CN109525334A - 一种高动态范围的宽频对数检波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高动态范围的宽频对数检波器，包括低噪声放大器、补偿检波单元、电流求和及驱动单元、N级限幅放大器和N级检波单元。本发明通过在第一级限幅放大器前面加入低噪声放大器，提高了整个检波器的检波灵敏度；通过低噪声放大器和补偿检波单元的组合，扩大了整个检波器的检波动态范围。
Description
技术领域
本发明涉及检波器，特别是涉及一种高动态范围的宽频对数检波器。
背景技术
对数检波器广泛应用于雷达、电子侦察、通信和遥测等系统中，是影响系统接收信号动态范围的重要器件。现有技术中的对数检波器如图1所示，由多级限幅放大器、检波单元和电流求和及驱动单元构成，限幅放大器逐级放大，每级限幅放大器的输出经检波单元检波后送入电流求和及驱动电路，最后由电流求和及驱动电路输出最终的检波信号。然而，现有技术中由于限幅放大器的噪声系数较大，会导致整个检波器的检波灵敏度较低，检波动态范围较小。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种高动态范围的宽频对数检波器，能够解决现有技术中存在的检波器检波灵敏度较低、检波动态范围较小的问题。
技术方案：本发明所述的高动态范围的宽频对数检波器，包括低噪声放大器、补偿检波单元、电流求和及驱动单元、N级限幅放大器和N级检波单元，N≥2；其中，第一级限幅放大器的输入端连接低噪声放大器的输出端，低噪声放大器的输入端作为整个检波器的输入端，低噪声放大器的输入端还连接补偿检波单元的输入端，补偿检波单元的输出端连接电流求和及驱动单元的输入端，第i级限幅放大器的输出端分别连接第i+1级限幅放大器的输入端和第i级检波单元的输入端，1≤i≤N-1，第i级检波单元的输出端连接电流求和及驱动单元的输入端，第N级限幅放大器的输出端连接第N级检波单元的输入端，第N级检波单元的输出端连接电流求和及驱动单元的输入端，电流求和及驱动单元的输出端作为整个检波器的输出端。
进一步，所述低噪声放大器包括第二十四三极管M24，第二十四三极管M24的发射极通过第二电感L2接地，第二十四三极管M24的基极分别连接第十电阻R10的一端和第十一电阻R11的一端，第二十四三极管M24的基极还作为低噪声放大器的输入端，第十电阻R10的另一端通过电压源Vb1接地，第十一电阻R11的另一端连接第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端分别连接第二十四三极管M24的集电极和第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端通过第十二电阻R12连接第四供电电压VCC4。这样低噪声放大器能够实现1-18GHz的工作频带，3dBm的输出1dB压缩点，能够实现很好的线性度。
进一步，所述补偿检波单元和检波单元的电路结构相同。
进一步，所述补偿检波单元的电路结构包括第十七三极管M17和第十八三极管M18，第十七三极管M17的基极和第十八三极管M18的基极均作为补偿检波单元的输入端，第十七三极管M17的基极输入信号的相位和第十八三极管M18的基极输入信号的相位相差180度，第十七三极管M17的发射极通过第六电流源Ib6接地，第十八三极管M18的发射极通过第八电流源Ib8接地，第十七三极管M17的集电极分别连接第十一三极管M11的发射极、第十一三极管M11的基极、第十二三极管M12的集电极和第十八三极管M18的集电极，第十一三极管M11的集电极、第十二三极管M12的发射极、第十三三极管M13的发射极、第十四三极管M14的发射极、第九三极管M9的集电极和第十三极管M10的集电极均输入第二供电电压VCC2，第十一三极管M11的基极还连接第九三极管M9的基极，第十二三极管M12的基极分别连接第十三三极管M13的基极、第十三三极管M13的集电极、第十四三极管M14的基极、第十四三极管M14的集电极、第十五三极管M15的集电极和第十六三极管M16的集电极，第十五三极管M15的基极连接第十六三极管M16的基极，第十五三极管M15的发射极连接第十六三极管M16的发射极，第十五三极管M15的发射极还通过第七电流源Ib7接地，第九三极管M9的发射极连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端分别连接第十九三极管M19的集电极和第十三极管M10的基极，第十九三极管M19的发射极通过第四电阻R4接地，第十九三极管M19的基极分别连接第十三极管M10的发射极和第二十三极管M20的基极，第十九三极管M19的基极还通过第九电流源Ib9接地，第二十三极管M20的发射极通过第五电阻R5接地，第二十三极管M20的集电极连接第十电流源Ib10的一端，第十电流源Ib10的另一端作为补偿检波单元的输出端。
