CN102707137A

CN102707137A - 一种射频功率检测电路

Info

Publication number: CN102707137A
Application number: CN2012102266655A
Authority: CN
Inventors: 唐长文; 唐聪
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明属于射频接收机中自动增益控制技术领域，具体为一种射频功率检测电路。该射频功率检测电路包含可编程增益放大器、半波整流器、仪表放大器和6位数模转换器。可编程增益放大器有2位数字逻辑控制，增益步长为3dB，共有9dB增益范围；可编程增益放大器后接半波整流器，半波整流器完成对固定范围内输入功率检测，这一功率范围为整流器工作范围；放大器的可选增益可以将不同功率大小的信号放大到整流器的工作范围；最后的仪表放大器用于放大半波整流器直流输出。由于器件失配，整流器和仪表放大器均会产生输出失调电压，失调直流电压会导致功率检测电路输出电压超出模数转换器的量程；6位电流型全二进制数模转换器用于对电路做失调预矫正。

Description

一种射频功率检测电路

技术领域

本发明属于射频接收机中自动增益控制技术领域，具体涉及功率检测电路，尤其涉及一种可检测射频端信号的功率检测电路。

背景技术

现有的数字电视地面传输标准规定了射频电视调谐器能够在很大的输入信号动态范围内正常工作，保证数字解调需求的信噪比(SNR)，如CMMB标准的U波段信号：-95dBm~-10dBm，DVB-T信号：-90dBm~-20dBm。调谐器同时还应满足最终输入到基带模数转换器的信号强度达到其最优输入功率，这样才能保证模数转化器产生较小的量化噪声。因此要求调谐器能够根据信号强度合理设定增益。调谐器广泛地集成数字自动增益控制功能以满足上述要求。

接收机的设计要在噪声-非线性-功耗之间做折中。信号噪声失真比定义为带内信号功率与噪声和非线性交调量总功率的比，这一指标用作度量接收机中信号的质量。为了获得好的信号质量，接收机获得最大信号噪声失真比可以作为自动增益控制的目标。

接收机中混频器的线性度通常较低，当输入信号强度较大时，混频器容易饱和。因此混频器的输入功率强度需要得到控制，也即混频器前置低噪声放大器的输出功率需要得到控制。可变增益低噪声放大器和射频功率检测器构成自动增益控制环路用于解决上述问题。射频功率检测器检测低噪声放大器的输出信号的大小，模数转换器采样射频功率检测器的输出。数字逻辑通过采样值判定当前的低噪声放大器的输出功率，然后调整其增益。通过调整低噪声放大器的增益，一方面可以确保混频器正常工作，另一方面可以使得低噪声放大器获得较大信号噪声失真比。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对低噪声放大器的输出功率进行检测的射频功率检测电路。

本发明提供的射频功率检测电路，包括：可编程增益放大器、半波整流器、仪表放大器和6位数模转换器，其中：

所述可编程放大器，采用电阻负载共源共栅结构，具有四条共源共栅支路；其中，有一条固定共源共栅支路以获得最小增益，有三条可选共源共栅支路以实现可变增益。共源共栅支路中的共栅管的栅极接双向选择开关的固定端。双向选择开关的另外两端中，一端接地，另一端接共栅管的偏置电压。数字逻辑通过控制双向选择开关管的状态完成使能或者关断共源共栅支路以实对放大器增益的控制。可编程增益放大器后接半波整流器。

所述可编程放大器所有共源共栅支路均由最小共源共栅单元构成。四条共源共栅支路所含最小单元的个数比为，14：10：7：16。固定共源共栅支路所含最小单元个数的比例为16，其余为可选共源共栅支路所含最小单元个数的比例。数字逻辑依次选通最小单元个数比例为7,10,14的可选共源共栅支路，增益以3dB的步长增加。

所述可编程放大器的偏置电流由恒定跨导自偏置电路产生。信号通过RC耦合输入输出。在输入端RC耦合结构中，电阻一端接共源共栅支路的输入管，另一端接偏置电压和MOS电容的栅端。MOS电容的源漏端接地。

