CN104518838A - 射频功率检测器和检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种射频检测器电路，和使用具有连接到差分放大器第一输入端的输出端的包络检测器，以及连接到差分放大器第二输入端的参考储能电容的方法。在优选的校准模式实施例中，为参考储能电容器(Cref)初始充电，为参考储能电容器高速充电直到差分放大器输出翻转，然后为参考储能电容器慢速放电直到差分放大器输出翻转。产生的电压被储存到参考储能电容器上并用于后面的检测模式。这提供了偏移电压的存储，该偏移电压校准了包络检测器和差分放大器。

Description

射频功率检测器和检测方法
技术领域
本发明涉及射频功率检测器，尤其涉及低功率射频接收器。
背景技术
在低功率接收器的设计中有几种限制。主要一种是在达到最佳性能状态的同时消耗最低的功率。
为了保证低功率消耗，设计必须越简单越好。直接的检测(也就是没有中频处理，在单一步骤中基带转换)是一种最简单的解调链，也是消耗功率最低的。
然而，检测信号一般不会强到能被直接调制，所以检测信号需要被放大。
低功率电路还有第二个主要的限制是有泄露电流。
举个例子来说，一种典型的接收器所需要的目标电流消耗是在几个μA的范围内，并且它操作的温度范围可以从-55℃到125℃。亚微细米CMOS工艺可以用在此种电路中。
为了达到高检测增益，使用主动射频检测器。操作这类检测器的原则依赖于主动设备的非线性转移特征。举例来说，在弱反相架构中MOS晶体管由指数关系控制。
不同于孤立二极管实现的检测器，这种主动检测器并不容易提供补充信号。然而这些信号对于保证高增益放大(直流偏移取消)来说是非常有用的。因此需要产生参考电压，把检测信号与它进行比较，来产生差分输出，尤其是使用差分放大器的情况。这代表了电路设计的第一个问题。
第二个问题是与差分放大器的直流偏移相关的，该差分放大器处理检测信号和它自己的参考值。该直流偏移取决于工艺参数和元件之间的不匹配。错误的施加到差分放大器的输入端的差分电压会导致输出被锁定在一个高或低的值。在这种情况下，信号会丢失。
为了保证正确的系统的操作，考虑到工艺和不匹配问题，必须调整所施加的差分电压。
通常这些问题会被独立的解决。为了解决单一输出端检测器和差分输入放大器的不兼容的问题，可以使用具有两个输出端的包络检测器。一个输出端提供检测信号，第二个输出端提供用于参考的电压。
不幸的是，这种设计需要两个相同的检测器电路，因此会涉及电流损耗问题。
放大器的直流偏移问题通常通过使用大的元件来减轻，但大元件在实际中不适用于超低功耗电路。事实上这些元件占据很大的硅面积。除了成本的考虑，这也会导致它们受制于严重的电流泄露，该电流泄露的量级可能与它们自己的电流损耗的量级是相同的。这会影响系统正确的操作。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种射频检测器电路，包括：
包络检测器，具有输出电容器，在该输出电容器上提供包络检测信号；
参考储能电容器，用于存储参考电压；
差分放大器，具有耦合到输出电容器的第一输入端和耦合到参考储能电容器的第二输入端；
复位电路；
充电电路，用于以第一速率为参考储能电容器充电；和
放电电路，用于以不同的第二速率为参考储能电容器放电；和
控制器，用于控制为参考储能电容器(充电和放电的顺序，基于在充电或更低速率的放电操作期间放大器的输出的翻转在参考储能电容器上储存放大器偏移电压。
该电路可提供直接接收器包络检测器形式的接收器链和电压参考产生电路，它们合在一起供给给差分放大器。
该电路适应于存储直流电压。可以用参考储能电容器实现这个目的。电路以让其适应于放大器的特性的方式来调整电压水平。该电压随后被用作施加到放大器其中一个输入端的参考电压。电路以这种方式提供检测器和放大器的联合的校准。至少在两个阶段，充电和放电中，执行该校准。
电容器可以被快速充电然后慢速放电，来实施粗糙的然后精细的放大器的阈值采样，以使第一速率比第二速率大。
优选的，所述复位电路包括初始放电电路，用于为参考储能电容器放电。
