CN107968637B - 包络检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生成输入RF信号的包络信号的包络检测电路。所述包络检测电路包括输入端、输出端、晶体管和积分电路。晶体管以B类模式或C类模式操作，其输入端接收输入RF信号，晶体管放大所述输入RF信号，并且输出放大后的信号。积分电路设置在晶体管和输出端之间，包括在偏置电源和地之间的电阻器和电容器的串联电路。晶体管经由电阻器接收偏置。电容器保持放大后的信号的底部电平。

Description

包络检测电路
技术领域
本发明涉及一种可以生成输入射频(RF)信号的包络信号的包络检测电路。
背景技术
已知包络检测电路使用诸如场效应晶体管(FET)的有源元件，其中FET可作为二极管操作。日本专利申请公开NO.JP-2000-068747A公开了一种这样的包络检测电路。然而，当作为三端装置的晶体管被当作两端装置的二极管来使用时，这里使用的晶体管没有显示出放大输入信号的功能，这导致了输出功率受限。
发明内容
本发明的一方面涉及一种包络检测电路，该包络检测电路包括输入端、输出端、晶体管以及积分电路。输入端接收输入射频(RF)信号。输出端输出所述输入RF信号的包络信号。晶体管的控制端从输入端接收输入RF信号，晶体管放大接收的输入RF信号，并且在其各电流端中的一个电流端输出放大信号。各电流端中的该一个电流端与输出端相连。积分电路设置在晶体管和输出端之间。积分电路包括在偏置电源和地之间串联连接的电阻器和电容器。晶体管的各电流端中的所述一个电流端经由电阻器从偏置电源接收偏置。本发明的包络检测电路的特征在于晶体管以B类模式或C类模式操作。
本发明的另一种包络检测电路包括输入端、输出端、平衡-不平衡变换器(balun)和两个包络检测单元。输入端接收输入RF信号。输出端输出所述输入RF信号的包络信号。平衡-不平衡变换器从输入端接收输入RF信号并且生成彼此互补的两个输入信号。两个包络检测单元各自接收来自平衡-不平衡变换器的输入信号并且在所述输出端耦合生成的各包络信号。包络检测单元各自包括晶体管和积分电路。晶体管接收来自平衡-不平衡变换器的输入信号，放大该输入信号，并且在其各电流端中的与输出端相连的一个电流端输出如此放大后的信号。该晶体管以B类模式或C类模式操作。积分电路，其被设置在晶体管与输出端之间，包括在偏置电源与地之间串联连接的电阻器和电容器。晶体管的各电流端中的所述一个电流端经由电阻器被偏置电源偏置。
附图说明
参照附图结合本发明的优选实施例的以下详细说明，可以更好地理解本发明的前述内容和其他目的、方面和优点，在附图中：
图1示出了根据本发明第一实施例的包络检测电路的电路图；
图2比较了具有积分电路的包络检测电路与不具有积分电路的包络检测电路的信号形态；
图3A示出了晶体管以A类模式操作时包络检测电路的信号形态，图3B示出了晶体管以AB类模式操作时包络检测电路的信号形态；
图4示出了根据本发明第二实施例的另一包络检测电路的电路图；
图5示出了根据图4所示的包络检测电路修改的又一包络检测电路的电路图；
图6A比较了图4所示的电路所输出的包络信号的信号形态与图5所示的电路所输出的包络信号的信号形态；图6B放大了图6A所示的包络信号；
图7示出了根据本发明第三实施例的包络检测电路的电路图。
具体实施方式
下面，将参照附图描述根据本发明的实施例。在附图描述中，彼此相同或相似的数字或符号指代彼此相同或相似的元件而不再重复解释。
第一实施例
图1示出了根据本发明第一实施例的包络检测电路的电路图。包络检测电路100提供场效应晶体管(FET)10，其栅极通过输入匹配电路12与输入端IN相连，输入匹配电路12包括电容器C2和分布传输线L1至L3的。在输入端IN和FET 10的栅极之间提供电容器C2和两个分布传输线L1和L2的串联电路。分布传输线L3作为开路短截线(open stub)连接在两个分布传输线L1和L2之间(被表示为节点N2)。电容器C2可作为耦合电容器以切断直流成分。输入匹配电路12可将FET 10的输入阻抗与图中未示出的外部电路的传输阻抗相匹配。即，匹配电路12使得包络检测电路100的输入阻抗在从输入端IN观察时与外部电路的传输阻抗相匹配。
