CN103999358B - 具有对过程、温度和负载阻抗变化的不灵敏的rf功率检测电路 - Google Patents

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Abstract

一种电路包括乘法器电路，乘法器电路包括被配置为将第一差分输入信号和第二差分输入信号相乘的混合器。混合器包括多个晶体管，多个晶体管包括控制端子。多个晶体管的控制端子接收偏置信号和第一差分输入信号。偏置电路被配置为生成偏置信号。由偏置电路生成的偏置信号基于多个晶体管中的一个晶体管的电压阈值以及恒定参考电流和偏置电阻的乘积。

Description

具有对过程、温度和负载阻抗变化的不灵敏的RF功率检测 电路
有关申请的交叉引用
本申请要求对2012年12月13日提交的美国实用申请第13/713,328号的优先权以及2011年12月15日提交的美国临时申请第61/576,306号和2012年10月31日提交的第61/720,844号的权益。以上引用的申请的全部公开内容通过引用而结合于此。
技术领域
本公开内容涉及射频(RF)发射器，并且更具体地涉及用于RF发射器的RF功率检测电路。
背景技术
本文提供的背景技术描述是为了主要呈现公开内容的背景。当前名义的发明人的工作在这一背景技术章节中描述该工作的程度上以及该描述的可以在提交时未另外限定为现有技术的方面，既未明确地也未暗示地被承认为相对于本公开内容的现有技术。
一些射频(RF)发射器需要准确控制发射的输出功率。例如，许多RF发射器需要符合FCC规范和无线标准。可以使用开环或者闭环控制系统来实现输出功率控制。在开环控制系统中，RF发射器依赖于在发射器内的准确增益步进。在闭环控制系统中，测量输出功率并且相应地调整增益。
RF功率检测电路是任何RF发射器闭环功率控制系统的整体部分。RF功率检测电路测量绝对发射功率。这一测量优选地独立于由于过程展开和负载/天线阻抗所致的温度、器件特性变化。
一些RF功率检测电路假设比如天线的输出负载的电阻值、测量输出电压并且基于输出电压的平方除以电阻值计算输出功率。然而比如天线的负载的电阻值可能在操作期间变化。例如可能在天线接近其它物体或者与其它物体接触时影响天线的电阻值。如可以理解的那样，将由于在天线的实际电阻值与假设的电阻值之间的差值而不利地影响RF功率计算。
发明内容
一种电路包括乘法器电路，乘法器电路包括被配置为将第一差分输入信号和第二差分输入信号相乘的混合器。混合器包括多个晶体管，多个晶体管包括控制端子。多个晶体管的控制端子接收偏置信号和第一差分输入信号。偏置电路被配置为生成偏置信号。由偏置电路生成的偏置信号基于多个晶体管中的一个晶体管的电压阈值以及恒定参考电流和偏置电阻的乘积。
在其它特征中，混合器包括吉伯单元混合器。偏置电路被配置为生成偏置信号，从而混合器的转换增益无论过程和温度变化如何都基本上恒定。偏置电路包括被配置为生成恒定参考电流的电流源、具有偏置电阻并且包括与第一电流源相连的一端的偏置电阻、以及包括第一端子和与偏置电阻的一端相连的控制端子的第一电阻器。偏置信号在偏置电阻与电流源之间的节点处被生成。
一种操作电路的方法包括使用混合器将第一差分输入信号和第二差分输入信号相乘，其中混合器包括多个晶体管，多个晶体管包括控制端子。多个晶体管的控制端子接收偏置信号和第一差分输入信号。该方法还包括基于多个晶体管中的一个晶体管的电压阈值以及恒定参考电流和偏置电阻的乘积生成偏置信号。
在其它特征中，混合器包括吉伯单元混合器。生成偏置信号包括生成偏置信号从而混合器的转换增益无论过程和温度变化如何都基本上恒定。偏置信号在偏置电阻与电流源之间的节点处被生成。
本公开内容的更多适用领域将从具体实施方式、权利要求书和附图中变得清楚。详细描述和具体示例旨在于仅举例说明而并非旨在于限制公开内容的范围。
附图说明
图1是根据现有技术的RF功率检测电路的示例的功能框图和电示意图；
