CN107202917A - 一种逆rssi架构的射频功率检测器 - Google Patents

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田帆
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杨帆
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Abstract

本发明提供一种逆RSSI架构的射频功率检测器，包括衰减阵列、整流器和稳定电阻，该衰减阵列采用逆RSSI架构，包括多级衰减单元，将输入的功率信号进行逐级衰减，产生不同幅度的功率信号；每一级衰减单元的输出端都连接一相同架构的整流器，该整流器接收功率信号并产生幅度相关的直流电流；所有整流器的输出端共同连接一稳定电阻，直流电流通过该稳定电阻产生电压信号。本发明将RSSI架构逆用，提出逆RSSI架构，将级联放大改换成级联衰减，无需直流失调消除模块，简化其结构的同时，增大射频功率检测器的动态范围，能够检测高功率射频信号。

Description

一种逆RSSI架构的射频功率检测器
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，涉及一种射频功率检测器，具体涉及一种大动态工作范围、能检测高功率的逆RSSI型射频功率检测器。
背景技术
在现今的发射机中，功率检测器至关重要。随着越来越多的频带向民用开放，被使用的频带越来越多，不同频带同时工作的并存网络彼此间为独立的干扰源，干扰着彼此工作；同时，在同一网络中，不同用户终端也彼此干扰，所以，为与其他用户共存，保证用户终端通信质量，必须要确保彼此之间的干扰在容许范围内。同时，在满足正常通信的前提下，现代通信系统更期望尽可能降低发射功率，提高系统性能，延长终端用户的使用时间。因此，控制发射功率的模块，已经成为发射链路中不可或缺的组成部分。其中的功率检测器必不可少。
传统的功率控制模块如图1所示，一般由两个部分组成，第一部分为功率检测器(Power Detector，PD)，确定发射器端功率放大器(PowerAmplifier，PA)的实际输出功率；第二部分为控制信号产生模块，其输出控制信号，控制数字基带、RF前端，进而控制功率放大器功率的大小。其中，功率检测器是整个功率控制模块的基础。
射频功率检测器实现方式多种多样。一种传统的方式为采用热敏电阻，将电能转化为热能，改变热敏电阻的阻值，然后再转化为电信号，由于热敏电阻，不能被集成，因此面积较大、成本较高。另一种是根据信号幅度检测其功率，根据幅度进行功率检测的基本原理为：让信号通过一个非线性器件，产生一些直流分量，由于直流分量跟信号幅度成正比，而信号幅度与其功率成正比，因此可根据直流分量的大小推断功率。常用的非线性器件有三极管或工作于弱反型区的MOS管、工作于饱和区的MOS管。但是由于标准的CMOS工艺能够承受的电压较小，因此其检测大功率的能力较弱，检测功率低，而且动态范围较小。
传统接收机结构如图2所示，RSSI(Received Signal Strength Indication，RSSI)架构是用于传统接收机中接受的信号强度的一种结构，其传统架构如图3所示。
图4所示为一种传统整流器架构示意图。其单个整流器的输出特性如图5所示，当输入功率过小时，即Pin<PIL时，其输出电流恒为IOM；当输入功率足够大时，即Pin>PIM时，其输出电压恒为IOL，当输入PIL<Pin<PIM时，其输出电流近似和输入信号功率呈线性。由此可知，单阶整流器具有在一定功率范围内，随输入功率增加，输出电流呈线性减小的物理特性，但单阶整流器的动态工作范围极小。
发明内容
针对传统的射频功率检测器的缺点，本发明提出一种逆RSSI架构的射频功率检测器，将RSSI架构逆用，提出逆RSSI架构，将级联放大改换成级联衰减，无需直流失调消除模块，简化其结构的同时，增大射频功率检测器的动态范围，能够检测高功率射频信号。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种逆RSSI架构的射频功率检测器，包括衰减阵列、整流器和稳定电阻，该衰减阵列采用逆RSSI架构，包括多级衰减单元，将输入的功率信号进行逐级衰减，产生不同幅度的功率信号；每一级衰减单元的输出端都连接一相同架构的整流器，该整流器接收功率信号并产生幅度相关的直流电流；所有整流器的输出端共同连接一稳定电阻，直流电流通过该稳定电阻产生电压信号。
进一步地，每一级衰减单元由第一电容和第二电容串联组成，第二电容的远离第一电容的一端接地；从衰减阵列的输入端起，下一级的第一电容的输入端连接于上一级的第一电容和第二电容之间；电容大小选取应避免MOS管寄生的影响。
进一步地，电容为MIM电容，避免电容因输入功率过大被击穿。
进一步地，每一整流器连接于所在级衰减单元的第一电容和第二电容之间。
进一步地，每一级衰减单元由第一电阻和第二电阻串联组成，第二电阻的远离第一电阻的一端接地；从衰减阵列的输入端起，下一级的第一电阻的输入端连接于上一级的第一电阻和第二电阻之间；电阻大小选取应避免MOS管寄生的影响。
进一步地，每一整流器连接于所在级衰减单元的第一电阻和第二电阻之间。