电路可以在三个阶段操作：初始放电，高速充电和低速放电。通过在降压(放电)执行精细的阈值采样，采取所需的极性信号。
包络检测器电路可以包括晶体管，输入信号施加到晶体管的栅极，晶体管通过负载阻抗连接到电源轨；以及连接到晶体管和负载电阻之间的节点的输出滤波电容器。
优选的，初始放电电路可以包括位于参考储能电容器和地之间的开关，这使得快速初始放电功能可以提供复位。
优选的，放电电路可以包括把电流驱动到地的电流源，和能使电流源选择性地耦合到参考储能电容器的隔离开关。在该优选的例子中，电路执行相对低速的放电，以使得在放大器响应时间内，放大器输入端的不同的电压的变化几乎很小。可以确定合适的偏移电压并把它存储到参考储能电容器上。
优选的，充电电路可以包括在开关接通时把电流驱动到参考储能电容器的电流源。在该优选的例子中，这个实现了高速充电。举个例子，充电电路电流源的电流传送速率是放电电路的电流源的电流传送速率的至少50倍。
更通常的，一个电流源的电流传送速率是另一个电流源的至少50被。快速充电之后是慢速放电，或者快速放电之后是慢速充电。
优选的，输入开关被设置为把电路输出端连接到地用于校准模式，或者把电路输出端连接到射频输入端用于接收模式。
优选的，控制器用于控制那些控制每个放电电路和充电电路的开关的操作时间。该时间决定了充电和放电操作何时开始和结束，并且使得所需的偏移被存储在参考储能电容器上。
包络检测电路连接至差分放大器的反相输入端，参考储能电容器连接至差分放大器的非反相输入端。
本发明的另一个方面提供了一种射频检测方法，使用射频检测器电路，所述射频检测器电路包括包络检测器，其具有连接到差分放大器的第一输入端的输出端，以及参考储能电容，其连接到差分放大器的第二输入端，所述方法包括：
在校准模式：
耦合射频检测器电路的输入端至参考电位；
在参考储能电容器上执行复位操作；
以第一速率为参考储能电容器(Cref)充电直至差分放大器输出翻转，并以较低的第二速率为参考储能电容器(Cref)放电直至差分放大器输出翻转，或者以第一速率为参考储能电容器(Cref)放电直至差分放大器输出翻转，并以较低的第二速率为参考储能电容器(Cref)充电直至差分放大器输出翻转；以及
在参考储能电容器上存储产生的电压，和
在检测模式：
耦合射频检测器电路的输入端至需检测的信号。
优选的，复位操作是初始放电，存在高速充电然后慢速放电。
附图说明
图1示出了本发明的电路的一个例子；
图2示出了解释电路操作的时间图；
图3示出了更详细显示的部分时间图；
图4示出了对应于图2的没有温度范围的时间图；
图5示出了差分电压随温度变化的图。
具体实施方式
本发明提供了一种射频检测器电路，和使用具有连接到差分放大器第一输入端的输出端的包络检测器，以及连接到差分放大器第二输入端的参考储能电容的方法。在校准模式的一个例子中，存在参考储能电容器的初始复位，然后参考储能电容器高速充电或放电直到差分放大器输出翻转。然后存在参考储能电容器较慢速放电或充电直到差分放大器输出翻转。产生电压被储存到参考储能电容器上并用于后面的检测模式。这就提供了偏移电压的存储，该偏移电压校准了包络检测器和差分放大器函数。
图1示出了本发明的电路的一个例子。该优选的例子使用了高速充电然后慢速放电。
射频输入通过开关S1被接收，开关S1接通射频输入或者把该输入接地。尤其是在电路被用于射频接收之前用于校准操作。
电路包括射频包络检测器10，该包络检测器10向低频放大器12的反相输入端提供检测包络信号。存在施加到低频放大器12的非反相输入端的参考电压，被保持在参考储能电容器Cref。本发明尤其涉及在参考储能电容器Cref上提供适当的电压的设备和电路。
复位电路14表现为用于尽快地为参考储能电容器Cref放电的第一放电电路14的形式，表现为接地的开关S3的形式。
第二(受控制)放电电路16被设置为提供储能电容器的受控制的放电，如下所解释。它包括串联连接的传送电流Io的电流源和开关S2，其介于非反相输入端和地之间。
充电电路18被设置为从高电压轨向储能充电器Cref充电，表现为串联连接的电流源与开关S4的形式。
