CN104639270B - 一种具有工艺稳定性的cmos集成接收信号强度指示器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有工艺稳定性的CMOS集成接收信号强度指示器，该接收信号强度指示器包含五个限幅放大器组成的限幅放大器链、六个偏置电流受控的全波整流器、电流源产生器以及第一至第二电阻和第一至第二N型金属氧化物晶体管组成的二阶低通网络；电流源控制器给电流受控的全波整流器提供与第一电阻成反比的偏置电流；使得在输入未饱和的情况下整流器的输出电流也与第一电阻成反比；所以最终在第一电阻上的电压不受电阻变化的影响；第一至第二N型金属氧化物晶体管的漏极和源极同时接地作为电容使用；在CMOS工艺中电阻往往受工艺变化影响很大，但是该CMOS集成接收信号强度指示器的输出对工艺变化具有较强的抑制能力。

Description

一种具有工艺稳定性的CMOS集成接收信号强度指示器

技术领域

本发明涉及一种以CMOS集成电路方式实现的具有抗工艺变化特性的接收信号强度指示器，属于模拟集成电路技术。

背景技术

在无线通信技术中，一个无线收发机通常需要接收信号的强度信息，据此可以进行定位测量、自动发射功率控制以保证稳定的信噪比或者调整接收机链路的增益来获得强度恒定的中频信号以进行更好的解调，这个功能一般通过接收信号强度指示器来实现。

基于限幅放大器链的对数放大器结构以其大输入动态范围和性能可靠的特点成为接收信号强度指示器的主要结构选择，全波整流器用于获得限幅放大器链路中每个节点的信号强度信息，这些信息经过求和与低通滤波之后输出。每级限幅放大器具有相同的增益和输出饱和电压，所以限幅放大器链中的限幅放大器的输入阈值以限幅放大器在线性区的增益为倍数逐级衰减，那么对各级限幅放大器而言使其分别达到输出限幅的输入阈值在输入信号强度的坐标轴上呈几何级数分布。而对应这些阈值的各限幅放大器输出的和(即接收信号强度指示器的输出)却呈线性关系，即在阈值点上输入与输出之间具有对数的关系，或者说是在dB域具有线性的关系。尽管相邻阈值之间的实际输入输出曲线是一条条直线，但是在误差允许范围内这种接收信号强度指示器的输入输出可以近似看作dB线性的关系。这种结构的接收信号强度指示器被称为逐次近似接收信号强度指示器，它可以获得较大的测量范围，一般达到80dB以上。

非平衡源极耦合对结构的全波整流器具有温度和工艺稳定性好的特点，其输出电流在电阻上求和并利用大电容滤除谐波，此即上述的限幅放大器输出的求和。电容的大小决定接收信号强度指示器输出纹波的大小。因此，如果求和电阻十分精确和稳定，可以实现很好的工艺稳定性、测量精度以及测量范围。传统上这个求和电阻以及上述滤波电容都是在片外实现。这样容易实现精确稳定的阻值，然而片外元件的使用会造成系统体积增加，降低了系统集成度。

随着电子系统规模和集成度的不断发展，越来越多的系统完全集成在一个单芯片上，因此一般希望尽量减少片外元件的使用，同时还要保证一定的性能。接收信号强度指示器的求和电阻如果在片内实现，能够大大降低无线收发机系统的体积。但是在CMOS工艺中，电阻的工艺稳定性较差，在不同的工艺角下最大能够达到30％以上的变化幅度，对应用具有极大的影响；另外，在片内实现电容也会占据庞大的芯片面积。

镜像电流源也称为电流镜(Current Mirror)，当在它的输入端输入一个参考电流Ir时，输出端将输出一个大小和方向都等于参考电流的输出电流Io，同时输出端提供较大的输出阻抗；电流镜利用预失真技术实现输出与输入之间的线性关系，同时通过版图的匹配设计还可以获得优良的工艺稳定性。