电源16可通过电阻器R2、节点N2和分布传输线L2提供FET 10的栅极偏置。电阻器R2可以防止高频成分泄漏到电源16。
FET 10的源极接地，其漏极经过电容器C3连接输出端OUT，该电容器C3也可操作为耦合电容器以切断直流成分。电压源14经过电阻器R1向FET 10和输出端OUT之间的节点N1提供电压Vd。该节点N1也通过电容器C1接地。电阻器R1和电容器C1形成具有时间常数的积分电路50。输入端IN接收亚毫米波段和/或毫米波段的射频(RF)信号30，同时输出端OUT输出该输入RF信号30的包络信号32。
电阻器R1和R2具有400Ω和1kΩ的电阻，电容器C1至C3具有0.485pF、0.453pF和2.2μF的电容，并且分布传输线L1至L3具有0.00595λ、0.0923λ以及0.0893λ的电长度，其中λ是当前包络检测电路100所处理的输入RF信号的波长。FET 10接收2V的漏极偏置Vd和0V的栅极偏置Vg。
包络检测电路的操作
图2示意性地示出了当FET 10在B类模式(即，没有信号输入，FET 10关断)中被偏置时，FET 10的输出信号形态。此外，FET 10还优选地在C类模式中被偏置，与B类模式相比，在C类模式中FET10被更深地偏置，即，与当在B类模式中FET 10被偏置的状态相比，在C类模式中FET 10关断的周期变得更长。如图2所示，当输入RF信号30在t1处为0时，FET 10的输出(即，FET 10的漏极电平)变得与漏极偏置Vd相等，这是因为FET 10关断且没有漏极电流I2在其中流动。然后，当输入RF信号30从t1到t2逐渐增大时，FET 10逐渐导通，其漏极电流I2增大，并且存储在电容器C1中的载流子作为漏极电流I2放电。
然后，输入RF信号30从t2到t3逐渐减小，漏极电流I2减小，此间电压源14不断地向节点N1供应电流I1，节点N1将要保持在电阻器R1中引起的电压降，即，节点N1将要降低其电平，然而，电流I1的一部分在电容器C1中流动并对其充电。相应地，节点N1的电平与t2处的电平相比基本上不变。
从t3到t4，输入RF信号30变得小于0V，这使得FET 10关断并截断漏极电流I2，电阻器R1中流动的电流I1取决于节点N1的电平与偏置电源14的电压Vd之间的电压差以及由电阻器R1的电阻值和电容器C1的电容值的乘积限定的时间常数。将时间常数设置为长于输入RF信号30的周期，由于经过电阻器R1对电容器C1充电，节点N1的电压电平逐渐增加。因此，节点N1的电平基本上反映了被FET 10放大的信号的包络。
根据第一实施例，以B类模式操作的FET 10在其控制端接收输入RF信号30。FET 10的源极接地并且漏极经过电容器C3与输出端OUT连接。在FET 10和输出端10之间提供积分电路50，其包括在偏置电源14和地之间串联连接的电阻器R1和电容器C1。FET 10在其漏极经由电阻器R1被偏置电源14偏置，同时，其漏极通过电容器C1接地。
根据以上配置，包络检测电路100可以检测被FET 10放大的输入RF信号30的包络。由于FET 10可相反地放大输入RF信号30，因此包络检测电路100的输出可以确保其输出功率。当输入RF信号30处于亚毫米波段或毫米波段时，各种原因(例如阻抗不匹配和/或传输线路的损耗)会增大信号损耗，迫切需要包络检测电路来抑制或补偿其输出中的损耗。
为了形成包络信号，实施例中的包络检测电路100优选地具有较大的时间常数以通过电流I1对电容器C1充电。对电容器C1充电的时间常数可以主要由电阻器R1的电阻值与电容器C1的电容值的乘积确定；并且本实施例中的时间常数优选为输入RF信号30的周期的两倍，或者更优选地为输入RF信号30的周期的五倍。