包络检测器电路10可以是传统的。在图1的例子中显示的包络检测器10，输入射频信号被提供到NMOS晶体管MN1，晶体管MN1的开关决定了输出(平流)电容器Cm通过负载电阻器RL充电或者通过晶体管放电。以这样的方式，电容器Cm提供平流(即低通滤波)功能，从而提供包络检测。电容器Cm上存储的电压是包络信号，并且它被提供到低频放大器12。
差分放大器12的非反相输入端通过电阻器Rflt连接到晶体管MN1的栅极。
晶体管MN1运行射频检测器。为了达到这个功能，它的栅极被加上射频信号。射频信号的存在修改了(特别是增加)流入MN1的平均电流。这将转化成RL中的增加的电压降。
MN1在操作的弱反相结构中被偏置，该操作中栅极电压和电流之间的指数关系使得检测过程可以发生。
保证弱反相操作的偏置电压存储在电容器Cref上。用于Cref的为了高效的存储该电压所需的值导致了低的射频阻抗(几个欧姆)，该低射频阻抗会“缩短”射频信号。为了防止这个情况发生，高值电阻Rflt被设置在参考储能电容器Cref和施加射频电压的晶体管MN1的栅极之间。没有直流电流通过该电阻，不会对偏置产生影响。
充电电路包括更大的电流源，其驱动电流80xIo到储能电容器，当开关S4接通的时候。更大的电流源传送的电流可能是更小的电流源传送电流的至少50倍。
四个开关S1-S4控制电路配置，它们是由校准序列发生器20所控制的。
低频放大器12的输出被施加到提供电路输出的限制器22。如图所示，校准序列发生器具有依靠电流输出控制的时序。
电路的操作中四个不同的阶段。前三个阶段是初始桥准的部分，开关S1把电路输出耦合到地。晶体管MN1截止，平流电容器通过负载电阻RL被Vdd充电。然后开关S2-S4控制校准操作的不同阶段。最后的，第四阶段存在耦合到射频输入的电路输入。
第一阶段包括参考储能电容器Cref的放电。这涉及仅闭合开关S3来对Cref放电。如同电路复位执行这个初始的放电功能。校准操作可以被执行多次。举例来说，响应于变化的温度，电路老化，或者其他情况。该第一阶段因此复位电路至一个固定的状态。
第二阶段包括储能电容器Cref的快速充电，通过仅闭合开关S4的方式实现。电流源80xIo通过开关S4向储能电容器Cref充电。放大器12的非反相输入端连接到储能电容器Cref的产生电压Vref，反相输入端连接到晶体管MN1的漏极上的电压。电压Vdetect等于Vdd-RLxID。
该充电步骤的目的是减小Vref和Vdetect之间的差分电压。最后充电阶段时的电压Vref快速到达翻转点。放大器，因为其低电流损耗，具有较长的响应时间。
在电容器快速充电期间，包络检测器的输出会降低直到它达到放大器的阈值。这个降低的发生是由于Cref上的电压增加从而逐渐接通MN1，从而增加晶体管漏极电流，从而减少Vdetect值。在输入之间的差异等于放大器阈值的时候，放大器的输出翻转。
校准序列发生器检测输出的翻转，输出的翻转用于触发低速率充电的开始。阈值应该理想的为零，但是主要由于元件不匹配而产生了一个实际的值。
在高速充电的结尾时改变开关配置所需要的时间不是关键的，但最好保持较短，因为它会影响后续低速放电步骤的持续时间，以及整个操作的持续时间。
放大器的翻转点是当产生电压Vdiff与阈值交叉。然而，依据互相相关的两个输入信号的改变率，放大器的响应时间(跟随阈值被交叉的时间点)意味着当输出翻转(更晚)时输入端之间存在的电压差异是依据输入的变化率的。
执行非常快的充电以使阈值电压被限度超过，然后执行慢速的放电以保证更准确的阈值电压。快速充电可以被认为是粗糙的阈值采样操作，慢速放电可以被认为是精细的阈值采样操作，这个粗糙-精细的方法结合得到阈值电压准确采样的时间。
在第二放电阶段，执行更慢的如上的操作，只闭合开关S2。电容器被缓慢的放电以回到先前的状态(即当放大器的输出重新变低)。慢速放电允许差分电压的漂移，原因是他的响应时间是有限制的。这保证了较小的和好控制的输入偏移，该输入偏移保证了检测器的良好的敏感性。尤其是，参考储能电压上的电压Vref被保持在一个点，使得偏移是小的，并且有对的极性。
放大器的输出电压被保持在Vdd直到它的输入差分电压达到它的阈值，因此它的输出翻转从而结束整个操作。在这种情况下，校准序列发生器应该在输出一翻转的时候就改变开关配置，为的是保持电容器Cref上所需的电压。