电流镜的作用：将输入支路的电流拷贝到输出支路，给其他子系统提供电流。

CMOS电流镜原理：如果两个工作在饱和区的尺寸相同MOS管的栅源电压相等，那么其沟道电流也相同。

发明内容

本发明的目的：在于提供一种可以片内集成电路方式实现的具有工艺稳定性的CMOS集成接收信号强度指示器，利用反馈技术使得全波整流器的输出电流的变化与求和电阻的变化(主要是工艺变化的原因，另外还有温度等原因)相互抵消，获得具有工艺稳定性的输出；另外，采用MOS管作电容并通过两级级联的低通网络滤波，因而降低了对高电容值的要求；使得在片内实现性能优良的接收信号强度指示器成为可能，有利于提高系统的集成度。

本发明的技术方案：一种具有工艺稳定性的CMOS集成接收信号强度指示器，包括限幅放大器链、全波整流器、电流源产生器，低通滤波网络；

所述限幅放大器链，包括n个限幅放大器，所述限幅放大器将信号幅度大于一定阈值的任何输入信号放大到一个确定的幅度输出，限幅放大器链中的限幅放大器的输入阈值以限幅放大器在线性区的增益为倍数逐级衰减；

所述电流源产生器对全波整流器提供偏置电流；

所述全波整流器接受电流源产生器提供的偏置电流，用于实现对限幅放大器链中节点电压信号的全波整流；其中：全波整流器的个数为N，N＝n+1；

所述低通滤波网络对全波整流器的输出电流作求和和低通滤波处理，输出电压信号；

所述限幅放大器链、全波整流器、电流源产生器和低通滤波网络均设置于所述接收信号指示器的芯片内部；

所述电流源产生器包括第一运算放大器、第三电阻、第五PMOS管、和2N个PMOS管；所述第一运算放大器的负输入端接参考电压，正输入端接第三电阻和第五PMOS管的漏极，第一运算放大器的输出端接第五PMOS管和2N个PMOS管的栅极；第三电阻的另一端接地；2N个PMOS管的源极接电源电压，漏极依次接N个全波整流器的第一偏置电流输入端和第二偏置电流输入端；

所述N个全波整流器的输入非平衡源极耦合对的非平衡度为8-12。

由于第一运算放大器、第三电阻和第五PMOS管构成电流电压负反馈，大的环路增益使得第一运算放大器的正输入端和负输入端之间具有虚短的效应，即第三电阻上的电压降等于参考电压并且不受工艺、温度、电源电压变化的影响(带隙基准电路可以产生这样的参考电压)，所以流过第五PMOS管的电流与第三电阻成反比。第五PMOS管与2N个PMOS管构成电流镜，因此全波整流器的偏置电流也与第三电阻成反比；而非平衡源极耦合对结构的全波整流器的输出电流直接由偏置电流决定，所以在输入信号未饱和的情况下整流器的输出电流与第三电阻成反比。这样整流器的输出电流与第一电阻的工艺变化方向相反，因此在第一电阻上形成的电压将不受电阻工艺变化的影响。

进一步的，所述低通滤波网络包括第一至第二电阻和第一至第二NMOS管；所述N个全波整流器的输出端连接在一起，接第一电阻、第二电阻和第一NMOS管的栅极；第一电阻的另一端接电源电压；第二电阻的另一端接第二NMOS管的栅极，作为所述接收信号强度指示器的输出端；第一NMOS管的漏极以及源极和第二NMOS管的漏极以及源极连接在一起，同时接地。由第一电阻、第一NMOS管、第二电阻与第二NMOS管组成的二阶低通网络对谐波更强的抑制能力使得不需要把滤波电容做的非常大，因此在片内以CMOS集成电路的形式实现了具有工艺稳定性的接收信号强度指示器。

进一步的，所述第三电阻与第一电阻采用相同的材料实现并在版图设计时采用共质心匹配的方式。

进一步的，所述限幅放大器链包括第一至第五限幅放大器；

所述偏置电流受控的全波整流器包括第一至第四PMOS管和第三至第六NMOS管，其中第二PMOS管和第四PMOS管的尺寸相等并匹配，第一PMOS管和第三PMOS管的尺寸相等并匹配，同时第二PMOS管和第四PMOS管的尺寸是第一PMOS管和第三PMOS管尺寸的十一倍；