图3A和3B示意性地示出了FET 10的操作，图3A示出了A类模式，图3B示出了AB类模式。在A类模式中，FET 10从不关断，这意味着不具有积分电路50的FET 10的输出变成正弦曲线。因此，在A类模式中FET 10总使电流I2流动，这使得输出信号的平均值被设置成偏置的一半，即Vd/2。此外，由于电容器C1的存在，输出信号变为正弦波，但其幅值被减小。于是，以A类模式操作的晶体管可能无法检测输入RF信号30的包络。
当FET 10以AB类模式操作时，晶体管可关断，但是与B类模式或C类模式的情况相比其周期更短。当FET 10导通时，电容器C1中存储的电荷可以经过FET 10放电，这减小了电阻器R1中流动的电流I1并且增加了节点N1处的电平。因此，AB类模式抑制了输出包络信号的幅值。
第二实施例
图4示出了根据本发明第二实施例的另一包络检测电路的电路图。包络检测电路102包括平衡-不平衡变换器20和两个包络检测单元22和24。平衡-不平衡变换器20通过接收来自输入端IN的输入RF信号30来生成彼此互补的两个信号。包络检测单元22和24具有与图1所示的包络检测单元相同的配置，其中前一包络检测单元22中的积分电路52a包括电阻器R1和电容器C1的串联电路，同时，在后一包络检测单元24中也包括电阻器R1和电容器C1的串联电路。即，积分电路52a和52b具有彼此相同的时间常数。两个包络检测单元22和24的输出(即，各FET 10的漏极)与节点N3耦合，并且与输出端OUT连接的耦合电容器C3被两个包络检测单元22和24所共有。在各检测单元22和24中生成的包络信号在节点N3处合并，并且作为包络信号32从输出端OUT输出。两个包络检测单元22和24的细节(即两个包络检测单元22和24的操作)与图1所示的包络检测电路的操作相同。平衡-不平衡转换器20的各输出端中的一个输出端30a经由输入匹配单元12对第一包络检测单元22中的FET 10的栅极输入，同时，各输出端中的另一个输出端30b经由输入匹配单元12对另一个包络检测单元24中的FET10的栅极输入。
图5示出了根据图4所示的电路修改的包络检测电路102A。图5中的电路102A可区别于图4所示的电路的特征在于各包络检测单元22和24的输出被独立地提供给输出端OUT1和OUT2。即，包络检测单元22可以经过耦合电容器C31在输出端OUT1生成第一输出作为第一包络信号38a；而另一个包络检测单元24也可以经过耦合电容器C32在输出端OUT2生成第二输出作为第二包络信号38b。
第二实施例中的包络检测电路的操作
图6A示意性示出了从图5所示的各检测单元22和24输出的包络信号38a和38b。由于各检测单元22和24在FET 10的漏极提供了积分电路52a和52b，检测单元22和24可生成相位差为π的包络信号38a和38b。第二实施例的包络检测电路102可在节点N3处融合这两个包络信号38a和38b，包络检测电路102的输出变成如图6B中32所示的那样，即，包络检测电路102的输出32变成两个输出38a与38b的平均值。对于由图1所示的电路以单相位模式执行包络检测功能的情况，输出32主要包含作为输入RF信号30的频率分量的两倍的频率分量，并且出现在输出中的波动变成38a和38b的波动的一半。出现在输出中的波动有时被称为纹波。
根据第二实施例，平衡-不平衡变换器20可以根据输入RF信号30生成彼此互补的、各自被提供至检测单元22和24的两个信号30a和30b。包络检测单元22和24具有彼此相同的配置，即包络检测单元22和24包括FET 10以及积分电路，所述积分电路包括在偏置电源14与地之间串联连接且与FET 10的漏极耦接的电阻器R1和电容器C1。因此，包络检测电路102可以生成包络信号，该包络信号具有作为输入RF信号30的主频率分量(primary frequencycomponent)的两倍的主频率分量。各包络检测单元22和24中的FET 10可以优选地以B类模式操作，或进一步优选地以C类模式操作。积分电路52a和52b的时间常数优选大于输入RF信号30的周期。