下表显示了用于不同顺序方法的开关的控制方式。
校准序列发生器20在每个校准阶段管理开关S1，S2，S3和S4。
图2显示了在四个阶段期间电压Vref，Vdetect和电路输出的情况。
在第一阶段(P1)，参考储能电容器被放电，晶体管MN1完全截止，电压Vdetect等于Vdd(因为没有电流流过)。
在第二阶段(P2)，参考储能电容器被快速充电。在充电快结束的时候，电压Vref意味着晶体管MN1开始接通，引起电压Vdetect下降。
当Vdetect和Vref之间的差等于放大器的阈值，则输出翻转。
然后第三阶段(P3)开始了，缓慢的放电。这提供了慢速衰减电压Vref，这使得Vdetect的值上升，因为晶体管MN1被逐渐闭合，减少RL两端的电压降。
图3中更清楚的显示了这个阶段的电压变化，它聚焦在阶段P3的电压轴。当电压Vdetect和Vref交叉时，输出再一次翻转。
输出第一次翻转时，由于放大器的响应时间，Vdetect和Vref之间有很大的差，如上所解释的那样。第二次翻转的时候，它们之间的差比第一次小很多，其更准确的代表了放大器阈值电压。
为了显示电路的好处，各个过程在-55℃到125℃之间温度范围内的结果在图4中叠加。
图4中不同的线是基于在三个特定温度(端点温度-55℃、125℃，以及室温27℃)时电路的观察。在各种工艺变化的模型下观察电路响应：FNFP，FNSP，SNFP，SNSP和Nominal，在-55℃，27℃和125℃(给出15条曲线)。
用于模拟电路状况的工艺变化模型是：
FNSP是快NMOS和慢PMOS晶体管；
FNFP是快NMOS和快PMOS晶体管；
SNSP是慢NMOS和慢PMOS晶体管；
SNFP是慢NMOS和快PMOS晶体管；
Nominal是有预期NMOS和PMOS晶体管速度。
已经显示了执行恰当的校准过程，尽管所有过程在整个温度范围内变化。
图5显示了电压Vdetect和Vref之间的差分电压Vdiff，当校准结束时，Vdiff＝Vdetect-Vref，温度函数，上面指出的五种过程变化。
差分电压介于3mV和6.5mV之间，如图所示。
检测器显示了敏感性好于-50dBm(即所有过程和温度范围)，并且总体电流消耗是2μA。
校准阶段产生的时间延迟是适度的，它对于总体接收响应时间没有大的影响。
本发明解决了主动射频检测器产生的小直流电压的放大器引起的问题。射频检测器一般不容易发送补充信号。因此直流信号放大器需要一些特殊电路布置。一个解决这个问题典型的方案是用两个同样的检测器，用其中一个检测，用另外一个作为用于放大器的直流参考。这个方案有一个缺点是使得电流消耗加倍，并且要依赖于元件的匹配(为了偏移电压)。
在本发明可以应用的超低功耗消耗的情况下，这样的方案是不适用的。事实上，用于超低功耗电路中阻止电流泄露的小元件是不会有好的匹配属性的。并且，在弱反相操作会有非常低的功率操作会导致产生非常差的匹配属性。
本发明通过先记忆在没有施加射频信号的时候由检测器提供的电容器的直流电压，解决了上述两个问题。这个记忆的电压被用做用于检测信号放大的参考。这就实现了只使用一个主动射频检测器，并且避免了元件匹配的问题。
此外，本发明的实施例也解决了负责处理检测信号的差分放大器的输入偏移电压的问题。为了这个，使用参考电压来偏置检测器。在校准过程中，检测器输出电压被扫频(通过施于它的偏置)，当放大器偏移被补偿，它的输出翻转。
如上所提到的，可以使用不同的包络检测器设置。优选的使用直接检测，但这并非必要的。
上述的优选的实施例使用了三个阶段，有从缓慢下降电容器电压采样到的阈值电压。
然而，对于提供具有与所显示电路(其中射频输入存在的情况下检测器的输出电压上升)相反极性的输出信号的检测器来说，从缓慢上升的电压来采样阈值电压是合适的。因此，需要有快速放电(从完全充满的初始复位电容器状态)，接着是慢速的充电。
各种修改对于本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (15)

1.一种射频检测器电路，其特征在于，包括：
