CN101819229A - 高动态范围射频信号功率检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路设计技术领域，具体为一种射频信号功率检测电路。其包括整流器、增益可变的跨阻放大器、电平调整电路、高精度比较器、计数器与自动增益控制电路、RC校准电路和时钟产生和控制电路。本发明中的功率检测电路通过电压检测实现了射频信号功率检测的功能，并根据输入信号功率大小实现对检测电路动态范围的编程调节与控制。为了实现高精度和高动态范围，其中的RC充放电电路配有专门的RC校准电路。时钟产生电路用于控制比较器、RC充放电电路、RC校准电路及计数器与增益控制电路工作。由于在功率检测电路中加入了RC充放电电路、RC校准电路、自动增益控制电路，本发明实现了射频信号的高动态范围、高精度的对数-线性功率检测。

Description

高动态范围射频信号功率检测电路

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域。具体地涉及一种无线通信系统中的收发射机，模拟、射频电路的内嵌式自我检测和纠错的射频信号功率检测电路。

背景技术

射频信号功率检测电路是功率检测电路中的一种。它在无线通信系统、模拟射频电路的可测性设计和自我检测纠错中有着广泛的应用。图1说明了功率检测电路10在模拟、射频电路中所起的作用。它是连接控制模块或指示模块9和信号通路中信号11之间的桥梁，它可以检测出信号通路中所要求的点的即时信号功率大小，通过其检测所得的表征信号功率大小的电学量，来指示提供系统反馈控制的控制量，也可以指示信号功率，也可以指示系统是否正常工作等。近年来，随着无线传感网络、无线局域网以及射频识别技术的快速发展，CMOS工艺技术的不断提高，模拟射频电路的设计难度越来越大，设计代价和周期越来越大，越来越长，电路所需处理的信号强度要求苛刻，信号功率检测电路在这样的系统设计中的重要性越来越突出。

一方面，由图1可知，信号功率检测电路是独立于信号通路以外的一个子系统，其主要作用是检测信号功率供反馈控制或功率指示。因此功率检测电路必须保持其自身的独立性，不能对信号通路产生影响，同时又要适应各种输入信号条件。尤其在射频电路应用领域，信号频率和功率大小变化很大，而且多要求对数-线性检测，这对射频高动态范围、高精度信号功率检测提出了巨大的挑战。另一方面，由于这个系统并不是信号通路上的信号处理模块，因此对其功耗和面积也都有很高的要求，必须以最小代价的功耗和面积实现所需的信号功率检测功能。

目前通用的功率检测电路主要问题在于对数-线性检测的实现和高精度高动态范围的实现。目前普遍采用的办法是通过二极管或射级跟随器对信号滤波，得到电压的平方关系或者只是简单的电压幅度(包络)，并未实现对数线性检测。而且即使实现了对数线性检测，也都是利用MOS管的亚阈值特性或者是对指数关系的级数展开近似。容易知道，这样的利用管子的整流特性实现的检测往往有效精度的工作范围有限，尤其是在要实现对数-线性关系时，亚阈值工作范围小，指数近似范围也很有限，难以实现高动态范围高精度的射频信号功率检测。

发明内容

本发明目的在于提出一种射频信号功率检测电路。它利用RC充放电电路及其校准电路，通过跨阻放大器的可编程控制，实现了高动态范围的对数-线性功率检测。

本发明提出的功率检测电路，包括整流器(1)、可编程增益跨阻放大器(2)、电平调整电路(3)、比较器(4)、计数器与编程控制电路(5)、RC充放电电路(6)、RC校准电路(7)、时钟产生电路(8)。电路的连接方式如图(2)所示。其中待检测的功率信号送入整流器，整流器(1)将实现对输入信号电压值平方的转换，并输出一个与其成正比的电流信号I。此电流信号再送入跨阻放大器(2)，转化为电压信号V1，此V1通过电平调整电路(3)调整到适合比较器(4)工作的比较电平。比较器(4)的另一输入来自一个RC周期性的充放电电路(6)，此电压与时间满足指数关系，通过此RC充放电电压与上述检测电压值比较，得到一系列脉冲波V4，此脉冲波的脉宽即反映了信号功率大小。将此脉宽作为后续数字模块(5)的计数使能端，其计数值即反映了所检测信号的功率大小。

本发明采用了整流器，形成电压与电流的平方转换关系，将信号功率大小转换为与之成正比的电流大小。实现了功率的检测。它可以由二极管整流实现，也可以由MOS器件的平方律实现，也可以由MOS器件的亚阈值特性实现。

本发明使用了可编程的跨阻放大器，实现了功率检测的动态范围的扩展。它可以通过电阻反馈实现，也可以通过电容反馈实现，也可以通过共基(共栅)放大器实现。编程办法可以对负载编程，也可以对运放编程。

