CN104122437B - 一种硅基功率检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅基功率检测器，属于电路技术领域，该硅基功率检测器包括自混频电路和低通滤波器，在自混频电路将射频输入信号混频后经低通滤波器滤除高频分量，得到直流电平输出，进一步的还包括电流镜电路；偏置电路和跟随器，利用跟随器来稳定自混频电路中的MOS管的直流偏置，使MOS管工作于临界导通状态。采用本发明的硅基功率检测器，其工作频率更宽，能广泛地适用于各种工作频率，同时，其输入阻抗更高，功耗更小，灵敏度高，且结构相对简单，成本也相当低廉。
Description
技术领域
本发明涉及电路技术领域，特别涉及检测电路技术领域，具体是指一种硅基功率检测器。
背景技术
功率检测器电路因能产生一个与输入信号的功率、峰值或均方根值成正比的直流电压，而广泛应用于微波、射频系统中，这些应用包括增益自动控制，电平自动控制、信号强度指示器、AM调制检测、状态指示器以及功率控制等。
其中集成电路中的功率检测器主要分为以下几种：第一种是基于混频功能的功率检测器，通过零中频或超外差技术来实现。这类功率检测器具有很好的灵敏度，但他们的动态范围较低。第二种是基于肖特基二极管的功率检测器，这类功率检测器工作在饱和区时可以用于小信号的检测；工作在线性区时可以用于大信号的检测。尽管这类功率检测器比较简单，然而用于GHz级别的信号检测面临频率范围有限、功耗大、匹配难度大以及芯片占用面积大等问题。第三种是通过三极管实现的功率检测器，这类功率检测器具有简单、低功耗、高带宽、芯片面积小、对温度不敏感等优点。然而现有技术中的CMOS工艺无法提供双性能的三极管。这就导致输入阻抗较小，且工作频率仍较有限。因此如何通过CMOS工艺实现高输入阻抗，工作频率更宽的射频功率检测器是该技术领域中亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种具有高输入阻抗，功耗更小，灵敏度高，且结构相对简单，成本低廉，能应用于各种工作频率带宽的硅基功率检测器。
为了实现上述的目的，本发明的硅基功率检测器具有如下构成：
该硅基功率检测器包括自混频电路和低通滤波器，所述的自混频的电路的输入端为射频信号输入端，其输出端连接所述的低通滤波器的输入端，所述的低通滤波器的输出端为直流电平输出端。
该硅基功率检测器中，所述的自混频电路包括第一MOS管M1和第二MOS管M2，所述的射频信号输入端的正极VIN+通过第一隔直电容C0连接第一MOS管M1的漏极，该射频信号输入端的正极VIN+还顺序通过第一隔直电容C0和第一耦合电容C2连接第二MOS管M2的栅极；所述的射频信号输入端的负极VIN-通过第二隔直电容C1连接第二MOS管M2的漏极，该射频信号输入端的负极VIN-还顺序通过第二隔直电容C1和第二耦合电容C3连接第一MOS管M1的栅极；所述的第一MOS管M1的源极与所述的第二MOS管M2的源极之间的节点B连接所述的低通滤波器的输入端；第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2串联并跨接于所述的第一隔直电容C0同第一耦合电容C2间的节点以及所述的第二隔直电容C1同第二耦合电容C3间的节点之间。
该硅基功率检测器中，所述的低通滤波器为RC滤波器，其包括第五电阻R5、第四电容C4以及第五电容C5，所述的第五电阻R5连接于所述的低通滤波器输入端和直流电平输出端之间；所述的第四电容C4的一端连接于所述的低通滤波器输入端与第五电阻R5之间的节点，另一端接地GND；所述的第五电容C5的一端连接于所述的第五电阻R5与直流电平输出端之间的节点D，另一端接地GND。
该硅基功率检测器还包括电流镜电路；连接于所述的电流镜电路输出端的偏置电路以及连接于所述偏置电路的跟随器，所述的跟随器还连接于所述的第一MOS管M1和第二MOS管M2，用以控制所述的第一MOS管M1和第二MOS管M2的栅源电压，使所述的第一MOS管M1和第二MOS管M2均工作于临界导通状态。
该硅基功率检测器中，电流镜电路包括第三MOS管M3、第四MOS管M4和第七MOS管M7，所述的第三MOS管M3、第四MOS管M4和第七MOS管M7的栅极均连接参考电流IREF；所述的第三MOS管M3、第四MOS管M4和第七MOS管M7的源极均接地GND；所述的第三MOS管M3的漏极连接所述的参考电流IREF；所述的第四MOS管M4和第七MOS管M7的漏极连接所述的偏置电路。