所述半波整流器，完成对固定范围内输入功率检测，半波整流器由尾电流为2*I的差分对和偏置电流为I的源跟随器构成。构成差分对的两MOS管和构成源跟随器的输入MOS管有相同的尺寸。三管均偏置在亚阈值区，即开关状态。可编程放大器的输出通过RC耦合到差分对两输入的一端，差分对的另一输入端接固定电压。源跟随器的输入同样接固定电压。

所述半波整流器的差分对和源跟随器的偏置电流均由恒定过驱动电压电路产生。恒定过驱动电压电路可以产生与MOS管的导电因子成正比的电流。用此电流偏置半波整流器可以补偿由工艺和温度变化引起的误差。

所述半波整流器的差分对的源端电压经RC滤波后得到直流输出。此输出直流电压和源跟随器的输出直流电压通过仪表放大器求差放大后输出。最后仪表放大器的输出电压和可编程增益放大器的增益控制字用来指示当前输入功率强度。

所述仪表放大器，需要做失调矫正。射频功率检测电路有矫正模式和正常工作模式。射频功率检测电路进入矫正模式后，可编程放大器所有共栅管的偏置电压接地，半波整流器输出端的RC滤波结构中的电阻短接。

所述仪表放大器的失调矫正利用6位差分全二进制电流型数模转换器辅助完成。数模转换器的差分输出电流注入至仪表放大器。数模转换器的输入字增大，则仪表放大器的输出减小。矫正采用二分法。方法为，数模转换器初始输入设为中间值，然后从数字码最高位开始向低位依次通过判定确定每一位的取值。判定方法为输出电压与参考电压比较，如果输出高于参考电压，则本位取1，否则置零。

本发明的有益效果

本发明提供的射频功率检测器输入功率动态范围为：-26dBm~-14dBm，斜率100mv/dB，在50M~860M频率范围内，功率检测曲线偏移量小于0.25dB，温度引起检测功率偏差小于0.1dB，矫正后得到由器件失配引起的检测功率标准偏小于0.3dB。

附图说明

图1为本发明使用的射频功率检测电路结构图。

图2为本发明使用的可编程放大器示意图。

图3为本发明使用的恒定跨导电路示意图。

图4为本发明使用的半波整流器示意图。

图5为本发明提供的恒定过驱动电压电路示意图。

图6为本发明使用的仪表放大器示意图。

图7为本发明提供的二分法失调矫正流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明提供的射频功率检测电路结构图，包含可编程增益放大器(PGA）、半波整流器(rectifier )、仪表放大器(IA)和6位数模转换器(DAC)。仪表放大器的输出电压和可编程增益放大器的增益控制字共同完成对当前输入功率强度的指示。

图2为本发明所用可编程放大器。放大器共有4条共源共栅支路，其中NMOS晶体管M1和NMOS晶体管M2级联、NMOS晶体管M3和NMOS晶体管M4级联以及NMOS晶体管M5和NMOS晶体管M6级联分别构成可选共源共栅支路，而NMOS晶体管M7和NMOS晶体管M8级联构成固定共源共栅支路以提供最小增益。双向选择开关S₁、S₂和S₃的固定端置于可选共源共栅支路的共栅管的栅端，其可变的两端，一端接共栅管偏置电压，一端接地。数字逻辑通过控制双向选择开关的导通方向以使能或者关断可选共源共栅支路，从而实现对增益的控制。电阻R₁和电容C₁串联够成RC耦合输入结构，其中电容C₁的一端为信号输入端，另一端接晶体管M1、M3、M5和M7的栅极。电阻R₁的一端同样接晶体管M1、M3、M5和M7的栅极，电阻R₁的另一端接NMOS晶体管M9的栅端。M9的源漏端均接地。电阻R_L的一端接M2、M4、M6、M8的漏端，另一端接电源，电阻R_L构成共源共栅结构的负载。

所述可编程放大器所有共源共栅支路均由最小共源共栅单元构成。四条共源共栅支路所含最小单元的个数比为，14:10:7:16。固定共源共栅支路所含最小单元个数的比例为16，其余为可选共源共栅支路所含最小单元个数的比例。数字逻辑依次选通最小单元个数比例为7、10、14的可选共源共栅支路，增益将以3dB的步长增加。