进一步，所述N级限幅放大器的电路结构相同，限幅放大器的电路结构包括第一三极管M1和第二三极管M2，第一三极管M1的基极和第二三极管M2的基极均作为限幅放大器的输入端，第一三极管M1的基极输入信号的相位和第二三极管M2的基极输入信号的相位相差180度，第一三极管M1的发射极通过第二电流源Ib2接地，第二三极管M2的发射极通过第四电流源Ib4接地，第一三极管M1的集电极分别连接第三三极管M3的基极、第五三极管M5的发射极和第七三极管M7的基极，第二三极管M2的集电极分别连接第六三极管M6的发射极、第八三极管M8的基极和第四三极管M4的基极，第五三极管M5的基极分别连接第三三极管M3的集电极和第一电阻R1的一端，第六三极管M6的基极分别连接第四三极管M4的集电极和第二电阻R2的一端，第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端、第五三极管M5的集电极、第六三极管M6的集电极、第七三极管M7的集电极和第八三极管M8的集电极均输入第一供电电压VCC1，第三三极管M3的发射极连接第四三极管M4的发射极，第三三极管M3的发射极通过第三电流源Ib3接地，第七三极管M7的发射极通过第一电流源Ib1接地，第八三极管M8的发射极通过第五电流源Ib5接地，第七三极管M7的发射极和第八三极管M8的发射极均作为限幅放大器的输出端。
进一步，所述电流求和及驱动单元包括第一场效应管F1和第三场效应管F3，第一场效应管F1的栅极分别连接第二场效应管F2的栅极、第一场效应管F1的漏极、第二十三三极管M23的集电极和第五场效应管F5的栅极，第三场效应管F3的栅极分别连接第四场效应管F4的栅极和第三场效应管F3的漏极，第三场效应管F3的漏极作为电流求和及驱动单元的输入端，第四场效应管F4的漏极分别连接运算放大器OP1的同相输入端、第九电阻R9的一端和第二场效应管F2的漏极，运算放大器OP1的反相输入端连接运算放大器OP1的输出端，运算放大器OP1的接地端接地，运算放大器OP1的偏置端连接第五场效应管F5的漏极，运算放大器OP1的输出端作为电流求和及驱动单元的输出端，第二十三三极管M23的发射极通过第八电阻R8接地，第二十三三极管M23的基极分别连接第二十二三极管M22的发射极和第二十一三极管M21的基极，第二十三三极管M23的基极还通过第七电阻R7接地，第二十一三极管M21的发射极通过第六电阻R6接地，第二十一三极管M21的集电极分别连接第二十二三极管M22的基极和第十一电流源Ib11的一端，第十一电流源Ib11的另一端连接外置电流源，第二十二三极管M22的集电极、第一场效应管F1的源极、第二场效应管F2的源极、第三场效应管F3的源极、第四场效应管F4的源极和第五场效应管F5的源极均输入第三供电电压VCC3。
进一步，所述N为3的倍数，第3j+1级限幅放大器和第3j+3级限幅放大器之间设有直流补偿电路，第3j+3级限幅放大器的直流电压作为直流补偿电路的输入信号，直流补偿电路将直流电压放大后输出至第3j+1级限幅放大器。这样能够使得限幅放大器在工作带宽内的直流电压波动减弱，从而提高整个检波器的频率平坦度。
进一步，所述第3j+1级限幅放大器和第3j+3级限幅放大器的电路结构相同；第3j+1级限幅放大器包括第二十五三极管M25和第二十六三极管M26，第二十五三极管M25的基极和第二十六三极管M26的基极均作为第3j+1级限幅放大器的输入端，第二十五三极管M25的基极输入信号的相位和第二十六三极管M26的基极输入信号的相位相差180度，第二十五三极管M25的发射极通过第十三电流源Ib13接地，第二十六三极管M26的发射极通过第十五电流源Ib15接地，第二十五三极管M25的集电极分别连接第二十七三极管M27的基极、第二十九三极管M29的发射极和第三十一三极管M31的基极，第二十六三极管M26的集电极分别连接第三十三极管M30的发射极、第三十二三极管M32的基极和第二十八三极管M28的基极，第二十九三极管M29的基极分别连接第二十七三极管M27的集电极和第十三电阻R13的一端，第三十三极管M30的基极分别连接第三十一三极管M31的集电极和第十四电阻R14的一端，第十三电阻R13的另一端、第十四电阻R14的另一端、第二十九三极管M29的集电极、第三十三极管M30的集电极、第三十一三极管M31的集电极和第三十二三极管M32的集电极均输入第五供电电压VCC5，第二十七三极管M27的发射极连接