CN103297005B - 峰值检波电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种应用于高频的新型线性开环峰值检波电路。该电路基于线性检波的思想，克服了传统高频信号峰值检测中开环结构非线性，以及闭环结构带宽受限、功耗大的弊端，实现了一种具有简单电路结构，线性快速响应，宽工作频带以及低功耗的峰值检波器。可广泛应用于高频线性通信系统中。

Description

峰值检波电路

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种峰值检波电路，可应用于各种结构的接收机与发射机中，大幅度提升系统的线性度。

背景技术

在高频通信领域中，基于提升系统动态范围、降低系统线性误差等方面的考量，都对线性度有所要求。在通信的应用中，峰值检波器是必不可少的模块。例如，它可以实时检测信号大小，从而调整系统各个模块的增益，避免增益饱和和大信号对信号通道的阻塞等等不利因素；它还可以指示当前发射或者接收信号的功率。因此，峰值检波器的线性程度，直接影响着通信系统的整体性能。然而，在一般的设计中高频信号峰值检波器的线性化是一个设计难点，也容易被忽视。因为实现超宽响应带宽本身就是一个设计难点，所以在宽带宽的同时实现线性化响应就更加困难。

高频峰值检波电路的主要结构有以下几种。如图1为传统闭环峰值检测电路结构，放大器A1和A2比较当前输入电压峰值大小和峰值检波电路输出电压大小，从而输出一个电压控制MOS管对电容进行充电和放电，进而改变输出电压值跟随输入信号峰值变化。该结构的优点在于它对输入信号峰值是线性响应的，在放大器增益足够高的情况下，峰值检波器输出电压精确反应当前输入信号峰值大小，常应用于低频峰值检测领域中。在高频应用中，放大器的带宽决定了该峰值检波器的应用带宽，而宽带高增益放大器，意味着电路的功耗必须加大；由于闭环结构的存在，对于接收信号峰值响应的速度会减慢，无法应用于快速峰值变化系统中；固有的刷新电流在输出电压中引入了低频分量，必须采用大电容进行滤波，常常需要偏外电容。图2为传统开环峰值检测电路结构，源极耦合结构差分放大器，在源极耦合端后接低通滤波器，输出电压非线性反应输入信号峰值大小，常应用于高频峰值检测领域中。该 结构的优点在于，结构简单，频率响应范围宽；源极耦合结构将输入信号倍频后输入低通滤波器，从而放宽了滤波器带宽的限制，允许小电容应用，节省了芯片面积。但是开环结构的非线性响应，影响了系统整体线性性能。

因此，需要一种应用于高频信号检波的低功耗线性峰值检波器。该检波器能够提高系统整体的线性度，并可广泛应用于各种高频信号收发系统中。本发明的主旨即在于提供了这种电路的设计思想和实现方法。

发明内容

为了克服现有峰值检波电路闭环结构带宽受限、响应慢和开环结构非线性响应的缺点，本发明利用校正电路校正开环结构输出电压，使其与输入信号峰值成线性正比例关系，还具有工作频带宽、快速响应等优点。

根据本发明的一个方面，提供一种峰值检波电路，包括源耦合差分放大器，包含源极耦合的第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管，第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管的栅极接收差分输入信号，第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管耦合的源极连接第一电流源并输出初级检波信号；低通滤波器，从第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管耦合的源极接收初级检波信号，并输出经过低通滤波的检波信号；校正电路，对经过低通滤波的检波信号进行校正，以线性于差分输入信号峰值大小的关系输出峰值检波信号。

本发明的有益效果是，可以在保证宽频率响应的同时，完成峰值检波输出与输入高频信号峰值的线性化，同时具有功耗低、响应速度快、占用芯片面积小等优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1示例说明了一个传统闭环峰值检波电路。

图2示例说明了一个传统开环峰值检波电路。

图3为根据本发明实施例的线性开环峰值检波电路。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的器件和电路连接的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他器件和电路连接的可应用于性。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和电路的描述以避免不必要地限制本发明。

本发明基于线性检波的思想，克服了传统高频信号峰值检测中开环结构非线性，以及闭环结构带宽受限、功耗大的弊端，实现了一种开环结构的线性峰值检波器，为高频信号线性峰值检测提供了一种解决方案，可广泛应用于高频信号收发系统中。

本发明的各方面提供了一种峰值检波电路。如图3所示，该峰值检波电路包括源耦合差分放大器，包含源极耦合的第一NMOS晶体管M₁和第二NMOS晶体管M₂，第一NMOS晶体管M₁和第二NMOS晶体管M₂的栅极接收差分输入信号Vin+和Vin-，第一NMOS晶体管M₁和第二NMOS晶体管M₂耦合的源极连接第一电流源I_SS1并输出初级检波信号；低通滤波器，从第一NMOS晶体管M₁和第二NMOS晶体管M₂耦合的源极接收初级检波信号，并输出经过低通滤波的检波信号；校正电路，对经过低通滤波的检波信号进行校正，以线性于差分输入信号峰值大小的关系输出峰值检波信号。

