CN102299752A - 预校准射频功率检测器 - Google Patents

Abstract

一种预校准射频功率检测器，包括功率检测核电路和预校准电路；功率检测核电路包括：接收第一射频信号并输出第二射频信号的射频信号输入级；对第二射频信号中功率信息和谐波分量进行分拣的射频功率分拣电路；产生对应射频功率信息的输出电压信号的射频信号输出级；预校准电路包括：将输出电压信号与参考校准电压进行比较并输出判决信号的校准检测电路；根据判决信号产生调高/调低输出电压信号的控制信号的校准控制电路；根据控制信号而输出电流至功率检测核电路以调高/调低输出电压信号的校准电流阵列电路。本发明具有预校准功能，确保输出一个和预设定的期望值相同的静态电压值，且不受温度、工艺等干扰的影响，使本发明具有很好的抗干扰能力。

Description

预校准射频功率检测器

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种应用于射频增益控制电路中的预校准射频功率检测器。 

背景技术

随着技术的不断发展，射频器件的市场在不断扩大，其应用领域包括传统的蜂窝电话和无线电话，以及目前正在逐渐发展的其他领域，如无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)、射频识别标签(RFID)、库存监视器、卫星收发器以及在全球范围内迅速发展的数字电视。例如，中国移动多媒体广播(China Mobile Multimedia Broadcasting，CMMB)系统是国内自主研发的第一套面向手机、PDA、数码相机、笔记本电脑等多种移动终端的标准，利用S波段信号实现“天地”一体覆盖。2006年10月24日，国家广电总局正式颁布了中国移动多媒体广播标准，确定采用我国自主研发的移动多媒体广播行业标准。 

在所有这些射频应用电路中，信号在传播中都会受到来自多方面因素的影响，比如在传播时会受到传播介质的吸收，地面及建筑物的折射、反射等。由于传播途径的不同，受这些因素影响的程度也大相径庭，使得到达射频接收机的信号的能量大小会呈现出随时间而变化的特性。为了使接收机能够正常工作，常常需要信号在通过射频路径后，输出的幅度能保持在一个恒定的值。这就需要通过增益控制环路来调节射频路径上各个模块的增益，使得经过这些射频路径的信号能维持在一个恒定值上下，方便下级电路的处理。在增益控制环路中，功率检测是其中最为关键的环节之一。 

功率检测器用来检测射频信号的功率信息，被广泛应用于射频电路中。在目前的技术下，功率检测器主要有两种类型，即热效应检测器(Thermal Detector)和平方率检测器(Square Law Detector)。热效应检测器存在诸多缺陷，例如容易受到邻近电路耦合的干扰，使其难以集成到集成电路中。另一方面，对于同样应用平方率原理的二极管(Diode)和三极管(Bipolar)功率检测器，它们则受限于很小的动态范围。 

发明内容

本发明解决的问题是提供一种预校准射频功率检测器，以解决现有功率检测器易受干扰、 基准输出电压信号漂移等问题。 

为解决上述问题，本发明提供一种预校准射频功率检测器，包括功率检测核电路和预校准电路； 

所述功率检测核电路包括：射频信号输入级，用于接收第一射频信号并输出第二射频信号；所述第二射频信号中包括对所述第一射频信号进行平方操作所产生的功率信息和谐波分量；射频功率分拣电路，用于对所述射频信号输入级输出的所述第二射频信号中功率信息和谐波分量进行分拣，并输出所述第二射频信号中功率信息；射频信号输出级，与所述射频功率分拣电路连接，用于产生对应射频功率信息的输出电压信号； 

所述预校准电路包括：校准检测电路，用于将所述功率检测核电路的输出电压信号与预设的参考校准电压进行比较，输出判决信号；校准控制电路，用于根据所述校准检测电路输出的判决信号产生调高输出电压信号或调低输出电压信号的控制信号；校准电流阵列电路，用于根据所述校准控制电路的控制信号而输出电流至所述功率检测核电路以调高输出电压信号或调低输出电压信号，获得稳定的输出电压信号。 