图3为所述用于产生可编程放大器偏置电流的恒定跨导自偏置电路。由恒定跨导自偏置电路产生的电流可以补偿工艺和温度引起的可编程放大器的增益偏差。图3中PMOS晶体管M14和PMOS晶体管M13级联、PMOS晶体管M15和PMOS晶体管M16级联以及PMOS晶体管M17和PMOS晶体管M18级联构成共源共栅支路。其中M17、M15和M14的源端均接电源，M14的栅极、M15的栅极和M13的漏极相连。NMOS晶体管M11一端接M13的漏端，一端接电阻R_s的一端，而R_s的另一端接地。NMOS晶体管的漏栅极相连，同时与M11的栅极、M16的漏极以及NMOS晶体管M19的栅极相连接。M12与M11尺寸比为1:k。M17的栅极、M18的栅极、M16的栅极、M13的栅极及M19的漏极相连，M19的源极接地。

图4为本发明所使用的半波整流器电路示意图。NMOS晶体管M20和NMOS晶体管M21构成差分对结构，NMOS晶体管M22构成源跟随器结构，且M20、M21和M22有相同的尺寸和偏置电流I。三管均偏置在亚阈值区，即开关状态。可编程放大器的输出通过RC耦合到M20的栅端。电容C₂和电阻R₃串联构成RC耦合结构，电容C₂的一端、电阻R₃的一端以及M20的栅极相连接，而C₂的另一端接输入信号，R₃的另一端接固定电压V_ref1。电容C₃的一端、电阻R₄的一端以及M21的栅极相连接，而C₃的另一端接地，R₄的另一端接固定电压V_ref1。MOS电容M23的栅端、电阻R₅的一端以及M22的栅极相连接，而MOS电容M23的源漏端接地，R₅的另一端接固定电压V_ref1。当M20的栅端电压增大时，M21管截止，M20管的源端电压跟随M20栅端电压变化；当M20的栅端电压减小时，M20管截止，M20管的源端电压为固定值。上述特性使得电路可以对输入信号进行半波整流。电阻R₂和电容C₄构成低通滤波结构。M20源端的电压经由RC低通滤波器输出直流V_out1。同时M22的源端输出固定电压V_out2。

所述半波整流器的M20、M21和M22的偏置电流均由恒定过驱动电压电路产生。图5为本发明提供的恒定过驱动电压电路。其中NMOS晶体管M24与NMOS晶体管M25电流相同，且尺寸比1:4。PMOS晶体管M25与PMOS晶体管M26构成电流镜结构，两者的源端均接电源，其中M25为自偏置的晶体管。M26的漏端接M24的漏端，M27的漏端接M25的漏端。PMOS晶体管M31的源端接M25的栅极，并且M31的栅极和漏极均接地。PMOS晶体管M30的栅极接固定参考电压V_n，漏极接地。PMOS晶体管M29和M28的栅极接M26的漏端，且M29的漏端接M30的源端，M28的漏端接M31的源端。此电路中，M24和M25漏源电流与MOS的导电因子成正比。用M25的漏电流偏置半波整流器可以补偿由工艺和温度变化引起的输出误差。

所述半波整流器的差分对的源端电压经RC低通滤波后得到直流输出V_out1。V_out1和源跟随器的输出直流电压V_out2通过仪表放大器求差放大后输出。图6为本发明所用仪表放大器电路原理图。运算放大器A1构成单位增益缓冲器，正输入端接参考电压V_ref2。电阻R4一端接运算放大器A2的负输入端，一端接A2的输出端。电阻R₅的一端接运算放大器A3的负输入端，另一端接A3的输出端。电阻R₃一端接A2的负输入端，另一端接A3的负输入端。电阻R₆一端接A2的输出端，另一端接运算放大器A4的正输入端。电阻R₇一端接A3的输出端，另一端接A4的负输入端。电阻R₈一端接A1的输出端，另一端接A4的正输入端。电阻R₉一端接A4的负输入端，另一端接A4的输出端。运算放大器A4的输出端为仪表放大器的最终输出端。A2正输入端V_inp接半波整流器输出端V_out1，A3正输入端V_inn接半波整流器的输出端V_out2。仪表放大器的输出电压和可编程增益放大器的增益控制字用来指示当前输入功率强度。

所述仪表放大器需要做失调矫正。射频功率检测电路有矫正模式和正常工作模式。射频功率检测电路进入矫正模式后，可编程放大器共栅管的偏置电压V_b1接地，整理器输出端的RC滤波结构中的电阻R₂短接。R₂短接可以保证电路进入矫正模式后，整流器RC滤波结构中电容C₄可以快速完成充电。