所述电流源产生器包括第一运算放大器，第三电阻和第五至第十七PMOS管；

所述低通滤波网络包括第一至第二电阻和第一至第二NMOS管；

连接关系如下：输入信号接第一限幅放大器的输入端和第一全波整流器的输入端，第一限幅放大器的输出端接第二限幅放大器的输入端和第二全波整流器的输入端；第二限幅放大器的输出端接第三限幅放大器的输入端和第三全波整流器的输入端；第三限幅放大器的输出端接第四限幅放大器的输入端和第四全波整流器的输入端；第四限幅放大器的输出端接第五限幅放大器的输入端和第五全波整流器的输入端；第五限幅放大器的输出端接第六全波整流器的输入端；第一至第六全波整流器的输出端连接在一起，接第一电阻、第二电阻和第一NMOS管的栅极；第一电阻的另一端接电源电压；第二电阻的另一端接第二NMOS管的栅极，作为此接收信号强度指示器的输出端；第一NMOS管的漏极以及源极和第二NMOS管的漏极以及源极连接在一起，同时接地；

第一运算放大器的负输入端接参考电压，其正输入端接第三电阻和第五PMOS管的漏极，第一运算放大器的输出端接第五至第十七PMOS管的栅极；第三电阻的另一端接地；第五至第十七PMOS管的源极接电源电压，第六至第十七PMOS管的漏极依次接第一至第六全波整流器的第一偏置电流输入端和第二偏置电流输入端；第一至第六全波整流器具有相同的结构，其正输入端接第一PMOS管的栅极和第四PMOS管的栅极，其负输入端接第二PMOS管的栅极和第三PMOS管的栅极，其第一偏置电流输入端接第一PMOS管的源极和第二PMOS管的源极，其第二偏置电流输入端接第三PMOS管的源极和第四PMOS管的源极，其输出端接第六NMOS管的漏极；第一PMOS管的漏极和第三PMOS管的漏极连接在一起，并接第三NMOS管的漏极和栅极；第二PMOS管的漏极和第四PMOS管的漏极连接在一起，并接第五NMOS管的漏极；第四NMOS管的栅极接第三NMOS管的栅极，第四NMOS管的漏极接第五NMOS管的漏极和栅极以及第六NMOS管的栅极；第三至第六NMOS管的源极连接在一起接地。

本发明的有益效果是：该接收信号强度指示器的特点在于整个系统在片内实现，利用反馈技术使得全波整流器的输出电流的变化与求和电阻的变化相互抵消，具有较好的工艺稳定性；另外，采用MOS管作电容并通过两级级联的低通网络滤波，因而降低了对高电容值的要求；在片内实现性能优良的接收信号强度指示器，提高系统的集成度；且该接收信号强度指示器对工艺变化具有较强的抑制能力，而且输出纹波也较小。

附图说明

图1为本发明的主体部分的结构框图；

图2为本发明的电流源产生器和全波整流器的具体电路图；

图3为在片内实现求和电阻的接收信号强度指示器的输入输出特性在不同工艺角下的仿真结果以及其斜率；

图4为本发明的接收信号强度指示器的输入输出特性在不同工艺角下的仿真结果以及其斜率；

图5为本发明的接收信号强度指示器在输入信号强度分别为-60dBm、-40dBm、-20dBm和0dBm时不同工艺角下的输出端瞬态波形仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供了一种具有工艺稳定性的CMOS集成电路方式实现的接收信号强度指示器。本发明通过电流源产生器CG监控电阻的工艺变化，并利用运算放大器的高增益以及反馈机制将这个变化反向体现到全波整流器的偏置电流上，而且当全波整流器的输入非平衡源极耦合对的非平衡度较大时(本发明中选为十一比一)，全波整流器的输出电流与偏置电流近似成正比，因此，最终实现电阻的工艺变化的相互抵消，以片内集成的方式实现了能够抗工艺变化的CMOS接收信号强度指示器。