可选地，所述射频信号输入级包括：第一NMOS管和第二NMOS管；第一NMOS管的栅极接收正性第一射频信号，第二NMOS管的栅极接收负性第一射频信号；第一NMOS管的源极与第二NMOS管的源极连接；第一NMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极连接，用于输出第二射频信号。 

可选地，所述射频功率分拣电路包括电阻和电容。 

可选地，所述射频信号输出级包括：第一PMOS管、第二PMOS管以及负载电阻；第一PMOS管的栅极与所述射频功率分拣电路连接，其源极接电源电压，其漏极与第二PMOS管的源极连接，第二PMOS管的栅极与偏置电压连接，第二PMOS管的漏极与负载电阻连接，作为用于输出电压信号的输出端。 

可选地，所述校准检测电路为电压比较器；当所述功率检测核电路的输出电压信号大于预设的参考校准电压时，输出调低所述功率检测核电路的输出电压信号的判决信号；当所述功率检测核电路的输出电压信号小于预设的参考校准电压时，输出调高所述功率检测核电路的输出电压信号的判决信号。 

可选地，所述校准电流阵列电路与所述校准控制电路和功率检测核电路的射频信号输出级连接，包括注电流电路、抽电流电路以及用于选择所述注电流电路或所述抽电流电路的选择开关；所述注电流电路包括多级注电流支电路，所述每一级的注电流支电路包括PMOS管和切换开关，且，后一级的注电流支电路中电流强度是前一级的注电流支电路中电流强度的2 倍；所述抽电流电路包括多级抽电流支电路，所述每一级的抽电流支电路包括NMOS管和切换开关，且，后一级的抽电流支电路中电流强度是前一级的抽电流支电路中电流强度的2倍。 

可选地，所述校准控制电路采用的是二分法控制，输出的控制信号为一串控制字符。 

本发明提出的预校准射频功率检测器，具有预校准功能，可使得功率检测核电路的静态输出值可以很好的跟随期望的基准值，提高射频检测的检测精度，并且具有很好的电路韧度，可以克服在射频集成电路中大量存在的各种干扰，如工艺制造偏差、温度变化和邻近电路串扰等。 

附图说明

图1为本发明预校准射频功率检测器在较佳实例中的电路示意图； 

图2为图1中射频信号输入级的电路示意图； 

图3为图1中校准电流阵列电路的电路示意图。 

具体实施方式

鉴于现有应用于射频自动增益控制环路中的功率检测器存在易受射频电路干扰、基准输出电压信号漂移等，影响功率检测的准确性的问题，本发明的发明人对现有技术进行了改进，提出了一种预校准功能射频平方功率检测器，使得射频检测具有更高的检测精度，并且具有很好的电路韧度，可以抵抗在射频集成电路中大量存在的各种干扰，如工艺制造偏差、温度变化和邻近电路串扰等，为整个功率检测电路提供了一套简单、有效、可靠的解决方案。 

以下将通过具体实施例来对本发明所提出的预校准射频功率检测器进行详细说明。在本发明的一个实例中，采用预校准射频功率检测器的射频自动增益控制技术是应用在一款中国移动多媒体广播(CMMB)移动电视接收机芯片中。 

图1为本发明为本发明预校准射频功率检测器在一实施例中的电路示意图。如图1所示，本发明预校准射频功率检测器主要包括：功率检测核电路和预校准电路。 

功率检测核电路用于检测功率。在本实施例中，功率检测核电路包括：由NMOS管M3和NMOS管M4构成的射频信号输入级，其中，NMOS管M3的栅极和NMOS管M4的栅极作为信号输入端；由电阻R1和电容C1构成的射频功率分拣电路；由PMOS管M8、PMOS管M9以及负载电阻R2、R3构成的射频信号输出级，其中，PMOS管M9的漏极与负载电阻R2连接，作为信号输出端；以及，由NMOS管M1和M2、PMOS管M5和M6、以及PMOS 管M10、M11和NMOS管M12构成的偏置电路。 