第二十八三极管M28的发射极，第二十七三极管M27的发射极通过第十四电流源Ib14接地，第三十一三极管M31的发射极通过第十二电流源Ib12接地，第三十二三极管M32的发射极通过第十六电流源Ib16接地，第三十一三极管M31的发射极和第三十二三极管M32的发射极均作为第3j+1级限幅放大器的输出端，第二十七三极管M27的集电极还连接第十五电阻R15的一端，第二十八三极管M28的集电极还连接第十六电阻R16的一端，第十五电阻R15的另一端和第十六电阻R16的另一端均连接直流补偿电路的输入端；第3j+2级限幅放大器包括第一三极管M1和第二三极管M2，第一三极管M1的基极和第二三极管M2的基极均作为第3j+2级限幅放大器的输入端，第一三极管M1的基极输入信号的相位和第二三极管M2的基极输入信号的相位相差180度，第一三极管M1的发射极通过第二电流源Ib2接地，第二三极管M2的发射极通过第四电流源Ib4接地，第一三极管M1的集电极分别连接第三三极管M3的基极、第五三极管M5的发射极和第七三极管M7的基极，第二三极管M2的集电极分别连接第六三极管M6的发射极、第八三极管M8的基极和第四三极管M4的基极，第五三极管M5的基极分别连接第三三极管M3的集电极和第一电阻R1的一端，第六三极管M6的基极分别连接第四三极管M4的集电极和第二电阻R2的一端，第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端、第五三极管M5的集电极、第六三极管M6的集电极、第七三极管M7的集电极和第八三极管M8的集电极均输入第一供电电压VCC1，第三三极管M3的发射极连接第四三极管M4的发射极，第三三极管M3的发射极通过第三电流源Ib3接地，第七三极管M7的发射极通过第一电流源Ib1接地，第八三极管M8的发射极通过第五电流源Ib5接地，第七三极管M7的发射极和第八三极管M8的发射极均作为第3j+2级限幅放大器的输出端。
进一步，直流补偿电路包括第三十三三极管M33，第三十三三极管M33的基极作为直流补偿电路的输入端，第三十三三极管M33的集电极连接第十七电阻R17的一端，第三十三三极管M33的集电极还输入第六供电电压VCC6，第十七电阻R17的另一端分别连接第三十四三极管M34的集电极和第三十五三极管M35的基极，第三十五三极管M35的集电极作为直流补偿电路的输出端，第三十四三极管M34的基极连接第三十三三极管M33的发射极，第三十三三极管M33的发射极通过第十七电流源Ib17接地，第三十四三极管M34的发射极通过第十八电流源Ib18接地，第三十五三极管M35的发射极通过第十九电流源Ib19接地。
进一步，温度补偿电路，温度补偿电路的输出端连接电流求和及驱动单元；温度补偿电路包括第六场效应管F6，第六场效应管F6的栅极分别连接第七场效应管F7的栅极、第八场效应管F8的栅极和第二运算放大器OP2的输出端，第六场效应管F6的源极、第七场效应管F7的源极和第八场效应管F8的源极均输入第七供电电压VCC7，第八场效应管F8的漏极作为温度补偿电路的输出端，第六场效应管F6的漏极分别连接第二运算放大器OP2的同相输入端、第三十六三极管M36的基极和第三十六三极管M36的集电极，第七场效应管F7的漏极分别连接第二运算放大器OP2的反相输入端和第十八电阻R18的一端，第十八电阻R18的另一端分别连接第三十七三极管M37的集电极和第三十七三极管M37的基极，第三十六三极管M36的发射极和第三十七三极管M37的发射极均接地。这样使得电流求和及驱动单元在高低温变化时的工作状态和工作性能一致，从而使得整个检波器的工作范围拓宽，适用于极端工作环境。
有益效果：本发明公开了一种高动态范围的宽频对数检波器，通过在第一级限幅放大器前面加入低噪声放大器，提高了整个检波器的检波灵敏度；通过低噪声放大器和补偿检波单元的组合，扩大了整个检波器的检波动态范围。
附图说明
图1为现有技术中检波器的电路结构框图；
图2为本发明具体实施方式中检波器的电路结构框图；
图3为本发明具体实施方式中去掉低噪声放大器和补偿检波单元之后的检波输出曲线；
图4为本发明具体实施方式中加上低噪声放大器和补偿检波单元之后的检波输出曲线；
图5为本发明具体实施方式中限幅放大器的实施例1的电路图；
图6为本发明具体实施方式中补偿检波单元的电路图；
图7为本发明具体实施方式中电流求和及驱动单元的电路图；
图8为本发明具体实施方式中低噪声放大器的电路图；
图9为本发明具体实施方式中限幅放大器的实施例2中第3j+1级限幅放大器的电路图；
图10为本发明具体实施方式中直流补偿电路的电路图；