在一个实施方式中，所述低通滤波器包括电阻器R和电容器C，所述电 阻器R的一端连接第一NMOS晶体管M₁和第二NMOS晶体管M₂耦合的源极，电阻器R的另一端连接所述电容器C的一端，所述电容器C的另一端接地，所述电容器C和电阻器R的连接节点输出经过低通滤波的检波信号。

在一个实施方式中，所述校正电路包括漏极耦合的第三NMOS晶体管M₃和第四NMOS晶体管M₄，所述第三NMOS晶体管M₃的栅极接收经过低通滤波的检波信号，所述第四NMOS晶体管M₄的栅极接收基准参考电压，所述第三NMOS晶体管M₃和第四NMOS晶体管M₄耦合的漏极连接第二电流源I_SS2；源极耦合并且栅极耦合的第五NMOS晶体管M₇和第六NMOS晶体管M₈，所述第五NMOS晶体管M₇的漏极与栅极耦合，并连接第三NMOS晶体管M₃的源极，所述第六NMOS晶体管M₈的漏极连接第四NMOS晶体管M₄的源极，第五NMOS晶体管M₇和第六NMOS晶体管M₈耦合的源极接地；PMOS晶体管M₉，所述PMOS晶体管M₉的漏极和栅极耦合并接地，其源极连接第六NMOS晶体管M₈的漏极和第四NMOS晶体管M₄的源极的连接点，并输出峰值检波信号。

在一个实施方式中，所述基准参考电压由基准参考电压生成电路产生，所述基准参考电压生成电路包括与源耦合差分放大器相同的元件，其中参数与第一NMOS晶体管M₁和第二NMOS晶体管M₂相同的第七NMOS晶体管M₅和第八NMOS晶体管M₆的源极耦合，并连接电流大小与第一电流源I_SS1相同的第三电流源I_SS3，第七NMOS晶体管M₅和第八NMOS晶体管M₆的栅极耦合并接收差分输入信号的直流分量Vdc，第七NMOS晶体管M₅和第八NMOS晶体管M₆耦合的源极输出所述基准参考电压。

下面结合图3，说明本发明实施例提供的新型线性高频检波电路的工作原理。

节点101和102分别为此新型线性高频峰值检波器的差分输入端，采用差分结构的峰值检波电路对共模噪声的抑制能力强，更加有利于提取正确的信号峰值信息。其输入信号Vin+和Vin-，也即V₁₀₁和V₁₀₂可用下列公式表示为：

V₁₀₁＝V_dc+v_in

V₁₀₂＝V_dc-v_in

其中V_dc为接收高频信号的直流分量，v_in为接收高频信号的交流分量。节点103提取高频输入信号的峰值信息，且节点103处信号的频率为输入信号频 率的两倍。由电阻器R和电容器C组成的低通滤波器接在节点103之后，滤除峰值信息中的交流分量，剩下直流分量。由于信号在节点103处已倍频，因此对于电阻器和电容器的电阻值和电容值的取值要求放宽，可选取小电阻值和电容值进行滤波，从而节省了芯片面积。节点104为低通滤波器的输出端，此处对于输入信号的峰值响应为非线性响应，公式为(认为源耦合差分放大器中晶体管M₁和M₂的参数相同)：

$V_{104}=V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{thn}}-\frac{1}{2}(\sqrt{\frac{I_{\mathrm{SS}1}}{2K_n}}+\sqrt{\frac{I_{\mathrm{SS}1}}{2K_n}-{\left|v_{\mathrm{in}}\right|}^2})$

其中V_thn为NMOS晶体管M₁和M₂的阈值电压，K_n为NMOS晶体管的技术参数 |v_in|为接收高频信号的幅度信息。

从上式中可以看出，简单源耦合结构的差分放大器用于高频峰值检波器，可以提取出峰值信息，但是其输出值与接收高频信号的峰值成非线性关系。因此，引入了后面的校正电路及基准参考电压生成电路。

节点105和106为基准参考电压生成电路的差分输入端。此处，基准参考电压生成电路包括与源耦合差分放大器相同的元件，也即NMOS晶体管M₅和M₆的阈值电压和K_n与NMOS晶体管M₁和M₂相同，且电流源I_SS3的电流大小与I_SS1相同。我们将基准参考电压生成电路的差分输入短接，并输入相同直流电压V_dc，则节点107处的基准参考电压可用如下公式表示：