图2是乘法器电路的示例的功能框图和电示意图；
图3是根据本公开内容的偏置电路的示例的功能框图和电示意图；
图4是根据本公开内容的包括偏置电路的乘法器电路的示例的功能框图和电示意图；
图5是根据本公开内容的包括偏置电路的乘法器电路的另一示例的功能框图和电示意图；以及
图6是根据本公开内容的包括偏置电路的乘法器电路的另一示例的功能框图和电示意图。
具体实施方式
现在参照图1，示出现有技术发射器的输出电路10的部分。输出电路10包括接收将被放大和发射的射频(RF)信号的功率放大器(PA)20。PA 20向变压器24的初级侧输出放大的RF信号。变压器24的次级侧的一端被连接到可以布置在印刷电路板(PCB)上的天线26。变压器24的次级侧的另一端被连接到比如地的参考电势。在这一示例中，天线是具有负载阻抗的负载。
输出电路10也包括检测PA20的输出功率电平的RF检测电路32。RF检测电路32包括放大器40，该放大器40接收和放大到PA20的输入并且向乘法器电路42的第一输入输出放大的信号。分压器44被连接到PA20的输出(或者连接到变压器24的次级侧上的节点45A和45B)并且向乘法器电路42的第二输入输出信号。乘法器电路42的输出被连接到放大器46的输入，该放大器具有连接到放大器46的相应输入和输出的第一和第二反馈电阻RFB。放大器46输出基于检测到的输出功率的功率检测电压信号VPD。
通过将PA20的输出电压和电流相乘来测量发射的RF功率。结果独立于负载/天线阻抗(R)或者电压驻波比(VSWR)。通过分压器44感测PA20的输出电压(kv*VPA)。通过使用按比例缩减的复制PA(k1*VPA)来复制PA20的输出电流。
在图2中，示出现有技术乘法器电路42的示例。乘法器电路42包括比如吉伯单元混合器的混合器50，该混合器包括晶体管M1、M2、M3和M4。晶体管M1和M2的第一端子接收电流Ip。晶体管M3和M4的第一端子接收电流In。晶体管M2和M3的控制端子接收第一偏置电压VB和感测的输出电压VPA(或者VB-1/2VPA)。晶体管M1和M4的控制端子接收偏置电压VB和感测的输出电压VPA(或者VB+1/2VPA)。晶体管M3的第二端子被连接到晶体管M1的第二端子。晶体管M2的第二端子被连接到晶体管M4的第二端子。
乘法器电路42具有转换增益Gc。混合器50执行V*I乘法。在线性区域中偏置晶体管M1至M4。电流Ip划分成两个部分Ip1和Ip2。比值依赖于晶体管M1和M2的导纳(gds1和gds2)。相似地，电流In也根据gds3和gds4被划分成两个部分In1和In2。尽管为了易于推导而假设虚拟GND终端，但是它并非必需。
根据图1，功率检测电路的输出(电压)等于：
VPD＝kVkIGc(VPAIPA)RFB
根据图2，乘法器转换增益Gc是：
因此，功率检测电路的输出等于：
片上电阻RFB的值依赖于温度和过程变化(制造)。MOS阈值电压VT也依赖于温度和过程变化(制造)。可以使用依赖于温度、过程和负载阻抗的按比值吉伯单元来实现kv和kI(PA电压和电流分配比)。
根据本公开内容，设置(VB-VT)等于Iref*Rbias。可以实施电阻器RFB和Rbias为相互的缩放版本、例如RFB＝A*Rbias。电阻A的比值保持恒定并且独立于过程和温度变化，因此功率检测器的输出是：
恒定参考电流Iref未依赖于过程或者温度。恒定参考电流Iref通常已经片上可用。可以通过使用带隙电压和外部高精确度电阻的组合来生成恒定参考电流Iref。
现在参照图3，示出用于生成偏置电压VB＝VT+Iref*Rbias的偏置电路100。偏置电路100包括被连接到偏置电阻Rbias的一端的电流源Iref。偏置电阻Rbias的另一端被连接到晶体管M5的第一端子和控制端子。晶体管M5的第二端子被连接到比如地的参考电势。假设：
Vgas＝VT+VI；
如果Vdsat5＜＜VT；
则Vgs5≈VT；