参见图1，本发明的具有工艺稳定性的CMOS集成接收信号强度指示器包括五个限幅放大器LA1、LA2、LA3、LA4、LA5组成的限幅放大器链，六个偏置电流受控的全波整流器CR1、CR2、CR3、CR4、CR5、CR6，电流源产生器CG和第一电阻R1、第一NMOS管N1、第二电阻R2与第二NMOS管N2组成的二阶低通网络；其中限幅放大器为差分输入差分输出的结构，全波整流器为差分输入单端输出结构；所有的全波整流器的偏置电流均由电流源产生器提供。

参见图2，给出了电流源产生器CG和全波整流器CR1、CR2、CR3、CR4、CR5、CR6的具体电路图。电流源产生器CG包括第一运算放大器A1，第三电阻R3和第五至第十七PMOS管P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16、P17；全波整流器包括第一至第四PMOS管P1、P2、P3、P4和第三至第六NMOS管N3、N4、N5、N6，其中第二PMOS管P2和第四PMOS管P4的尺寸相等并匹配，第一PMOS管P1和第三PMOS管P3的尺寸相等并匹配，同时第二PMOS管P2和第四PMOS管P4的尺寸是第一PMOS管P1和第三PMOS管P3尺寸的十一倍大小；

其连接关系如下：信号正输入端接第一限幅放大器LA1的正输入端和第一全波整流器CR1的正输入端，信号负输入端接第一限幅放大器LA1的负输入端和第一全波整流器CR1的负输入端；第一限幅放大器LA1的正输出端接第二限幅放大器LA2的正输入端和第二全波整流器CR2的正输入端，第一限幅放大器LA1的负输出端接第二限幅放大器LA2的负输入端和第二全波整流器CR2的负输入端；第二限幅放大器LA2的正输出端接第三限幅放大器LA3的正输入端和第三全波整流器CR3的正输入端，第二限幅放大器LA2的负输出端接第三限幅放大器LA3的负输入端和第三全波整流器CR3的负输入端；第三限幅放大器LA3的正输出端接第四限幅放大器LA4的正输入端和第四全波整流器CR4的正输入端，第三限幅放大器LA3的负输出端接第四限幅放大器LA4的负输入端和第四全波整流器CR4的负输入端；第四限幅放大器LA4的正输出端接第五限幅放大器LA5的正输入端和第五全波整流器CR5的正输入端，第四限幅放大器LA4的负输出端接第五限幅放大器LA5的负输入端和第五全波整流器CR5的负输入端；第五限幅放大器LA5的正输出端接第六全波整流器CR6的正输入端，第五限幅放大器LA5的负输出端接第六全波整流器CR6的负输入端；第一至第六全波整流器CR1、CR2、CR3、CR4、CR5、CR6的输出端连接在一起，接第一电阻R1、第二电阻R2和第一NMOS管N1的栅极；第一电阻R1的另一端接电源电压；第二电阻R2的另一端接第二NMOS管N2的栅极，作为此接收信号强度指示器的输出端；第一NMOS管N1的漏极以及源极和第二NMOS管N2的漏极以及源极连接在一起，同时接地。第一运算放大器A1的负输入端接参考电压，其正输入端接第三电阻R3和第五PMOS管P5的漏极，第一运算放大器A1的输出端接第五至第十七PMOS管P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16、P17的栅极；第三电阻R3的另一端接地；第五至第十七PMOS管P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16、P17的源极接电源电压，第六至第十七PMOS管P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16、P17的漏极依次接第一至第六全波整流器CR1、CR2、CR3、CR4、CR5、CR6的第一偏置电流输入端和第二偏置电流输入端；第一至第六全波整流器CR1、CR2、CR3、CR4、CR5、CR6具有相同的结构，其正输入端接第一PMOS管P1的栅极和第四PMOS管P4的栅极，其负输入端接第二PMOS管P2的栅极和第三PMOS管P3的栅极，其第一偏置电流输入端接第一PMOS管P1的源极和第二PMOS管P2的源极，其第二偏置电流输入端接第三PMOS管P3的源极和第四PMOS管P4的源极，其输出端接第六NMOS管N6的漏极；第一PMOS管P1的漏极和第三PMOS管P3的漏极连接在一起，并接第三NMOS管N3的漏极和栅极；第二PMOS管P2的漏极和第四PMOS管P4的漏极连接在一起，并接第五NMOS管N5的漏极；第四NMOS管N4的栅极接第三NMOS管N3的栅极，第四NMOS管N4的漏极接第五NMOS管N5的漏极和栅极以及第六NMOS管N6的栅极；第三至第六NMOS管N3、N4、N5、N6的源极连接在一起接地。