对于射频信号输入级，其中，NMOS管M3的栅极作为用于接收正性第一射频信号V+的信号输入端，NMOS管M4的栅极作为用于接收负性第一射频信号V-的信号输入端；NMOS管M3的源极与NMOS管M4的源极连接；NMOS管M3的漏极与NMOS管M4的漏极连接，用于输出第二射频信号。 

另外，在射频信号输入级旁侧还配置有由NMOS管M1和M2、PMOS管M5和M6所构成的偏置电路。NMOS管M1的栅极作为用于接收偏置电压Vb1的信号输入端，NMOS管M1的源极接地GND，NMOS管M1的漏极与NMOS管M3的源极和NMOS管M4的源极连接；NMOS管M2的栅极作为用于接收偏置电压Vb2的信号输入端，NMOS管M2的源极与NMOS管M3的源极和NMOS管M4的源极连接，NMOS管M2的漏极与PMOS管M5的漏极连接；PMOS管M5的栅极与PMOS管M5的漏极连接，PMOS管M5的源极接电源电压VDD；PMOS管M6的栅极与PMOS管M5的栅极连接，PMOS管M6的源极接电源电压VDD，PMOS管M6的漏极与NMOS管M3的漏极连接。 

利用射频信号输入级，可以将接收的第一射频信号转换为第二射频信号，所述第二射频信号中包括对所述第一射频信号进行平方操作所产生的功率信息和谐波分量。 

请参阅图2，其显示了图1中射频信号输入级的电路示意图。 

对于理想的CMOS器件，其输出特性可以表示为： 

$I_d=\frac{k}{2}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}^2;---\left(1\right)$

其中，I_d为CMOS晶体管的漏极电流，k为工艺参数，V_GS、V_TH分别为CMOS晶体管的栅源和开启电压。 

如图2所示，当第一射频信号，以正弦信号v_in＝Asin(ωt)为例，施加到作为输入级的NMOS管M3、M4的栅极。此时，NMOS管M3、M4这两个晶体管的栅源电压分别为： 

$V_{\mathrm{GS}3}=V_b+\frac{A}{2}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)=V_b+\frac{V_{\mathrm{in}}}{2};---\left(2\right)$

$V_{\mathrm{GS}4}=V_b-\frac{A}{2}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)=V_b-\frac{v_{\mathrm{in}}}{2};---\left(3\right)$

其中，V_b代表NMOS管M3、M4的偏置电压。这样，NMOS管M3、M4的漏极电流分别为： 

$I_{d3}=\frac{k}{2}\frac{W}{L}{(V_b+\frac{v_{\mathrm{in}}}{2}-V_{\mathrm{TH}})}^2;---\left(4\right)$

$I_{d4}=\frac{k}{2}\frac{W}{L}{(V_b+\frac{v_{\mathrm{in}}}{2}-V_{\mathrm{TH}})}^2;---\left(5\right)$

因此，通过将NMOS管M3、M4中的漏极相接，就可以得到第二射频信号的信号成分： 

$I_{d\mathrm{3,4}}=I_{d3}+I_{d4}=k\frac{W}{L}[\frac{v_{\mathrm{in}}^2}{4}+{(V_b-V_{\mathrm{TH}})}^2];---\left(6\right)$

可以看出，第二射频信号中的信息包括对第一射频信号进行平方操作所产生的各个信号以及直流偏置量。而对第一射频信号进行平方操作可以得到第一射频信号的功率信息(是一个低频信号)以及随之产生的谐波分量。 

事实上，由NMOS管M3、M4输出的第二射频信号还只是电流信号，为便于后续处理，本发明的功率检测核电路还包括有位于射频信号输入级和射频功率分拣电路之间的PMOS管M7，PMOS管M7的源极接电源电压VDD，PMOS管M7的漏极与NMOS管M3、M4的漏极连接，PMOS管M7的栅极与PMOS管M7的漏极以及射频功率分拣电路连接。PMOS管M7的作用在于：将由射频输入级中NMOS管M3、M4输出的为电流信号形式的第二射频信号转化为电压信号形式的第二射频信号，并输出至射频功率分拣电路。 