$V_{107}=V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{thn}}-\sqrt{\frac{I_{\mathrm{SS}1}}{2K_n}}$

该基准参考电压为节点104输出电压最小值，因此作为基准参考电压与节点104输出电压进行比较，通过校正电路对节点104输出电压进行校正。最终期望得到峰值检波器输出V_pd与高频输入信号峰值成线性正比例关系，从而达到线性检波的目的。

节点104和107为校正电路的差分输入端，该放大器把节点104和107的电压信号先转化成电流信号，再求该电流的差值。因此，当NMOS晶体管M₃和M₄的参数(例如阈值电压和K_n)相同且NMOS晶体管M₇和M₈的参数相同时，NMOS晶体管M₃和M₄输出电流差值可以表示为：

$I_{\mathrm{out}}=A(\sqrt{\frac{I_{\mathrm{SS}1}}{2K_n}}-\sqrt{\frac{I_{\mathrm{SS}1}}{2K_n}-{\left|v_{\mathrm{in}}\right|}^2})+\frac{1}{4}{K}_p{\left|v_{\mathrm{in}}\right|}^2$

其中K_p为PMOS晶体管M₉的技术参数 当电路选择参数I_ss1/2K_n远远大于|v_in|²时，上式的第一项可以忽略，所以上式可以改写为

$I_{\mathrm{out}}=\frac{1}{4}{K}_p{\left|v_{\mathrm{in}}\right|}^2$

由于在输出端加了PMOS管M₉，因此输出电流又可以表示为：

I_out＝K_p(V_pd-|V_thp|)²

将以上两式联立，消去电流分量I_out，可以得到该新型峰值检波器的输出为

V_pd＝β|v_in|+|V_thp|

其中β为常数，其值由电路决定。

由上式我们可以看出，该新型峰值检波电路的输出电压与输入高频信号的峰值成线性正比关系，实现了高频信号的线性检波。

本实施例利用校正电路，将传统源耦合结构高频峰值检测电路的非线性进行校正，得到线性于输入高频信号峰值的输出。电路结构简单，大大降低了高频检波的功耗，节省了芯片面积。

本发明实施例可以用CMOS多种工艺实现，可以适用于低电压工作环境，拓展了该发明的应用范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。应当认识到，以上所述内容仅为本发明的具体实施方式，并不用于限制本发明。凡在本发明的实质和基本原理之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他模块或步骤，单数不排除复数。

Claims (4)

1.一种峰值检波电路，包括

源耦合差分放大器，包含源极耦合的第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管，第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管的栅极接收差分输入信号，第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管耦合的源极连接第一电流源并输出初级检波信号；

低通滤波器，从第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管耦合的源极接收初级检波信号，并输出经过低通滤波的检波信号；

校正电路，对经过低通滤波的检波信号进行校正，以线性于差分输入信号峰值大小的关系输出峰值检波信号。

2.根据权利要求1所述的峰值检波电路，其中所述低通滤波器包括电阻器和电容器，所述电阻器的一端连接第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管耦合的源极，电阻器的另一端连接所述电容器的一端，所述电容器的另一端接地，所述电容器和电阻器的连接节点输出经过低通滤波的检波信号。

3.根据权利要求1所述的峰值检波电路，其中所述校正电路包括

漏极耦合的第三NMOS晶体管和第四NMOS晶体管，所述第三NMOS晶体管的栅极接收经过低通滤波的检波信号，所述第四NMOS晶体管的栅极接收基准参考电压，所述第三NMOS晶体管和第四NMOS晶体管耦合的漏极连接第二电流源；

源极耦合并且栅极耦合的第五NMOS晶体管和第六NMOS晶体管，所述第五NMOS晶体管的漏极与栅极耦合，并连接第三NMOS晶体管的源极，所述第六NMOS晶体管的漏极连接第四NMOS晶体管的源极，第五NMOS晶体管和第六NMOS晶体管耦合的源极接地；

PMOS晶体管，所述PMOS晶体管的漏极和栅极耦合并接地，其源极连接第六NMOS晶体管的漏极和第四NMOS晶体管的源极的连接点，并输出峰值检波信号。

4.根据权利要求3所述的峰值检波电路，其中所述基准参考电压由基准参考电压生成电路产生，所述基准参考电压生成电路包括与源耦合差分放大器相同的元件，其中第一、第二、第七和第八NMOS晶体管的参数相同，第七NMOS晶体管和第八NMOS晶体管的源极耦合，并连接电流大小与第一电流源相同的第三电流源，第七NMOS晶体管和第八NMOS晶体管的栅极耦合并接收差分输入信号的直流分量，第七NMOS晶体管和第八NMOS晶体管耦合的源极输出所述基准参考电压。