进一步地，整流器为含有一非平衡交叉耦合对的CMOS整流器，包括作为输入对管的两对非平衡NMOS管、作为电流镜的两对PMOS管和尾电流源；尾电流源提供输入对管的总电流；两对NMOS管漏端交叉耦合，并连接到相应的PMOS管漏端；还包括两个辅助电容，连接于该两对NMOS管的漏端，辅助电容的大小应能稳定电压。
进一步地，该整流器的两对NMOS管为非平衡MOS管，两对PMOS管相同，NMOS的W/L适应于衰减阵列的每级衰减幅度。
进一步地，稳定电阻为rpposab电阻。
本发明提供的逆RSSI架构的射频功率检测器如图6所示，采用的整流器是在传统整流器基础上进行了改造，加入CA、CB两个辅助电容，提高射频功率检测器的承受高功率的能力，如图7所示。这是由于输入NMOS管存在栅漏寄生电容CGD，过大的输入信号会通过CGD泄露到A、B点破坏MOS管的工作状态，导致输出非线性的产生，于是，本发明在A、B点添加去耦电容CA、CB。去耦电容CA、CB的引入能够抑制泄露信号，稳定A点和B点的直流工作点，保证所有MOS管工作在饱和区。
本发明的逆RSSI架构通过级联衰减的方法，将单个整流器的输出曲线向右平移叠加产生大动态范围的新输出特性，如图8所示。原始信号进入衰减阵列后产生不同幅度的信号，进入各自的整流器，产生和幅度相关的直流电流，叠加后直流电流的大小反映输入信号的功率，大大提高了功率检测器的动态范围。最后，输出的直流电流输入到稳定电阻上，产生电压信号，以便控制信号产生模块检测。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本检测器的动态范围由每级衰减功率和级数的乘积决定，合理地设计整流器的线性输入区间和级数能够极大拓展动态范围；通过设计级联数目，能够实现不同动态输入范围，能够兼容不同系统的需求；由于衰减阵列的存在，功率检测器的可承受输入功率增大。
本发明的原理简单，衰减阵列容易实现，不存在直流偏差问题，不需要附加电路，简化了系统。本发明兼容标准CMOS工艺，即使在承受巨大功率情况下，依然可使用标准CMOS工艺，无需使用BICMOS工艺，集成度高，成本低。
附图说明
图1是传统功率控制模块的架构及在发射机中的位置示意图。
图2是传统接收机结构示意图。
图3是传统RSSI架构示意图。
图4是一种传统的整流器架构示意图。
图5是单阶整流器的输出特性曲线图。
图6是本发明的一种逆RSSI架构的射频功率检测器架构示意图。
图7是一种优化的可承受高输入电压的整流器架构示意图。
图8是本发明提出的射频功率检测器输出特性曲线图。
图9是实施例中一种7级逆RSSI架构的射频功率检测器架构示意图。
图10是实施例中另一种7级逆RSSI架构的射频功率检测器架构示意图。
图11是实施例中一种单级整流器架构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
本实施例提供一种逆RSSI架构的射频功率检测器，如图9所示，是在SMIC的CMOS180nm工艺中实现。
本射频功率检测器使用了7级衰减阵列，衰减阵列由MIM电容构成，不能使用MOS电容，这是因为输入的功率过大，采用MIM电容可避免被击穿，其中CX＝248fF，CY＝248fF，CZ＝124fF，实现了每级的衰减幅度约为6dB，衰减幅度但不以为限，根据具体情况而定。采用电容实现衰减阵列，可以吸收MOS管的寄生电容，提高衰减幅度的精度。每级的衰减节点1,2,3,4,5,6,7处分别连接一个结构相同的整流器。需指出的是，衰减阵列也可以由电阻构成，其结构及与整流器的连接关系都与上述使用电容一样，通过合理设置电阻大小也能实现相同的衰减幅度，如图10所示。
本射频功率检测器采用的整流器是一种非平衡交叉耦合对的CMOS整流器，如图11所示，但并不以为限，也可以采用其它架构的整流器，只要能满足接收大功率信号并产生幅度相关的直流电流，且无寄生电容影响，保证精度即可。两对非平衡NMOS管：M1、M2的栅端相连，M3、M4的栅端相连，M1、M2和M3、M4在输出端A点和B点交叉耦合，其中两对MOS管的W/L之比均为1：K，K＝5。NMOS管M1和M3的M2和M4的以上W/L值并不以为限，可根据具体情况合理设置。
输入伪差分，一端输入信号VIN连接电容Co的一端，Co的另一端连接Ro的一端，Ro的另一端连接直流电压点VBH，用于形成高频通路，使VIN输入的高频信号进入；另一端无输入信号，地信号连接电容Co的一端，Co的另一端连接Ro的一端，Ro的另一端连接直流电压点VBH形成对称，输入对管M1，M2，M3，M4的直流偏置点由VBH决定。本发明采用非平衡交叉耦合对的CMOS整流器，独特之处在于添加了两个辅助电容CA、CB，其电容要足够大，能够稳定其在大信号输入下的直流工作点，本实施例中CA＝CB＝5pF，但不以为限。M5、M6、M7、M8尺寸一致，M9、M10尺寸一致，M9、M10的栅端相连到直流电压VBL用于产生偏置尾电流8uA。稳定电阻RES选择rpposab电阻，阻值80KΩ，但不限制是rpposab电阻及其阻值，理论上选择温度系数越小的电阻越好，在标准工艺CMOS中选择rpposab电阻是因为此种电阻的温度系数最小，减少温度带来的影响，实际当中可根据具体情况合理选择电阻类型及阻值。
仿真结果显示，在CMOS 180nm工艺中，本实施例的射频功率检测器具有42dB动态范围，最大能检测+30dBm。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (9)