对于射频功率分拣电路，包括电阻R1和电容C1，其中，电阻R1的一端与PMOS管M7的栅极连接，电阻R1的另一端与电容C1以及射频信号输出级连接，电容C1的一端与电阻连接，电容的C1的另一端接电源电压VDD。利用包括电阻R1和电容C1的射频功率分拣电路，实现低通滤波，可以将射频信号输入级输出的第二射频信号中功率信息和谐波分量进行分离，并将分拣出的射频功率信息传送至射频信号输出级。 

对于射频信号输出级，包括：PMOS管M8、M9、以及负载电阻R2、R3。PMOS管M8的栅极与所述射频功率分拣电路(即电阻R1和电容C1的连接点)连接，PMOS管M8的源极接电源电压VDD，PMOS管M8的漏极与PMOS管M9的源极连接；PMOS管M9的栅极与偏置电压连接，PMOS管M9的漏极与负载电阻R2连接，作为用于输出电压信号的输出端；负载电阻R2与负载电阻R3相连，负载电阻R2的另一端与PMOS管M9的漏极连接，负载电阻R3的另一端接地GND。 

另外，在射频信号输出级旁侧还配置有由PMOS管M10、M11和NMOS管M12所构成的偏置电路。PMOS管M10的源极接电源电压VDD，PMOS管M10的栅极与PMOS管M10的漏极连接，PMOS管M10的漏极与PMOS管M11的源极连接，PMOS管M11的栅极与PMOS 管M9的栅极连接，PMOS管M11的漏极与PMOS管M11的栅极连接，NMOS管M12的栅极作为用于接收偏置电压Vb1的信号输入端，NMOS管M12的源极接地GND，NMOS管M12的漏极与PMOS管M11的漏极连接。 

利用射频信号输入级，产生对应射频功率信息的输出电压信号。 

预校准电路用于对功率检测核电路输出的对应射频功率信息的输出电压信号进行校准。所述预校准电路包括：校准检测电路I1、校准控制电路I2和校准电流阵列电路I3。 

校准检测电路I1，用于将所述功率检测核电路的输出电压信号与预设的参考校准电压进行比较，输出判决信号。在本实施例中，校准检测电路I1为电压比较器；当所述功率检测核电路的输出电压信号大于预设的参考校准电压时，输出调低所述功率检测核电路的输出电压信号的判决信号；当所述功率检测核电路的输出电压信号小于预设的参考校准电压时，输出调高所述功率检测核电路的输出电压信号的判决信号。 

校准控制电路I2，用于根据校准检测电路I1输出的判决信号产生调高输出电压信号或调低输出电压信号的控制信号； 

校准电流阵列电路I3，用于根据所述校准控制电路I2的控制信号而输出电流至所述功率检测核电路以调高输出电压信号或调低输出电压信号，获得稳定的输出电压信号。 

在本实施例中，校准电流阵列电路I3的输入端与校准控制电路I2连接，校准电流阵列电路I3的输出端与射频信号输出级中负载电阻R2、R3的相连端连接。 

具体地，请参阅图3，其显示了图1中校准电流阵列电路的电路示意图。如图3所示，校准电流阵列电路I3包括注电流电路I30、抽电流电路I32以及用于选择注电流电路I30或抽电流电路I32的选择开关I34。其中，注电流电路I30包括多级注电流支电路，所述每一级的注电流支电路包括PMOS管和切换开关(例如，第一级的注电流支电路包括PMOS管M11a、M11b和切换开关S11)，且，后一级的注电流支电路中电流强度是前一级的注电流支电路中电流强度的2倍；抽电流电路I32包括多级抽电流支电路，所述每一级的抽电流支电路包括NMOS管和切换开关(例如，第一级的抽电流支电路包括NMOS管M21a、M21b和切换开关S21)，且，后一级的抽电流支电路中电流强度是前一级的抽电流支电路中电流强度的2倍。选择开关I34包括分别对应注电流电路I30的第一选择开关S340和抽电流电路I32的第二选择开关S342。 