图11为本发明具体实施方式中温度补偿电路的电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图，对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种高动态范围的宽频对数检波器，如图2所示，包括低噪声放大器、补偿检波单元、电流求和及驱动单元、N级限幅放大器和N级检波单元，N≥2。其中，第一级限幅放大器的输入端连接低噪声放大器的输出端，低噪声放大器的输入端作为整个检波器的输入端，低噪声放大器的输入端还连接补偿检波单元的输入端，补偿检波单元的输出端连接电流求和及驱动单元的输入端，第i级限幅放大器的输出端分别连接第i+1级限幅放大器的输入端和第i级检波单元的输入端，1≤i≤N-1，第i级检波单元的输出端连接电流求和及驱动单元的输入端，第N级限幅放大器的输出端连接第N级检波单元的输入端，第N级检波单元的输出端连接电流求和及驱动单元的输入端，电流求和及驱动单元的输出端作为整个检波器的输出端。图2中的限幅放大器有六级，N＝6。
本发明之所以采用低噪声放大器和补偿检波单元的组合，是因为仅用低噪声放大器虽然能提高检波灵敏度，但是检波动态范围的上限和下限都会下偏，也即检波动态范围得不到扩展。然而加入了补偿检波单元之后，补偿检波单元会在输入信号功率比较高的时候起作用，这样就能补偿低噪声放大器无法检测高功率信号的缺点，从而能够拓展检波动态范围。因此，采用低噪声放大器和补偿检波单元的组合，既能够提高检波灵敏度，又能够拓展检波动态范围。
低噪声放大器包括第二十四三极管M24，如图8所示，第二十四三极管M24的发射极通过第二电感L2接地，第二十四三极管M24的基极分别连接第十电阻R10的一端和第十一电阻R11的一端，第二十四三极管M24的基极还作为低噪声放大器的输入端，第十电阻R10的另一端通过电压源Vb1接地，第十一电阻R11的另一端连接第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端分别连接第二十四三极管M24的集电极和第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端通过第十二电阻R12连接第四供电电压VCC4。其中，电压源Vb1通过第十电阻R10为第二十四三极管M24提供电压偏置。第一电容C1和第十一电阻R11是反馈元件，主要调节低噪声放大器的增益。第十二电阻R12和第一电感L1是负载元件，用于提高低噪声放大器的高频增益，第二电感L2是低噪声放大器的绕线等效电感。
补偿检波单元和检波单元的电路结构相同。补偿检波单元的电路结构包括第十七三极管M17和第十八三极管M18，如图6所示，第十七三极管M17的基极和第十八三极管M18的基极均作为补偿检波单元的输入端，第十七三极管M17的基极输入信号的相位和第十八三极管M18的基极输入信号的相位相差180度，第十七三极管M17的发射极通过第六电流源Ib6接地，第十八三极管M18的发射极通过第八电流源Ib8接地，第十七三极管M17的集电极分别连接第十一三极管M11的发射极、第十一三极管M11的基极、第十二三极管M12的集电极和第十八三极管M18的集电极，第十一三极管M11的集电极、第十二三极管M12的发射极、第十三三极管M13的发射极、第十四三极管M14的发射极、第九三极管M9的集电极和第十三极管M10的集电极均输入第二供电电压VCC2，第十一三极管M11的基极还连接第九三极管M9的基极，第十二三极管M12的基极分别连接第十三三极管M13的基极、第十三三极管M13的集电极、第十四三极管M14的基极、第十四三极管M14的集电极、第十五三极管M15的集电极和第十六三极管M16的集电极，第十五三极管M15的基极连接第十六三极管M16的基极，第十五三极管M15的发射极连接第十六三极管M16的发射极，第十五三极管M15的发射极还通过第七电流源Ib7接地，第九三极管M9的发射极连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端分别连接第十九三极管M19的集电极和第十三极管M10的基极，第十九三极管M19的发射极通过第四电阻R4接地，第十九三极管M19的基极分别连接第十三极管M10的发射极和第二十三极管M20的基极，第十九三极管M19的基极还通过第九电流源Ib9接地，第二十三极管M20的发射极通过第五电阻R5接地，第二十三极管M20的集电极连接第十电流源Ib10的一端，第十电流源Ib10的另一端作为补偿检波单元的输出端。图6中，利用第十七三极管M17和第十八三极管M18的非线性，使得输出电流和输入功率呈对数线性关系。第十五三极管M15和第十六三极管M16的输出电流为输入信号的直流输出，通过第十二三极管M12、第十三三极管M13和第十四三极管M14的电流镜，使得第十一三极管M11的输出电流减去了输入信号的直流分量。第九三极管M9、第十三极管M10、第十九三极管M19、第二十三极管M20、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5构成一个电流镜，可以镜像输出所需的电流。