1.一种逆RSSI架构的射频功率检测器，包括衰减阵列、整流器和稳定电阻，该衰减阵列采用逆RSSI架构，包括多级衰减单元，将输入的功率信号进行逐级衰减，产生不同幅度的功率信号；每一级衰减单元的输出端都连接一相同架构的整流器，该整流器接收功率信号并产生幅度相关的直流电流；所有整流器的输出端共同连接一稳定电阻，直流电流通过该稳定电阻产生电压信号。
2.根据权利要求1所述的射频功率检测器，其特征在于，每一级衰减单元由第一电容和第二电容串联组成，第二电容的远离第一电容的一端接地；从衰减阵列的输入端起，下一级的第一电容的输入端连接于上一级的第一电容和第二电容之间。
3.根据权利要求2所述的射频功率检测器，其特征在于，电容为MIM电容。
4.根据权利要求2所述的射频功率检测器，其特征在于，每一整流器连接于所在级衰减单元的第一电容和第二电容之间。
5.根据权利要求1所述的射频功率检测器，其特征在于，每一级衰减单元由第一电阻和第二电阻串联组成，第二电阻的远离第一电阻的一端接地；从衰减阵列的输入端起，下一级的第一电阻的输入端连接于上一级的第一电阻和第二电阻之间。
6.根据权利要求5所述的射频功率检测器，其特征在于，每一整流器连接于所在级衰减单元的第一电阻和第二电阻之间。
7.根据权利要求1、4或6所述的射频功率检测器，其特征在于，整流器为含有一非平衡交叉耦合对的CMOS整流器，包括作为输入对管的两对非平衡NMOS管、作为电流镜的两对PMOS管和尾电流源；尾电流源提供输入对管的总电流；两对NMOS管漏端交叉耦合，并连接到相应的PMOS管漏端；还包括两个辅助电容，连接于该两对NMOS管的漏端。
8.根据权利要求7所述的射频功率检测器，其特征在于，该整流器的两对NMOS管为非平衡MOS管，两对PMOS管相同。
9.根据权利要求1所述的射频功率检测器，其特征在于，稳定电阻为rpposab电阻。
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