特别地，上述各个选择开关以及切换开关均是在接收到校准控制电路I2的控制信号而进行相应动作的。在本实施例中，校准控制电路I2的控制信号可以是一串控制字符。针对校准电流阵列电路I3的电路结构，校准控制电路I2的控制信号为N+1位控制字符 

其中，1位控制字符(字符A)用于控制选择开关I34，以选择是注电流电路I30还是抽电流电路I32。例如，可以设定当控制字符A为“1”时，则对应注电流电路I30的第一选择开关S340闭合(此时，第二选择开关S342断开)，选择注电流电路I30；当控制字符A为“0”时，则对应抽电流电路I32的第二选择开关S342闭合(此时，第一选择开关S340断开)，选择抽电流电路I32。而，另外的N位控制字符 

用于控制注电流电路I30或抽电流电路I32中N个的注电流支电路或抽注电流支电路中的各个切换开关。同样，可以设定当N位控制字符 中的任一位为“1”时，则对应注电流电路I30或抽电流电路I32中的注电流支电路或抽注电流支电路中的那一个切换开关闭合，包括那一个切换开关的注电流支电路或抽注电流支电路进行注电流动作或抽电流动作。例如，控制字符 

为 

时，表示：注电流电路I30或抽电流电路I32中的第一、第二注电流支电路或第一、第二抽注电流支电路中的切换开关S11、S12或者切换开关S21、S22闭合(其他各开关断开)，从而使得注电流电路I30或抽电流电路I32中的第一、第二注电流支电路或第一、第二抽注电流支电路工作。结合N+1位控制字符，例如，当控制字符 为 

时，则是将第一选择开关S340、切换开关S11、S12闭合(其他各开关断开)，从而选择了注电流电路I30并确定了其中的第一、第二注电流支电路；当控制字符 为 

时，则是将第二选择开关S342、切换开关S21、S22闭合(其他各开关断开)，从而选择了抽电流电路I32并确定了其中的第一、第二抽电流支电路。 

通过以上描述可知，利用校准控制电路I2可以精确地控制校准电流阵列电路I3。 

另外，还需特别说明的是，在本实施例中，校准控制电路I2采用的是二分法控制。具体来讲，假定存在一个调高输出电压或调低输出电压对应的最佳电流调整量ΔI，(a)、首先将 校准电流阵列电路中电流调整量调整为中间值 

(b)、设定第一调整区间为[0，IMAX]，将电流调整量的中间值 与最佳调整量ΔI比较；若电流调整量的中间值 等于最佳调整量ΔI，则调整成功；若电流调整量的中间值 

大于最佳调整量ΔI，则设定第二调整区间为 将电流调整量调整为 若电流调整量的中间值 

小于最佳调整量ΔI，则设定第三调整区间为 

将电流调整量调整为 (c)、与上述步骤(b)相类似，通过比较，设定新的调整区间，并直至趋近或达到最佳调整量ΔI。采用二分法控制，可以相对提高功率检测器预校准的效率。 

本发明的预校准射频功率检测器具有预校准和功率检测两种工作模式。 

在预校准模式下，功率检测核电路和预校准电路被启动。预校准电路中的校准检测电路检测功率检测核电路的输出并将其与预设的参考校准电压(参考校准电压值可以动态地根据系统需要而设定，由外部输入)相比较，输出判决信号；校准控制电路根据所述校准检测电路输出的判决信号，通过校准算法产生调高输出电压信号或调低输出电压信号的控制信号；所述控制信号被传送至校准电流阵列电路，决定校准量的大小，输出电流至所述功率检测核电路以调高输出电压信号或调低输出电压信号。通过这样一个反馈控制机制，功率检测核电路就可以输出一个和预设定的期望值相同或相近似的静态电压值，且不受温度、工艺等干扰的影响，使得本发明具有很好的抗干扰能力。 