所述仪表放大器失调矫正利用6位差分全二进制电流型数模转换器辅助完成。图6中仪表放大器的输入电流I_inp和I_inn为数模转换器的两路输出电流。电流I_inp注入到A2的负输入端，电流I_inn注入到A3的负输入端。数模转换器的输入字增大，则仪表放大器的输出减小。矫正采用二分法。图7为本发明提供的二分法矫正流程图。其中D_i为数模转换器的输入字。矫正过程可以具体描述为：数模转换器初始输入设为中间值，然后从数字码最高位开始向低位依次通过判定确定每一位的取值。判定方法为输出电压与参考电压比较，如果输出高于参考电压，则本位取1，否则置零。

Claims

1.一种射频功率检测电路，其特征在于：包括可编程增益放大器、半波整流器、仪表放大器和6位数模转换器，其中：

所述可编程放大器，采用电阻负载共源共栅结构，具有四条共源共栅支路；其中，有一条固定共源共栅支路以获得最小增益，有三条可选共源共栅支路以实现可变增益；共源共栅支路中的共栅管的栅极接双向选择开关的固定端，双向选择开关的另外两端中，一端接地，另一端接共栅管的偏置电压；数字逻辑通过控制双向选择开关管的状态完成使能或者关断共源共栅支路以实对放大器增益的控制；可编程增益放大器后接半波整流器；

所述半波整流器，完成对固定范围内输入功率检测，半波整流器由尾电流为2*I的差分对和偏置电流为I的源跟随器构成；构成差分对的两MOS管和构成源跟随器的输入MOS管有相同的尺寸，所述的三个MOS管管均偏置在亚阈值区，即开关状态；可编程放大器的输出通过RC耦合到差分对两输入的一端，差分对的另一输入端接固定电压；源跟随器的输入同样接固定电压；

所述仪表放大器，用于放大半波整流器直流输出；仪表放大器需要做失调矫正；射频功率检测电路有矫正模式和正常工作模式，射频功率检测电路进入矫正模式后，可编程放大器所有共栅管的偏置电压接地，半波整流器输出端的RC滤波结构中的电阻短接。

2.根据权利要求1所述的射频功率检测电路，其特征在于：所述可编程放大器所有共源共栅支路均由最小共源共栅单元构成；四条共源共栅支路所含最小单元的个数比为，14：10：7：16；固定共源共栅支路所含最小单元个数的比例为16，其余为可选共源共栅支路所含最小单元个数的比例，数字逻辑依次选通最小单元个数比例为7,10,14的可选共源共栅支路，增益以3dB的步长增加。

3.根据权利要求2所述的射频功率检测电路，其特征在于：所述可编程放大器的偏置电流由恒定跨导自偏置电路产生；信号通过RC耦合输入输出，在输入端RC耦合结构中，电阻一端接共源共栅支路的输入管，电阻另一端接偏置电压和MOS电容的栅端，MOS电容的源漏端接地。

4.根据权利要求1所述的射频功率检测电路，其特征在于：所述半波整流器的差分对和源跟随器的偏置电流均由恒定过驱动电压电路产生；恒定过驱动电压电路产生与MOS管的导电因子成正比的电流；用此电流偏置半波整流器以补偿由工艺和温度变化引起的误差。

5.根据权利要求4所述的射频功率检测电路，其特征在于：所述半波整流器的差分对的源端电压经RC滤波后得到直流输出；此输出直流电压和源跟随器的输出直流电压通过仪表放大器求差放大后输出；最后仪表放大器的输出电压和可编程增益放大器的增益控制字用来指示当前输入功率强度。

6.根据权利要求1所述的射频功率检测电路，其特征在于：

所述仪表放大器的失调矫正利用6位差分全二进制电流型数模转换器辅助完成，数模转换器的差分输出电流注入至仪表放大器；数模转换器的输入字增大，则仪表放大器的输出减小；矫正采用二分法，其步骤为，数模转换器初始输入设为中间值，然后从数字码最高位开始向低位依次通过判定确定每一位的取值；判定方法为输出电压与参考电压比较，如果输出高于参考电压，则本位取1，否则置零。