上述说明集中于包络检测电路100、102和102A提供场效应晶体管(FET)作为放大元件的布置方式。但是，放大元件不局限于FET，双极型二极管等可以在包络检测电路100、102和102A中实施。
第三实施例
图7示出了根据本发明第三实施例的包络检测电路的电路图。图7所示的包络检测电路104区别于前述实施例的包络检测电路的特征在于，电路104在积分电路50和输出端OUT之间提供滤波器。该滤波器包括电感器L4和电容器C4，即，滤波器作为低通滤波器或高截止滤波器工作。虽然，包络检测电路100至104生成的包络信号包含高频成分(该高频成分包括输入RF信号30的主频率成分)以及第二实施例的包络检测单元102中的主频率成分的两倍的频率成分，但是将要利用的包络信号的主频率成分是远低于输入RF信号30的主频率成分的低频。设置在FET 10的输出的滤波器可以有效去除高频成分并令包络信号足够稳定。
虽然以说明为目的在本文中描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域技术人员来说，许多修改和变化将变得显而易见。因此，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的实际精神和范围内的全部这些修改和变化。
本申请要求于2016年10月20日提交的日本专利申请No.2016-205847的优先权，其通过引用并入本文。

Claims (6)

1.一种包络检测电路，包括：
输入端，其接收输入射频信号；
输出端，其输出所述输入射频信号的包络信号；
晶体管，其控制端从所述输入端接收所述输入射频信号，所述晶体管放大所述输入射频信号，并且通过其各电流端中的与所述输出端连接的一个电流端输出放大后的信号；以及
积分电路，其设置在所述晶体管与所述输出端之间，所述积分电路包括在偏置电源和地之间串联连接的电阻器和电容器，所述晶体管的各电流端中的所述一个电流端经由所述电阻器从所述偏置电源接收偏置，
其中，所述晶体管以B类模式或C类模式操作，
其中，所述电阻器具有连接到所述输出端与所述晶体管的各电流端中的所述一个电流端之间的节点的一端和连接到所述偏置电源的另一端，
其中，所述电容器具有连接到所述节点的一端和连接到所述地的另一端，
其中，所述积分电路具有大于所述输入射频信号的周期的时间常数。
2.根据权利要求1所述的包络检测电路，
还包括设置在所述晶体管和所述输出端之间的低通滤波器，所述低通滤波器去除所述输入射频信号的主频率成分。
3.根据权利要求2所述的包络检测电路，
其中，所述低通滤波器包括电容器。
4.一种包络检测电路，包括：
输入端，其接收输入射频信号；
输出端，其输出所述输入射频信号的包络信号；
平衡-不平衡变换器，其从所述输入端接收所述输入射频信号并且生成彼此互补的两个输入信号；以及
两个包络检测单元，其各自接收来自所述平衡-不平衡变换器的所述输入信号并且在所述输出端生成包络信号，
其中所述包络检测单元各自包括：
晶体管，其接收来自所述平衡-不平衡变换器的所述输入信号，放大所述输入信号，并且通过其各电流端中的与所述输出端连接的一个电流端输出放大后的信号，所述晶体管以B类模式或C类模式操作，
积分电路，其设置在所述晶体管与所述输出端之间，所述积分电路包括在偏置电源与地之间串联连接的电阻器和电容器，所述晶体管的各电流端中的所述一个电流端经由所述电阻器被所述偏置电源偏置，
其中，所述电阻器具有连接到所述输出端与所述晶体管的各电流端中的所述一个电流端之间的节点的一端和连接到所述偏置电源的另一端，
其中，所述电容器具有连接到所述节点的一端和连接到所述地的另一端，
其中，所述积分电路具有大于所述输入射频信号的周期的时间常数。
5.根据权利要求4所述的包络检测电路，
还包括设置在所述晶体管和所述输出端之间的低通滤波器，所述低通滤波器去除所述输入射频信号的主频率成分以及该主频率成分的两倍的频率成分。
6.根据权利要求5所述的包络检测电路，
其中，所述低通滤波器包括电容器。
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