这可以通过用很低电流密度偏置晶体管M5来完成。晶体管M5优选地是晶体管M1-M4的缩放版本以用于最好匹配。
现在参照图4和5，示出根据本公开内容的乘法器电路200的示例。在图4中，乘法器电路200包括具有晶体管M1、M2、M3和M4的混合器206、比如吉伯单元。采样电压VPA被连接到电容C1和C2的第一端子。电容C1和C2的第二端子被连接到晶体管M1、M2、M3和M4的控制端子以及电阻R1和R2的第一端子。电阻R1和R2的第二端子向偏置电路100提供偏置电压VB。第一和第二晶体管M1和M2以及第三和第四晶体管M3和M4的第一端子被连接到IPA。晶体管M3的第二端子被连接到晶体管M1的第二端子。晶体管M2的第二端子被连接到晶体管M4的第二端子。
放大器220具有连接到晶体管M1和M3的第二端子以及第一反馈电阻RFB的一端的非反相输入。放大器220具有连接到晶体管M2和M4的第二端子以及第二反馈电阻RFB的一端的非反相输入。放大器220的反相输出被连接到第一反馈电阻RFB的另一端和放大器230的第一反相输入。放大器220的非反相输出被连接到第二反馈电阻RFB的另一端和放大器230的第二反相输入。在图5中，放大器230的共模输入被连接到晶体管M5的第二端子和共模反馈电阻RCMFB的一端。
用恒定电压(Vgs-VT)偏置晶体管M1-M4。电路适应非零共模输入电压电平。Iref*RCMFB设置共模参考电压。共模反馈放大器设置V+＝V-＝VCMREF。因此，仍然用(Vgs-VT)＝Iref*Rbias偏置晶体管M1-M4。
尽管先前讨论涉及到使用无源混合器的功率检测器，但是本公开内容也可以使用有源混合器。用恒定过驱动电压＝Iref*R偏置有源混合器晶体管。如可以理解的那样，尽管前文描述涉及RF检测电路，但是可以在其它系统中使用乘法器电路。此外，输入无需对应于向负载递送的电压和电流。
PA负载阻抗未知并且可以随着环境变化ZL＝|Z|·e-jΦ。知道负载阻抗值是有用的，因为可以优化PA输出匹配以允许PA最高效地操作。如果具有以下两个测量则可以测量PA负载阻抗：
Po＝VPA*IPA
Vsq＝VPA*VPA＝VPA*IPA*|Z|*e-jΦ
可以使用这两个测量来求解|Z|和Φ。可以用多种方式生成电压Vsq，在图6中示出这些方式之一。
现在参照图6，向跨导放大器260输出电压VPA，该跨导放大器接收VPA。跨导放大器260将电压输入变换成电流输出。跨导放大器260生成向晶体管M1和M2以及晶体管M3和M4的第一端子输入的输出电流GmVPA而不是图4和5中的IPA。
前文描述在性质上仅为示例并且绝非旨在于限制公开内容、它的应用或者使用。可以用多种形式实施公开内容的广泛教导。因此，尽管本公开内容包括具体示例，但是不应这样限制公开内容的真实范围，因为许多修改将在研读附图、说明书和所附权利要求书时变得显而易见。为了清楚起见，相同附图标记将在附图中用来标识相似单元。如本文所用，应当理解短语A、B和C中的至少一项意味着使用非排斥逻辑或(OR)的逻辑(A或者B或者C)。应当理解可以按照不同顺序(或者并行地)执行在一种方法内的一个或者多个步骤而不改本公开内容的原理。

Claims (12)

1.一种用于检测射频功率的电路，包括：
乘法器电路，所述乘法器电路包括被配置为将第一差分输入信号和第二差分输入信号相乘的混合器，
其中所述混合器包括多个包括控制端子的晶体管，并且
其中所述多个晶体管的所述控制端子接收偏置信号和所述第一差分输入信号；
第一差分放大器，所述第一差分放大器被配置成接收所述混合器的输出；
偏置电路，所述偏置电路被配置为生成所述偏置信号，所述偏置电路基于i)所述多个晶体管中的一个晶体管的电压阈值以及ii)恒定参考电流和偏置电阻的乘积而生成所述偏置信号,
其中所述偏置电路包括：
电流源，所述电流源被配置为生成所述恒定参考电流；
偏置电阻器，所述偏置电阻器具有偏置电阻并且包括与所述电流源连通的一端；以及
第一晶体管，所述第一晶体管包括第一端子和与所述偏置电阻的一端连通的控制端子，