该硅基功率检测器中，所述的偏置电路包括第五MOS管M5和第六MOS管M6，所述的第五MOS管M5和第六MOS管M6的漏极均连接工作电压VDD；所述的第五MOS管M5的栅极和源极均连接所述的第四MOS管M4的漏极；所述的第六MOS管M6的栅极和源极均连接所述的第七MOS管M7的漏极。
该硅基功率检测器中，所述的第六MOS管M6的栅极和源极与所述的第七MOS管M7的漏极之间的节点电压VB等于所述的第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2之间的节点电压VB。
该硅基功率检测器中，所述的跟随器包括第八MOS管M8和第九MOS管M9，所述的第八MOS管M8的漏极连接工作电压VDD，该第八MOS管M8的栅极连接所述的第五MOS管M5栅极，由所述的第五MOS管M5向所述的第八MOS管M8提供栅极偏置；所述的第九MOS管M9的漏极接地GND；该第九MOS管M9的栅极连接于所述的第五电阻R5与直流电平输出端之间的节点D；所述的第八MOS管M8的源极连接所述的第九MOS管M9的源极，第八MOS管M8源极与第九MOS管M9源极之间的节点C通过第三偏置电阻R3连接所述的第一MOS管M1栅极与第二耦合电容C3之间的节点A，该节点C还通过第四偏置电阻R4连接于所述的第二MOS管M2栅极与第一耦合电容C2之间；所述的节点C与所述的节点D之间的电压差一定，以控制所述的节点A与节点B之间的电压差一定，即所述的第一MOS管M1和第二MOS管M2的栅源电压一定，以使所述的第一MOS管M1和第二MOS管M2均工作于临界导通状态。
采用了该发明的硅基功率检测器包括自混频电路和低通滤波器，在自混频电路将射频输入信号混频后经低通滤波器滤除高频分量，得到直流电平输出，进一步的还包括电流镜电路；偏置电路和跟随器，利用跟随器来稳定自混频电路中的MOS管的直流偏置，使MOS管工作于临界导通状态。从而使本发明的硅基功率检测器的工作频率更宽，能广泛地适用于各种工作频率，同时，其输入阻抗更高，功耗更小，灵敏度高，且结构相对简单，成本也相当低廉。
附图说明
图1为本发明的硅基功率检测器的电路图。
图2为本发明的硅基功率检测器的输入阻抗示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
请参阅图1所示，为本发明的硅基功率检测器的电路图。
在一种实施方式中，该硅基功率检测器包括自混频电路和低通滤波器，所述的自混频的电路的输入端为射频信号输入端，其输出端连接所述的低通滤波器的输入端，所述的低通滤波器的输出端为直流电平输出端。
在较优选的实施方式中，如图1所示，所述的自混频电路包括第一MOS管M1和第二MOS管M2，所述的射频信号输入端的正极VIN+通过第一隔直电容C0连接第一MOS管M1的漏极，该射频信号输入端的正极VIN+还顺序通过第一隔直电容C0和第一耦合电容C2连接第二MOS管M2的栅极；所述的射频信号输入端的负极VIN-通过第二隔直电容C1连接第二MOS管M2的漏极，该射频信号输入端的负极VIN-还顺序通过第二隔直电容C1和第二耦合电容C3连接第一MOS管M1的栅极；所述的第一MOS管M1的源极与所述的第二MOS管M2的源极之间的节点B连接所述的低通滤波器的输入端；第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2串联并跨接于所述的第一隔直电容C0同第一耦合电容C2间的节点以及所述的第二隔直电容C1同第二耦合电容C3间的节点之间。
该硅基功率检测器中，所述的低通滤波器为RC滤波器，其包括第五电阻R5、第四电容C4以及第五电容C5，所述的第五电阻R5连接于所述的低通滤波器输入端和直流电平输出端之间；所述的第四电容C4的一端连接于所述的低通滤波器输入端与第五电阻R5之间的节点，另一端接地GND；所述的第五电容C5的一端连接于所述的第五电阻R5与直流电平输出端之间的节点D，另一端接地GND。
在进一步优选的实施方式中，该硅基功率检测器还包括电流镜电路；连接于所述的电流镜电路输出端的偏置电路以及连接于所述偏置电路的跟随器，所述的跟随器还连接于所述的第一MOS管M1和第二MOS管M2，用以控制所述的第一MOS管M1和第二MOS管M2的栅源电压，使所述的第一MOS管M1和第二MOS管M2均工作于临界导通状态。