限幅放大器有两个实施例，分别如下。
实施例1：
实施例1中，N级限幅放大器的电路结构相同，限幅放大器的电路结构包括第一三极管M1和第二三极管M2，如图5所示，第一三极管M1的基极和第二三极管M2的基极均作为限幅放大器的输入端，第一三极管M1的基极输入信号的相位和第二三极管M2的基极输入信号的相位相差180度，第一三极管M1的发射极通过第二电流源Ib2接地，第二三极管M2的发射极通过第四电流源Ib4接地，第一三极管M1的集电极分别连接第三三极管M3的基极、第五三极管M5的发射极和第七三极管M7的基极，第二三极管M2的集电极分别连接第六三极管M6的发射极、第八三极管M8的基极和第四三极管M4的基极，第五三极管M5的基极分别连接第三三极管M3的集电极和第一电阻R1的一端，第六三极管M6的基极分别连接第四三极管M4的集电极和第二电阻R2的一端，第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端、第五三极管M5的集电极、第六三极管M6的集电极、第七三极管M7的集电极和第八三极管M8的集电极均输入第一供电电压VCC1，第三三极管M3的发射极连接第四三极管M4的发射极，第三三极管M3的发射极通过第三电流源Ib3接地，第七三极管M7的发射极通过第一电流源Ib1接地，第八三极管M8的发射极通过第五电流源Ib5接地，第七三极管M7的发射极和第八三极管M8的发射极均作为限幅放大器的输出端。图5是个对称电路，可以从左半边分析，第一三极管M1、第三三极管M3、第五三极管M5和第一电阻R1构成了一个限幅放大单元，利用第五三极管M5的反馈达到限幅放大的功能。第七三极管M7是射极跟随器，可以降低输出电阻，提高电路带负载的能力。
实施例2：
实施例2中，N为3的倍数，第3j+1级限幅放大器和第3j+3级限幅放大器之间设有直流补偿电路，第3j+3级限幅放大器的直流电压作为直流补偿电路的输入信号，直流补偿电路将直流电压放大后输出至第3j+1级限幅放大器。这样能够使得限幅放大器在工作带宽内的直流电压波动减弱，从而提高整个检波器的频率平坦度。
第3j+1级限幅放大器和第3j+3级限幅放大器的电路结构相同。如图9所示，第3j+1级限幅放大器包括第二十五三极管M25和第二十六三极管M26，第二十五三极管M25的基极和第二十六三极管M26的基极均作为第3j+1级限幅放大器的输入端，第二十五三极管M25的基极输入信号的相位和第二十六三极管M26的基极输入信号的相位相差180度，第二十五三极管M25的发射极通过第十三电流源Ib13接地，第二十六三极管M26的发射极通过第十五电流源Ib15接地，第二十五三极管M25的集电极分别连接第二十七三极管M27的基极、第二十九三极管M29的发射极和第三十一三极管M31的基极，第二十六三极管M26的集电极分别连接第三十三极管M30的发射极、第三十二三极管M32的基极和第二十八三极管M28的基极，第二十九三极管M29的基极分别连接第二十七三极管M27的集电极和第十三电阻R13的一端，第三十三极管M30的基极分别连接第三十一三极管M31的集电极和第十四电阻R14的一端，第十三电阻R13的另一端、第十四电阻R14的另一端、第二十九三极管M29的集电极、第三十三极管M30的集电极、第三十一三极管M31的集电极和第三十二三极管M32的集电极均输入第五供电电压VCC5，第二十七三极管M27的发射极连接第二十八三极管M28的发射极，第二十七三极管M27的发射极通过第十四电流源Ib14接地，第三十一三极管M31的发射极通过第十二电流源Ib12接地，第三十二三极管M32的发射极通过第十六电流源Ib16接地，第三十一三极管M31的发射极和第三十二三极管M32的发射极均作为第3j+1级限幅放大器的输出端，第二十七三极管M27的集电极还连接第十五电阻R15的一端，第二十八三极管M28的集电极还连接第十六电阻R16的一端，第十五电阻R15的另一端和第十六电阻R16的另一端均连接直流补偿电路的输入端。