本发明利用RC充放电电路，实现了功率信号的高精度对数线性检测。

本发明使用了RC校准电路，实现了电路的高精度。

本发明使用了时钟产生与控制电路(8)，通过其合理系统中各模块的工作时间，在不需要工作时停止工作，实现了系统的低功耗。

本发明对比较器进行了去失调处理，实现了电路检测的高精度，去失调可以通过前置电容实现，也可以通过内部反馈实现。

本发明对代表输入信号功率大小的脉冲波脉宽计数，将其转化为数字信号，方便系统其他模块使用和处理。

本发明的一方面，提供了高精度的射频信号功率的对数-线性检测，由图2可以看出，利用RC的充放电电压和时间精确的满足指数关系，精确的是实现了对数-线性检测。

本发明的另一方面，为了扩大电路的动态范围，使用了反馈控制技术，通过数字量的反馈控制(5)和跨阻放大器的可编程设计(2)，大大扩展了信号功率的检测范围。

本发明的另一方面，由于最后的检测输出体现为脉冲宽度，与RC时间常数成正比，故为了提高测试精度，我们设计了专门的RC校准模块(7)。

本发明的另一方面，同过合理的时钟控制，严格控制各模块的工作，使系统功耗降至最低，对整体接收机功耗影响几乎为零。

另外，本发明中的功率检测电路可以包括各种其它电路模块和设备。

本发明通过RC充放电电路以及相应校准电路，实现了高动态范围高精度的射频信号功率检测，而且通过可编程控制技术，对其中放大器增益编程控制，进一步扩展了电路的功率检测范围。而且合理控制电路模块的工作时间，节省了电路的低功耗，实现了低功耗条件下的高动态范围高精度射频信号功率检测。

附图说明

图1是一个介绍射频信号功率检测电路在模拟、射频电路中作用的示意图。

图2是本发明提出的射频信号功率检测电路设计实现的电路原理图。

图3是本发明提出的射频信号功率检测电路的一种具体实施图。

具体实施方式

下面结合图3，详细描述实施本发明的一个具体实例。

在图3中，一个电阻反馈的运放并通过对反馈电阻的编程(12)实现了电流到电压的转换。构成了一个可编程增益的跨阻放大器(6)，增益由计数器及反馈控制模块(5)提供的若干位位数字码控制。射级跟随器(13)起到了简单的电平调整(7)的作用。图1中的比较器(4)在这里采用迟滞比较器(17)实现。迟滞比较器起到了电压比较器的作用(4)，引入迟滞功能是为了抵御噪声和信号波动的影响。

当输入一定功率信号时，整流器输出一个与此信号平均功率成正比的电流，此电流流经电阻反馈的跨阻放大器，得到一个与信号功率成正比的电压信号。同时RC电路周期性充放电，在电容充电时迟滞比较器(14)关闭，射级跟随器(13)工作；放电时，迟滞比较器(14)开始工作，将此电容上的电压与射级跟随器(13)输出电压V2比较，当电容电压V3高于V2时，比较器输出为高电平，反之则为低。利用V3与时间成指数关系的特点。比较器输出V4高电平时间的长短即与信号功率相关，而且呈对数-线性关系。在此之后再接上计数器与编程控制模块(5)，利用V4作为计数器的使能端，则计数器的输出即代表了信号功率大小。同时这个计数值又可进一步反馈控制前面的跨阻放大器(12)。同时由于我们另外对RC充放电电路在电路工作前进行校准，保证了信号功率检测的精确度。通过以上这些技术，实现了高动态范围高精度的射频信号功率的对数-线性检测。解决了现有技术中对数-线性检测和动态范围过低的问题。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种射频信号功率检测电路，其特征在于由整流器(1)、可编程增益跨阻放大器(2)、电平调整电路(3)、RC充放电电路(6)、RC校准电路(7)、时钟产生电路(8)和计数器与编程控制电路(5)组成，通过比较检测到的与功率相关的电压与电容放电电压，输出反馈控制动态范围，实现高动态范围，高精度对数-线性功率检测；其中，待检测的功率信号送入整流器，整流器(1)实现对输入信号电压值平方的转换，并输出一个与其成正比的电流信号I；此电流信号再送入跨阻放大器(2)，转化为电压信号V1，此电压信号V1通过电平调整电路(3)调整到适合比较器(4)工作的比较电平；比较器(4)的另一输入来自一个RC周期性的充放电电路(6)，此电压与时间满足指数关系，通过此RC充放电电压与上述检测电压值比较，得到一系列脉冲波V4，此脉冲波的脉宽即反映了信号功率大小；将此脉宽作为后续数字模块(5)的计数使能端，其计数值即反映了所检测信号的功率大小。

2.根据权利要求1所述的射频信号功率检测电路，其特征在于采用整流器，形成电压与电流的平方转换关系，将信号功率大小转换为与之成正比的电流大小；实现了功率的检测；它由二极管整流实现，或者由MOS器件的平方律实现，或者由MOS器件的亚阈值特性实现。

3.根据权利要求1所述的射频信号功率检测电路，其特征在于使用可编程的跨阻放大器，实现了功率检测的动态范围的扩展；它通过电阻反馈实现，或者通过电容反馈实现，或者通过共基或共栅放大器实现；编程办法为对负载编程，或者为对运放编程。

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