在完成预校准之后，功率检测核电路进入检测射频信号功率工作模式。第一射频信号通过射频信号输入级将产生第二射频信号，所述第二射频信号中包括对所述第一射频信号进行平方操作所产生的功率信息和谐波分量；第二射频信号再通过射频功率信息分拣电路实现对功率信息和谐波分量的分离，并且将分拣出来的射频功率信息提供给射频信号输出级；最后，射频功率信息通过射频信号输出级输出。 

应当指出，本实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟 悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。 

Claims (7)

1.一种预校准射频功率检测器，其特征在于，包括功率检测核电路和预校准电路；

所述功率检测核电路包括：

射频信号输入级，用于接收第一射频信号并输出第二射频信号；所述第二射频信号中包括对所述第一射频信号进行平方操作所产生的功率信息和谐波分量；

射频功率分拣电路，用于对所述射频信号输入级输出的所述第二射频信号中功率信息和谐波分量进行分拣，并输出所述第二射频信号中功率信息；

射频信号输出级，与所述射频功率分拣电路连接，用于产生对应射频功率信息的输出电压信号；

所述预校准电路包括：

校准检测电路，用于将所述功率检测核电路的输出电压信号与预设的参考校准电压进行比较，输出判决信号；

校准控制电路，用于根据所述校准检测电路输出的判决信号产生调高输出电压信号或调低输出电压信号的控制信号；

校准电流阵列电路，用于根据所述校准控制电路的控制信号而输出电流至所述功率检测核电路以调高输出电压信号或调低输出电压信号，获得稳定的输出电压信号。

2.根据权利要求1所述的预校准射频功率检测器，其特征在于，所述射频信号输入级包括：第一NMOS管和第二NMOS管；

第一NMOS管的栅极接收正性第一射频信号，第二NMOS管的栅极接收负性第一射频信号；第一NMOS管的源极与第二NMOS管的源极连接；第一NMOS管的漏极与第二NMOS管的漏极连接，用于输出第二射频信号。

3.根据权利要求1所述的预校准射频功率检测器，其特征在于，所述射频功率分拣电路包括电阻和电容。

4.根据权利要求1所述的预校准射频功率检测器，其特征在于，所述射频信号输出级包括：第一PMOS管、第二PMOS管以及负载电阻；

第一PMOS管的栅极与所述射频功率分拣电路连接，第一PMOS管的源极接电源电压，第一PMOS管的漏极与第二PMOS管的源极连接，第二PMOS管的栅极与偏置电压连接，第二PMOS管的漏极与负载电阻连接，作为用于输出电压信号的输出端。

5.根据权利要求1所述的预校准射频功率检测器，其特征在于，所述校准检测电路为电压比较器；当所述功率检测核电路的输出电压信号大于预设的参考校准电压时，输出调低所述功率检测核电路的输出电压信号的判决信号；当所述功率检测核电路的输出电压信号小于预设的参考校准电压时，输出调高所述功率检测核电路的输出电压信号的判决信号。

6.根据权利要求1所述的预校准射频功率检测器，其特征在于，所述校准电流阵列电路与所述校准控制电路和功率检测核电路的射频信号输出级连接，包括注电流电路、抽电流电路以及用于选择所述注电流电路或所述抽电流电路的选择开关；

所述注电流电路包括多级注电流支电路，所述每一级的注电流支电路包括PMOS管和切换开关，且，后一级的注电流支电路中电流强度是前一级的注电流支电路中电流强度的2倍；

所述抽电流电路包括多级抽电流支电路，所述每一级的抽电流支电路包括NMOS管和切换开关，且，后一级的抽电流支电路中电流强度是前一级的抽电流支电路中电流强度的2倍。

7.根据权利要求1所述的预校准射频功率检测器，其特征在于，所述校准控制电路采用的是二分法控制，输出的控制信号为一串控制字符。

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