第3j+2级限幅放大器采用图5的结构，包括第一三极管M1和第二三极管M2，第一三极管M1的基极和第二三极管M2的基极均作为第3j+2级限幅放大器的输入端，第一三极管M1的基极输入信号的相位和第二三极管M2的基极输入信号的相位相差180度，第一三极管M1的发射极通过第二电流源Ib2接地，第二三极管M2的发射极通过第四电流源Ib4接地，第一三极管M1的集电极分别连接第三三极管M3的基极、第五三极管M5的发射极和第七三极管M7的基极，第二三极管M2的集电极分别连接第六三极管M6的发射极、第八三极管M8的基极和第四三极管M4的基极，第五三极管M5的基极分别连接第三三极管M3的集电极和第一电阻R1的一端，第六三极管M6的基极分别连接第四三极管M4的集电极和第二电阻R2的一端，第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端、第五三极管M5的集电极、第六三极管M6的集电极、第七三极管M7的集电极和第八三极管M8的集电极均输入第一供电电压VCC1，第三三极管M3的发射极连接第四三极管M4的发射极，第三三极管M3的发射极通过第三电流源Ib3接地，第七三极管M7的发射极通过第一电流源Ib1接地，第八三极管M8的发射极通过第五电流源Ib5接地，第七三极管M7的发射极和第八三极管M8的发射极均作为第3j+2级限幅放大器的输出端。
可见，第3j+3级限幅放大器的电路结构和第3j+2级限幅放大器的电路结构只有第十五电阻R15和第十六电阻R16不同，其他都相同。第3j+3级限幅放大器中第十五电阻R15和第十六电阻R16用来提取直流电压Vdc，直流电压Vdc经过直流补偿电路放大后输入第3j+1级限幅放大器，补偿了直流电压。第3j+1级限幅放大器中第十五电阻R15和第十六电阻R16用来接收放大后的直流电压Vdc。如图10所示，三极管M33-M35、电流源I17-I19以及第十七电阻R17共同组成了一个直流电压放大电路。
实施例2中，直流补偿电路包括第三十三三极管M33，如图10所示，第三十三三极管M33的基极作为直流补偿电路的输入端，第三十三三极管M33的集电极连接第十七电阻R17的一端，第三十三三极管M33的集电极还输入第六供电电压VCC6，第十七电阻R17的另一端分别连接第三十四三极管M34的集电极和第三十五三极管M35的基极，第三十五三极管M35的集电极作为直流补偿电路的输出端，第三十四三极管M34的基极连接第三十三三极管M33的发射极，第三十三三极管M33的发射极通过第十七电流源Ib17接地，第三十四三极管M34的发射极通过第十八电流源Ib18接地，第三十五三极管M35的发射极通过第十九电流源Ib19接地。
电流求和及驱动单元包括第一场效应管F1和第三场效应管F3，如图7所示，第一场效应管F1的栅极分别连接第二场效应管F2的栅极、第一场效应管F1的漏极、第二十三三极管M23的集电极和第五场效应管F5的栅极，第三场效应管F3的栅极分别连接第四场效应管F4的栅极和第三场效应管F3的漏极，第三场效应管F3的漏极作为电流求和及驱动单元的输入端，第四场效应管F4的漏极分别连接运算放大器OP1的同相输入端、第九电阻R9的一端和第二场效应管F2的漏极，运算放大器OP1的反相输入端连接运算放大器OP1的输出端，运算放大器OP1的接地端接地，运算放大器OP1的偏置端连接第五场效应管F5的漏极，运算放大器OP1的输出端作为电流求和及驱动单元的输出端，第二十三三极管M23的发射极通过第八电阻R8接地，第二十三三极管M23的基极分别连接第二十二三极管M22的发射极和第二十一三极管M21的基极，第二十三三极管M23的基极还通过第七电阻R7接地，第二十一三极管M21的发射极通过第六电阻R6接地，第二十一三极管M21的集电极分别连接第二十二三极管M22的基极和第十一电流源Ib11的一端。没有温度补偿电路时，第十一电流源Ib11的另一端连接外置电流源；有温度补偿电路时，第十一电流源Ib11的另一端连接温度补偿电路的输出端。第二十二三极管M22的集电极、第一场效应管F1的源极、第二场效应管F2的源极、第三场效应管F3的源极、第四场效应管F4的源极和第五场效应管F5的源极均输入第三供电电压VCC3。图7中，第一场效应管F1、第二场效应管F2、第三场效应管F3、第四场效应管F4、第二十一三极管M21、第二十二三极管M22、第二十三三极管M23、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8和第九电阻R9构成一个电流镜，电流在第九电阻R9上形成电压，这个电压通过运算放大器OP1得到想要的输出电压。