由于第一运算放大器A1、第三电阻R3和第五PMOS管P5构成电流电压负反馈，大的环路增益使得第一运算放大器A1的正输入端和负输入端之间具有虚短的效应，即第三电阻R3上的电压降等于参考电压并且不受工艺、温度、电源电压变化的影响，所以流过第五PMOS管P5的电流与第三电阻R3成反比。第五PMOS管P5与第六至第十七PMOS管P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16、P17构成电流镜，因此全波整流器的偏置电流也与第三电阻R3成反比；而非平衡源极耦合对结构的全波整流器的输出电流直接由偏置电流决定，所以在输入信号未饱和的情况下整流器的输出电流与第三电阻R3成反比。这样整流器的输出电流在第一电阻R1上形成的电压将不受电阻工艺变化的影响；另外第一电阻R1、第一NMOS管N1、第二电阻R2与第二NMOS管N2组成的二阶低通网络对谐波更强的抑制能力使得不需要把滤波电容做的非常大，因此在片内以CMOS集成电路的形式实现了具有工艺稳定性的接收信号强度指示器。

图3为在片内实现求和电阻的接收信号强度指示器的输入输出特性在不同工艺角下的仿真结果以及其斜率，可以看到尤其是对于较小输入信号强度的情况下接收信号强度指示器的输入输出关系随工艺变化很大；

图4为本发明的接收信号强度指示器的输入输出特性在不同工艺角下的仿真结果以及其斜率，在不同工艺角下接收信号强度指示器的输入输出关系基本不变，表现出工艺稳定性；

图5为本发明的接收信号强度指示器在输入信号强度分别为-60dBm、-40dBm、-20dBm和0dBm时不同工艺角下的输出端波形，可以看出，工艺变化仅仅带来输出信号建立时间的差异，而输出稳定值(终值)具有很好的工艺稳定性，从瞬态仿真的角度反映了本发明的工艺稳定性和较小的输出纹波。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (1)

1.一种具有工艺稳定性的CMOS集成接收信号强度指示器，其特征在于：包括限幅放大器链、全波整流器、电流源产生器，低通滤波网络；

所述限幅放大器链，包括n个限幅放大器，所述限幅放大器将信号幅度大于一定阈值的任何输入信号放大到一个确定的幅度输出，限幅放大器链中的限幅放大器的输入阈值以限幅放大器在线性区的增益为倍数逐级衰减；

所述电流源产生器对全波整流器提供偏置电流；

所述全波整流器接受电流源产生器提供的偏置电流，用于实现对限幅放大器链中节点电压信号的全波整流；其中：全波整流器的个数为N，N＝n+1；

所述低通滤波网络对全波整流器的输出电流作求和和低通滤波处理，输出电压信号；

所述限幅放大器链、全波整流器、电流源产生器和低通滤波网络均设置于所述接收信号指示器的芯片内部；

所述电流源产生器包括第一运算放大器(A1)、第三电阻(R3)、第五PMOS管(P5)、和2N个PMOS管；所述第一运算放大器(A1)的负输入端接参考电压，正输入端接第三电阻(R3)和第五PMOS管(P5)的漏极，第一运算放大器(A1)的输出端接第五PMOS管(P5)和2N个PMOS管的栅极；第三电阻(R3)的另一端接地；2N个PMOS管的源极接电源电压，漏极依次接N个全波整流器的第一偏置电流输入端和第二偏置电流输入端；