其中所述偏置信号在所述偏置电阻与所述电流源之间的节点处被生成；以及
共模反馈放大器，所述共模反馈放大器连接至所述第一差分放大器的输出端并且具有连接至所述偏置电路的共模输入端。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述混合器包括吉伯单元混合器。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述偏置电路被配置为生成所述偏置信号，从而所述混合器的转换增益无论过程和温度变化如何都基本上恒定。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述多个晶体管是匹配的晶体管并且所述第一晶体管是所述多个晶体管的缩放版本。
5.根据权利要求1所述的电路，其中：
所述多个晶体管包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管，
所述偏置信号和所述第一差分输入信号的一个极性被输入到所述第一晶体管和所述第四晶体管的所述控制端子，并且
所述偏置信号和所述第一差分输入信号的另一极性被输入到所述第二晶体管和所述第三晶体管的所述控制端子。
6.根据权利要求5所述的电路，其中：
所述第二差分输入信号的一个极性被输入到所述第一晶体管和所述第二晶体管的第一端子；并且
所述第二差分输入信号的另一极性被输入到所述第三晶体管和所述第四晶体管的第一端子。
7.根据权利要求1所述的电路，还包括：
第一电阻；以及
第二电阻；
其中：
所述多个晶体管包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管，
所述第一晶体管和所述第三晶体管的端子与所述第一差分放大器的非反相输入端以及所述第一电阻的一端相连，并且
所述第二晶体管和所述第四晶体管的端子与所述第一差分放大器的反相输入端和所述第二电阻的一端相连。
8.根据权利要求7所述的电路，其中：
所述共模反馈放大器包括与所述第一电阻的另一端和所述差分放大器的反相输出端相连的第一输入端、以及与所述第二电阻的另一端和所述第一差分放大器的非反相输出端相连的第二输入端。
9.根据权利要求1所述的电路，还包括：
跨导放大器，所述跨导放大器包括被配置为接收所述第一差分输入信号并且输出所述第二差分输入信号的输入端；
其中：
所述多个晶体管包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第四晶体管，
所述偏置信号和所述第一差分输入信号的一个极性被输入到所述第一晶体管和所述第四晶体管的所述控制端子，
所述偏置信号和所述第一差分输入信号的另一极性被输入到所述第二晶体管和所述第三晶体管的所述控制端子，
所述第二差分输入信号的一个极性被输入到所述第一晶体管和所述第二晶体管的第一端子；并且
所述第二差分输入信号的另一极性被输入到所述第三晶体管和所述第四晶体管的第一端子。
10.一种射频功率检测电路，包括：
根据权利要求1所述的电路；以及
分压器电路，所述分压器电路具有与功率放大器的输出端相连的输入端以及与所述乘法器电路的第一输入端相连的输出端。
11.根据权利要求10所述的射频功率检测电路，还包括：
第一电阻，所述第一电阻与所述第一差分放大器的一个差分输入端以及所述第一差分放大器的一个差分输出端相连；以及
第二电阻，所述第二电阻与所述第一差分放大器的另一差分输入端以及所述第一差分放大器的另一差分输出端相连。
12.根据权利要求10所述的射频功率检测电路，还包括：
跨导放大器，所述跨导放大器包括被配置为接收所述第一差分输入信号并且输出所述第二差分输入信号的输入端，其中与所述射频功率检测电路关联的负载阻抗基于与所述第一差分输入信号关联的电压。
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