此外，检波器还包括温度补偿电路，温度补偿电路的输出端连接电流求和及驱动单元中第十一电流源Ib11的另一端。如图11所示，温度补偿电路包括第六场效应管F6，第六场效应管F6的栅极分别连接第七场效应管F7的栅极、第八场效应管F8的栅极和第二运算放大器OP2的输出端，第六场效应管F6的源极、第七场效应管F7的源极和第八场效应管F8的源极均输入第七供电电压VCC7，第八场效应管F8的漏极作为温度补偿电路的输出端，第六场效应管F6的漏极分别连接第二运算放大器OP2的同相输入端、第三十六三极管M36的基极和第三十六三极管M36的集电极，第七场效应管F7的漏极分别连接第二运算放大器OP2的反相输入端和第十八电阻R18的一端，第十八电阻R18的另一端分别连接第三十七三极管M37的集电极和第三十七三极管M37的基极，第三十六三极管M36的发射极和第三十七三极管M37的发射极均接地。其中，第六场效应管F6、第七场效应管F7、第三十六三极管M36、第三十七三极管M37以及第十八电阻R18共同组成了一个和温度成正比的偏置电流源，即第六场效应管F6和第七场效应管F7的电流是和温度成正比的电流。第二运算放大器OP2的加入是为了将第六场效应管F6和第七场效应管F7的漏极电压钳制在同一电压下，这样偏置电流源的精度和稳定度就会更好。第七场效应管F7和第八场效应管F8组成镜像电流源结构，第七场效应管F7和第八场效应管F8的电流相当，从而使得温度补偿电路的输出电流就是一个和温度成正比的电流，接入电流求和及驱动单元之后就能补偿温度变化对于电流求和及驱动单元的影响，这样使得电流求和及驱动单元在-40℃～85℃的温度范围内的工作状态和工作性能一致，从而使得整个检波器的工作范围拓宽，适用于极端工作环境。
低噪声放大器工作频段为1-18GHz，在工作频段内，其增益特性曲线平坦，平坦度在±1.5dB以内，保证不影响整体检波器的工作带宽；噪声系数带内小于5dB，保证检波电路的灵敏度；线性度高，输出1dB压缩点OP1dB可以达到3dBm，在输入信号功率较高时，功率信号可以无压缩的进入后级。补偿检波单元在低噪声放大器的输出功率大于3dBm时起作用，其工作频段依然时1-18GHz，这样就可以在输入功率较大时补偿输出，其检波范围为(-20dBm，5dBm)。去掉低噪声放大器和补偿检波单元之后的检波输出曲线如图3所示，加了低噪声放大器和补偿检波单元之后的检波输出曲线如图4所示。可见，图3中的检波动态范围为-55dBm～3dBm，图4中的检波动态范围为-70dBm～3dBm，也即加了低噪声放大器和补偿检波单元之后的检波动态范围扩展了15dBm。以上检波动态范围都只考虑线性范围。此外，加了低噪声放大器和补偿检波单元之后的检波器的工作频段为1～18GHz，检波线性度≤±1.5dB，频率平坦度≤±1.5dB，检波输出上升时间为5ns，检波输出下降时间为15ns，功耗为190mA@3.3V，检波输出曲线斜率为15mV/dBm。
Claims (10)
1.一种高动态范围的宽频对数检波器，其特征在于：包括低噪声放大器、补偿检波单元、电流求和及驱动单元、N级限幅放大器和N级检波单元，N≥2；其中，第一级限幅放大器的输入端连接低噪声放大器的输出端，低噪声放大器的输入端作为整个检波器的输入端，低噪声放大器的输入端还连接补偿检波单元的输入端，补偿检波单元的输出端连接电流求和及驱动单元的输入端，第i级限幅放大器的输出端分别连接第i+1级限幅放大器的输入端和第i级检波单元的输入端，1≤i≤N-1，第i级检波单元的输出端连接电流求和及驱动单元的输入端，第N级限幅放大器的输出端连接第N级检波单元的输入端，第N级检波单元的输出端连接电流求和及驱动单元的输入端，电流求和及驱动单元的输出端作为整个检波器的输出端。
2.根据权利要求1所述的高动态范围的宽频对数检波器，其特征在于：所述低噪声放大器包括第二十四三极管M24，第二十四三极管M24的发射极通过第二电感L2接地，第二十四三极管M24的基极分别连接第十电阻R10的一端和第十一电阻R11的一端，第二十四三极管M24的基极还作为低噪声放大器的输入端，第十电阻R10的另一端通过电压源Vb1接地，第十一电阻R11的另一端连接第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端分别连接第二十四三极管M24的集电极和第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端通过第十二电阻R12连接第四供电电压VCC4。
3.根据权利要求1所述的高动态范围的宽频对数检波器，其特征在于：所述补偿检波单元和检波单元的电路结构相同。
