价值［1－2］。

无线通信系统中，接收机会随着传输距离和其他因素的影响，在大范围内发生变化，所以RSSI就用来指示接收到的当前信号的功率大小，以便后续工作。理想RSSI输入功率与输出电压呈线性，检测范围大，功耗低，不受环境影响。前人对RSSI的设计，已经在一定检测范围内呈线性变化，测试结果在可以接受的误差范围内，但在各个corner和温度下的稳定性介绍较少［3－4］。

本文设计了一种基于分段线性对数放大器结构的RSSI，需要对温度和工艺稳定性做出讨论，且使功耗低、动态范围大。

1 电路分析与设计

1.1 电路结构的提出

在WALN射频接收机中，RSSI检测通过低通滤波器后的信号功率强度，用来调整发送端发送功率及控制接收端的增益，以达到功率控制的目的。RSSI核心模块主要包括级联的限幅放大器(Limiting Amplifier)、全波整流器(FullWave Rectifier)、低通滤波器(Low Pass Filter)、偏置电路(Biasing Circuit)、直流失调消除电路(DC Cancellation Circuit)等组成，如图1 所示［5－8］。

图1 RSSI核心电路结构

1.2 电路分析

本设计分为两部分，第一部分是增益衰减，第二部分是RSSI核心电路。增益衰减是为通过LPF的信号提供衰减，以反映输入信号的真实强度;RSSI核心电路是实现功率强度指示性能的重要模块。

本项目射频接收系统中，LPF有30 dB和10 dB两种增益模式，为了反映在不同模式下信号的真实强度，本设计中，RSSI提供了－30 dB和－10 dB的增益衰减单元。

同时，无线收发机同时提供I、Q两路差分信号，其中I、Q是正交的。如图2所示，如果I/Q信号强度是a，希望平衡后运放的输出强度仍然是a，那么这个运放须要提供增益G=1/，也就是0.707。

图2 整体RX RSSI电路

如图3所示，希望输出强度和其中一个输入强度相等，由KCL规则可得

图3 I/Q信号和平衡运放的输出

图4为I/Q平衡运放设计整体结构。

图4 I/Q平衡运放结构

如图5所示，为了获得限幅输出，需要使用多级放大器级联，再经过反馈环路进行直流补偿。每级的整流器用来反映该级放大器输出幅度的大小，将整流后的电流进行叠加，经过一个RC低通滤波器，得到一个类似对数逻辑的RSSI输出，输出曲线用来反映接收信号的强度。具有分段线性对数功能的放大器输入输出关系曲线，类似对数关系的分段曲线。

图5 限幅放大器结构

限幅放大器级联级数的选择:当级数大于4时，最大误差小于3 dB，但是级数的增加又会减小限幅放大器的带宽;当级数较少时，带宽虽然较宽，但达到不了增益要求。所以既要满足一定误差范围，又要满足一定增益和动态范围指标，通过对资料的调研，使用7个放大器级联，且每级增益为10 dB。

限幅放大器结构采用折叠的二极管负载电路，输出摆幅较大，偏置电压较低。

由于限幅放大器是直接耦合，所以需要消除直流失调，本文采用一个起直流负反馈的低通滤波器，来抵消限幅放大器输入端产生的影响。限幅放大器的增益是

在信号强度检测电路中，全波整流器具有良好的稳定性、线性度和整流功能，它将限幅器输出的电压转化为电流。

全波整流器有多种实现结构，有的是消耗过多的功耗，有的则不适于低电源电压工作。图6为全波整流器的一种实现形式，它比较适合于低电压和低功耗工作的场合，其最小供电电压为Vtr1+2VOV，但是该结构对工艺角比较敏感。

图6 全波整流器结构图

如图7所示，全波整流器采用相同的2对非平衡差分输入对管组成非平衡的源极耦合对，它的2路电流值作为整流器的输出，M2和M1管的宽长比为K(K＞1)，假设各管都工作在饱和区，经推导得整流器的电压电流输出关系

确定了限幅放大器、全波整流器和直流消除电路后，本设计整体RSSI结构如图8所示。

图7 非平衡对全波整流器

图8 RSSI core结构

2 仿真结果与讨论

本文设计的RSSI基于SMIC 55 nm CMOS工艺下，采用Cadence Spectre对其仿真。整个RSSI电路原理图如图9所示。

图9 RSSI整体电路原理图

图10为限幅放大器在各corner下仿真结果，在误差范围内满足要求。图11为RSSI在不同corner和温度(tt－(－40)℃，tt－27℃，tt－120℃，ss－(－40)℃，ss－27℃，ss－120℃，ff－(－40)℃，ff－27℃，ff－120℃)下的仿真结果。结果表明，RSSI的检测误差在±0.5 dBm以内，动态检测范围≥60 dBm，消耗电流2.6 mA，RSSI输出电压范围为0.5 ～2.0 V，检测曲线的斜率为25 mV/dB，可以看出该RSSI具有良好的线性关系和稳定性。

如图12所示，在+40 dB建立时间为0.32μs，－40 dB为0.34μs，结果表明该RSSI具有建立时间短的特点。

图10 各corner下限幅放大器仿真结果(截图)

图11 RSSI在不同corner和温度的仿真结果(截图)

图12 RSSI建立时间(截图)

整体版图如图13所示，整体版图面积为480μm×160μm，RSSI core版图面积为:157μm×366μm。图14为RSSI后仿真结果。

图13 RSSI电路版图(截图)

图14 RSSI后仿真结果(截图)

本设计与前人设计的结果相比较见表1。可以看出本设计采用了SMIC 55 nm CMOS工艺;其次，RSSI在各corner和温度下，检测范围较大、误差范围较小、功耗较低;最后，本设计的RSSI版图面积最小、输出电压范围最大。本设计总体上满足设计要求，从电路结构、工艺、线性关系和稳定性上都有一定的优化。

表1 本文与文献结果性能比较

3 结论

本文基于SMIC 55 nm CMOS工艺，设计了一种基于分段线性对数放大器结构的RSSI，采用了7级限幅放大器级联，限幅放大器的输出增益为70 dB，检测范围为60 dBm，整个RSSI在各个corner和温度下，检测误差在±0.5 dB以内。RSSI core版图面积为157μm×366μm，整体版图面积为480μm×160μm，功耗为8 mW。相比以往文献，本文首次具体得出RSSI在各corner和温度下仿真结果，结果表明该设计具有良好的线性关系和稳定性;其次，本文首次提出建立时间，仿真结果表明，本设计建立时间较短，能较快达到稳定状态。本设计整体满足设计要求，在电路构建和仿真结果上，有一定的优化和改进。

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