所述N个全波整流器的输入非平衡源极耦合对的非平衡度为8-12；

所述第三电阻(R3)与第一电阻(R1)采用相同的材料实现并在版图设计时采用共质心匹配的方式；

所述限幅放大器链包括第一至第五限幅放大器(LA1、LA2、LA3、LA4、LA5)；

偏置电流受控的全波整流器包括第一至第四PMOS管(P1、P2、P3、P4)和第三至第六NMOS管(N3、N4、N5、N6)，其中第二PMOS管(P2)和第四PMOS管(P4)的尺寸相等并匹配，第一PMOS管(P1)和第三PMOS管(P3)的尺寸相等并匹配，同时第二PMOS管(P2)和第四PMOS管(P4)的尺寸是第一PMOS管(P1)和第三PMOS管(P3)尺寸的十一倍；

所述电流源产生器(CG)包括第一运算放大器(A1)，第三电阻(R3)和第五至第十七PMOS管(P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16、P17)；

所述低通滤波网络包括第一至第二电阻(R1、R2)和第一至第二NMOS管(N1、N2)；

连接关系如下：输入信号接第一限幅放大器(LA1)的输入端和第一全波整流器(CR1)的输入端，第一限幅放大器(LA1)的输出端接第二限幅放大器(LA2)的输入端和第二全波整流器(CR2)的输入端；第二限幅放大器(LA2)的输出端接第三限幅放大器(A3)的输入端和第三全波整流器(CR3)的输入端；第三限幅放大器(A3)的输出端接第四限幅放大器(A4)的输入端和第四全波整流器(CR4)的输入端；第四限幅放大器(A4)的输出端接第五限幅放大器(A5)的输入端和第五全波整流器(CR5)的输入端；第五限幅放大器(A5)的输出端接第六全波整流器(CR6)的输入端；第一至第六全波整流器(CR1、CR2、CR3、CR4、CR5、CR6)的输出端连接在一起，接第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第一NMOS管(N1)的栅极；第一电阻(R1)的另一端接电源电压；第二电阻(R2)的另一端接第二NMOS管(N2)的栅极，作为此接收信号强度指示器的输出端；第一NMOS管(N1)的漏极以及源极和第二NMOS管(N2)的漏极以及源极连接在一起，同时接地；

第一运算放大器(A1)的负输入端接参考电压，其正输入端接第三电阻(R3)和第五PMOS管(P5)的漏极，第一运算放大器(A1)的输出端接第五至第十七PMOS管(P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16、P17)的栅极；第三电阻(R3)的另一端接地；第五至第十七PMOS管(P5、P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16、P17)的源极接电源电压，第六至第十七PMOS管(P6、P7、P8、P9、P10、P11、P12、P13、P14、P15、P16、P17)的漏极依次接第一至第六全波整流器(CR1、CR2、CR3、CR4、CR5、CR6)的第一偏置电流输入端和第二偏置电流输入端；第一至第六全波整流器(CR1、CR2、CR3、CR4、CR5、CR6)具有相同的结构，其正输入端接第一PMOS管(P1)的栅极和第四PMOS管(P4)的栅极，其负输入端接第二PMOS管(P2)的栅极和第三PMOS管(P3)的栅极，其第一偏置电流输入端接第一PMOS管(P1)的源极和第二PMOS管(P2)的源极，其第二偏置电流输入端接第三PMOS管(P3)的源极和第四PMOS管(P4)的源极，其输出端接第六NMOS管(N6)的漏极；第一PMOS管(P1)的漏极和第三PMOS管(P3)的漏极连接在一起，并接第三NMOS管(N3)的漏极和栅极；第二PMOS管(P2)的漏极和第四PMOS管(P4)的漏极连接在一起，并接第五NMOS管(N5)的漏极；第四NMOS管(N4)的栅极接第三NMOS管(N3)的栅极，第四NMOS管(N4)的漏极接第五NMOS管(N5)的漏极和栅极以及第六NMOS管(N6)的栅极；第三至第六NMOS管(N3、N4、N5、N6)的源极连接在一起接地。