在更优选的实施方式中，电流镜电路包括第三MOS管M3、第四MOS管M4和第七MOS管M7，所述的第三MOS管M3、第四MOS管M4和第七MOS管M7的栅极均连接参考电流IREF；所述的第三MOS管M3、第四MOS管M4和第七MOS管M7的源极均接地GND；所述的第三MOS管M3的漏极连接所述的参考电流IREF；所述的第四MOS管M4和第七MOS管M7的漏极连接所述的偏置电路。所述的偏置电路包括第五MOS管M5和第六MOS管M6，所述的第五MOS管M5和第六MOS管M6的漏极均连接工作电压VDD；所述的第五MOS管M5的栅极和源极均连接所述的第四MOS管M4的漏极；所述的第六MOS管M6的栅极和源极均连接所述的第七MOS管M7的漏极。所述的第六MOS管M6的栅极和源极与所述的第七MOS管M7的漏极之间的节点电压VB等于所述的第一偏置电阻R1和第二偏置电阻R2之间的节点电压VB。所述的跟随器包括第八MOS管M8和第九MOS管M9，所述的第八MOS管M8的漏极连接工作电压VDD，该第八MOS管M8的栅极连接所述的第五MOS管M5栅极，由所述的第五MOS管M5向所述的第八MOS管M8提供栅极偏置；所述的第九MOS管M9的漏极接地GND；该第九MOS管M9的栅极连接于所述的第五电阻R5与直流电平输出端之间的节点D；所述的第八MOS管M8的源极连接所述的第九MOS管M9的源极，第八MOS管M8源极与第九MOS管M9源极之间的节点C通过第三偏置电阻R3连接所述的第一MOS管M1栅极与第二耦合电容C3之间的节点A，该节点C还通过第四偏置电阻R4连接于所述的第二MOS管M2栅极与第一耦合电容C2之间；所述的节点C与所述的节点D之间的电压差一定，以控制所述的节点A与节点B之间的电压差一定，即所述的第一MOS管M1和第二MOS管M2的栅源电压一定，以使所述的第一MOS管M1和第二MOS管M2均工作于临界导通状态。
在实际应用中，本发明的功率检测器的整体电路基于硅基CMOS器件，该功率检测器通过自混频方式实现。输入射频信号VIN+、VIN-分别经耦合电容C2、C3耦合到M2、M1的栅极。漏端输入的射频信号与栅端输入的射频信号经M1、M2实现自混频功能，然后由R5、C5、C4组成的低通滤波器滤除高频分量，从而得到直流电平输出。
图1中，C0、C1为隔直电容，C2、C3为耦合电容，R1、R2、R3、R4均为偏置电阻，M1、M2的漏端电压由电流镜产生，M3、M4、M7组成NMOS电流镜对，复制电流IREF，通过M5给M8提供栅极偏置，M6二极管连接获得节点电压VB，M8、M9组成源跟随器结构。M1、M2工作在临界导通状态，漏源端电位几乎相等，因此漏端偏置电压决定了输出端的直流电平。由于处于临界导通状态的M1、M2对偏置电压的变化非常敏感，为了不使管子截止，本发明给出的具体解决方法如下：图1中由于B点电位等于D点电位，A点电位等于C点电位，PMOS管M8、M9组成源跟随器结构，M8为电流源。当电流一定时，C、D两点的电位差为一定值，从而A、B两点之间的电位差也为定值。即通过M9管稳定的栅源电压差来钳制M1管和M2管的栅源两端的电压差。因此通过这种方式来稳定管子的直流偏置。
在将本发明的功率检测器应用于900MHz UHF频段情况下，工作频段覆盖UHF频段840MHz～960MHz。通过应用实际可发现，其灵敏度低于-15dBm，以满足系统对载波泄漏信号抵消程度的要求；输入阻抗应大于1K，避免在功率检测点信号的损失。图2给出了本发明的功率检测器的输入阻抗结果，可见输入阻抗在1.65kΩ左右。
本发明的功率检测器可达到以下效果：
(1)有很高的输入阻抗，约在千欧级，功率检测节点的阻抗为50欧姆，因此引入的损失极小。
(2)电路的功耗很小，微安级别。
(3)由于通过自混频方式实现，因此工作频率很宽。
(4)得益于输入自混频管M1，M2极高的输入阻抗以及输出端C4，R5，C5组成的滤波网络，本发明的功率检测器灵敏度很高，能检测输入功率低至-15dBm的载波泄漏信号。
采用了该发明的硅基功率检测器包括自混频电路和低通滤波器，在自混频电路将射频输入信号混频后经低通滤波器滤除高频分量，得到直流电平输出，进一步的还包括电流镜电路；偏置电路和跟随器，利用跟随器来稳定自混频电路中的MOS管的直流偏置，使MOS管工作于临界导通状态。从而使本发明的硅基功率检测器的工作频率更宽，能广泛地适用于各种工作频率，同时，其输入阻抗更高，功耗更小，灵敏度高，且结构相对简单，成本也相当低廉。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (2)