包络检测器，具有输出电容器(Cm)，在该输出电容器(Cm)上提供包络检测信号；
参考储能电容器(Cref)，用于存储参考电压；
差分放大器，具有耦合到输出电容器(Cm)的第一输入端和耦合到参考储能电容器(Cref)的第二输入端；
复位电路(14)；
充电电路(18)，用于以第一速率为参考储能电容器(Cref)充电；和
放电电路(16)，用于以不同的第二速率为参考储能电容器(Cref)放电；和控制器(20)，用于控制为参考储能电容器(Cref)充电和放电的顺序，基于在充电或更低速率的放电操作期间放大器的输出的翻转在参考储能电容器(Cref)上储存放大器偏移电压。
2.如权利要求1所述的射频检测器电路，其特征在于，包络检测器电路(10)包括晶体管(MN1)，输入信号施加到晶体管的栅极，晶体管通过负载阻抗(RL)连接到电源轨；以及连接到晶体管和负载电阻之间的节点的输出滤波电容器(Cm)。
3.如权利要求1或2所述的射频检测器电路，其特征在于，所述复位电路(14)包括初始放电电路(14)，用于为参考储能电容器(Cref)放电，其中第一速率比第二速率快。
4.如权利要求3所述的射频检测器电路，其特征在于，所述初始放电电路包括位于参考储能电容器(Cref)和地之间的开关(S3)。
5.如前述任一权利要求所述的射频检测器电路，其特征在于，所述放电电路(16)包括把电流驱动到地的电流源，和能使电流源选择性地耦合到参考储能电容器(Cref)的隔离开关(S2)。
6.如权利要求5所述的射频检测器电路，其特征在于，所述充电电路(18)包括在开关(S4)接通时把电流驱动到参考储能电容器(Cref)的电流源。
7.如权利要求6所述的射频检测器电路，其特征在于，充电电路和放电电路中较快者的电流源的电流传送速率是充电电路(18)和放电电路(16)中的较慢者的电流源的电流传送速率的至少50倍。
8.如前述任一权利要求所述的射频检测器电路，其特征在于，包括输入开关(S1)，该输入开关(S1)把电路输出端连接到地用于校准模式，或者把电路输出端连接到射频输入端用于接收模式。
9.如前述任一权利要求所述的射频检测器电路，其特征在于，所述控制器用于控制那些控制每个放电电路(14，16)和充电电路(18)的开关的操作时间。
10.如前述任一权利要求所述的射频检测器电路，其特征在于，所述包络检测电路连接至差分放大器(12)的反相输入端，参考储能电容器(Cref)连接至差分放大器(12)的非反相输入端。
11.如前述任一权利要求所述的射频检测器电路，其特征在于，所述电路的输入端通过电阻器连接至差分放大器(12)的非反相输入端。
12.一种射频检测方法，使用射频检测器电路，所述射频检测器电路包括包络检测器，其具有连接到差分放大器的第一输入端的输出端，以及参考储能电容，其连接到差分放大器的第二输入端，其特征在于，所述方法包括：
在校准模式：
耦合射频检测器电路的输入端至参考电位；
在参考储能电容器上执行复位操作；
以第一速率为参考储能电容器(Cref)充电直至差分放大器输出翻转，并以较低的第二速率为参考储能电容器(Cref)放电直至差分放大器输出翻转，或者以第一速率为参考储能电容器(Cref)放电直至差分放大器输出翻转，并以较低的第二速率为参考储能电容器(Cref)充电直至差分放大器输出翻转；以及
在参考储能电容器上存储产生的电压，和
在检测模式：
耦合射频检测器电路的输入端至需检测的信号。
13.如权利要求12所述的射频检测方法，其特征在于，所述在参考储能电容器(Cref)上执行复位操作的步骤包括为参考储能电容器(Cref)充分放电，其中充电比放电早，充电的速率比放电的速率更快。
14.如权利要求12或13所述的射频检测方法，其特征在于，所述为参考储能电容器(Cref)充电的步骤包括从电流源向参考储能电容器驱动第一电流。
15.如权利要求14所述的射频检测方法，其特征在于，所述为参考储能电容器(Cref)放电的步骤包括从参考储能电容器向第二电流源驱动第二电流，其中所述一个电流源的电流至少是另一个电流源的电流的50倍。
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