1.一种硅基功率检测器，其特征在于，包括自混频电路和低通滤波器，所述的自混频的电路的输入端为射频信号输入端，其输出端连接所述的低通滤波器的输入端，所述的低通滤波器的输出端为直流电平输出端；所述的自混频电路包括第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)，
所述的射频信号输入端的正极(VIN+)通过第一隔直电容(C0)连接第一MOS管(M1)的漏极，该射频信号输入端的正极(VIN+)还顺序通过第一隔直电容(C0)和第一耦合电容(C2)连接第二MOS管(M2)的栅极；
所述的射频信号输入端的负极(VIN-)通过第二隔直电容(C1)连接第二MOS管(M2)的漏极，该射频信号输入端的负极(VIN-)还顺序通过第二隔直电容(C1)和第二耦合电容(C3)连接第一MOS管(M1)的栅极；
所述的第一MOS管(M1)的源极与所述的第二MOS管(M2)的源极之间的节点B连接所述的低通滤波器的输入端；
第一偏置电阻(R1)和第二偏置电阻(R2)串联并跨接于所述的第一隔直电容(C0)同第一耦合电容(C2)间的节点以及所述的第二隔直电容(C1)同第二耦合电容(C3)间的节点之间；所述的低通滤波器为RC滤波器，其包括第五电阻(R5)、第四电容(C4)以及第五电容(C5)，所述的第五电阻(R5)连接于所述的低通滤波器输入端和直流电平输出端之间；所述的第四电容(C4)的一端连接于所述的低通滤波器输入端与第五电阻(R5)之间的节点，另一端接地(GND)；所述的第五电容(C5)的一端连接于所述的第五电阻(R5)与直流电平输出端之间的节点D，另一端接地(GND)；还包括电流镜电路；连接于所述的电流镜电路输出端的偏置电路以及连接于所述偏置电路的跟随器，所述的跟随器还连接于所述的第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)，用以控制所述的第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)的栅源电压，使所述的第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)均工作于临界导通状态；电流镜电路包括第三MOS管(M3)、第四MOS管(M4)和第七MOS管(M7)，所述的第三MOS管(M3)、第四MOS管(M4)和第七MOS管(M7)的栅极均连接参考电流(IREF)；所述的第三MOS管(M3)、第四MOS管(M4)和第七MOS管(M7)的源极均接地(GND)；所述的第三MOS管(M3)的漏极连接所述的参考电流(IREF)；所述的第四MOS管(M4)和第七MOS管(M7)的漏极连接所述的偏置电路；所述的偏置电路包括第五MOS管(M5)和第六MOS管(M6)，所述的第五MOS管(M5)和第六MOS管(M6)的漏极均连接工作电压(VDD)；所述的第五MOS管(M5)的栅极和源极均连接所述的第四MOS管(M4)的漏极；所述的第六MOS管(M6)的栅极和源极均连接所述的第七MOS管(M7)的漏极；
所述的跟随器包括第八MOS管(M8)和第九MOS管(M9)，
所述的第八MOS管(M8)的漏极连接工作电压(VDD)，该第八MOS管(M8)的栅极连接所述的第五MOS管(M5)栅极，由所述的第五MOS管(M5)向所述的第八MOS管(M8)提供栅极偏置；
所述的第九MOS管(M9)的漏极接地(GND)；该第九MOS管(M9)的栅极连接于所述的第五电阻(R5)与直流电平输出端之间的节点D；
所述的第八MOS管(M8)的源极连接所述的第九MOS管(M9)的源极，第八MOS管(M8)源极与第九MOS管(M9)源极之间的节点C通过第三偏置电阻(R3)连接所述的第一MOS管(M1)栅极与第二耦合电容(C3)之间的节点A，该节点C还通过第四偏置电阻(R4)连接于所述的第二MOS管(M2)栅极与第一耦合电容(C2)之间；
所述的节点C与所述的节点D之间的电压差一定，以控制所述的节点A与节点B之间的电压差一定，即所述的第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)的栅源电压一定，以使所述的第一MOS管(M1)和第二MOS管(M2)均工作于临界导通状态。
2.根据权利要求1所述的硅基功率检测器，其特征在于，所述的第六MOS管(M6)的栅极和源极与所述的第七MOS管(M7)的漏极之间的节点电压VB等于所述的第一偏置电阻(R1)和第二偏置电阻(R2)之间的节点电压VB。
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