4.根据权利要求3所述的高动态范围的宽频对数检波器，其特征在于：所述补偿检波单元的电路结构包括第十七三极管M17和第十八三极管M18，第十七三极管M17的基极和第十八三极管M18的基极均作为补偿检波单元的输入端，第十七三极管M17的基极输入信号的相位和第十八三极管M18的基极输入信号的相位相差180度，第十七三极管M17的发射极通过第六电流源Ib6接地，第十八三极管M18的发射极通过第八电流源Ib8接地，第十七三极管M17的集电极分别连接第十一三极管M11的发射极、第十一三极管M11的基极、第十二三极管M12的集电极和第十八三极管M18的集电极，第十一三极管M11的集电极、第十二三极管M12的发射极、第十三三极管M13的发射极、第十四三极管M14的发射极、第九三极管M9的集电极和第十三极管M10的集电极均输入第二供电电压VCC2，第十一三极管M11的基极还连接第九三极管M9的基极，第十二三极管M12的基极分别连接第十三三极管M13的基极、第十三三极管M13的集电极、第十四三极管M14的基极、第十四三极管M14的集电极、第十五三极管M15的集电极和第十六三极管M16的集电极，第十五三极管M15的基极连接第十六三极管M16的基极，第十五三极管M15的发射极连接第十六三极管M16的发射极，第十五三极管M15的发射极还通过第七电流源Ib7接地，第九三极管M9的发射极连接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端分别连接第十九三极管M19的集电极和第十三极管M10的基极，第十九三极管M19的发射极通过第四电阻R4接地，第十九三极管M19的基极分别连接第十三极管M10的发射极和第二十三极管M20的基极，第十九三极管M19的基极还通过第九电流源Ib9接地，第二十三极管M20的发射极通过第五电阻R5接地，第二十三极管M20的集电极连接第十电流源Ib10的一端，第十电流源Ib10的另一端作为补偿检波单元的输出端。
5.根据权利要求1所述的高动态范围的宽频对数检波器，其特征在于：所述N级限幅放大器的电路结构相同，限幅放大器的电路结构包括第一三极管M1和第二三极管M2，第一三极管M1的基极和第二三极管M2的基极均作为限幅放大器的输入端，第一三极管M1的基极输入信号的相位和第二三极管M2的基极输入信号的相位相差180度，第一三极管M1的发射极通过第二电流源Ib2接地，第二三极管M2的发射极通过第四电流源Ib4接地，第一三极管M1的集电极分别连接第三三极管M3的基极、第五三极管M5的发射极和第七三极管M7的基极，第二三极管M2的集电极分别连接第六三极管M6的发射极、第八三极管M8的基极和第四三极管M4的基极，第五三极管M5的基极分别连接第三三极管M3的集电极和第一电阻R1的一端，第六三极管M6的基极分别连接第四三极管M4的集电极和第二电阻R2的一端，第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端、第五三极管M5的集电极、第六三极管M6的集电极、第七三极管M7的集电极和第八三极管M8的集电极均输入第一供电电压VCC1，第三三极管M3的发射极连接第四三极管M4的发射极，第三三极管M3的发射极通过第三电流源Ib3接地，第七三极管M7的发射极通过第一电流源Ib1接地，第八三极管M8的发射极通过第五电流源Ib5接地，第七三极管M7的发射极和第八三极管M8的发射极均作为限幅放大器的输出端。
6.根据权利要求1所述的高动态范围的宽频对数检波器，其特征在于：所述电流求和及驱动单元包括第一场效应管F1和第三场效应管F3，第一场效应管F1的栅极分别连接第二场效应管F2的栅极、第一场效应管F1的漏极、第二十三三极管M23的集电极和第五场效应管F5的栅极，第三场效应管F3的栅极分别连接第四场效应管F4的栅极和第三场效应管F3的漏极，第三场效应管F3的漏极作为电流求和及驱动单元的输入端，第四场效应管F4的漏极分别连接运算放大器OP1的同相输入端、第九电阻R9的一端和第二场效应管F2的漏极，运算放大器OP1的反相输入端连接运算放大器OP1的输出端，运算放大器OP1的接地端接地，运算放大器OP1的偏置端连接第五场效应管F5的漏极，运算放大器OP1的输出端作为电流求和及驱动单元的输出端，第二十三三极管M23的发射极通过第八电阻R8接地，第二十三三极管M23的基极分别连接第二十二三极管M22的发射极和第二十一三极管M21的基极，第二十三三极管M23的基极还通过第七电阻R7接地，第二十一三极管M21的发射极通过第六电阻R6接地，第二十一三极管M21的集电极分别连接第二十二三极管M22的基极和第十一电流源Ib11的一端，第十一电流源Ib11的另一端连接外置电流源，第二十二三极管M22的集电极、第一场效应管F1的源极、第二场效应管F2的源极、第三场效应管F3的源极、第四场效应管F4的源极和第五场效应管F5的源极均输入第三供电电压VCC3。
7.根据权利要求1所述的高动态范围的宽频对数检波器，其特征在于：所述N为3的倍数，第3j+1级限幅放大器和第3j+3级限幅放大器之间设有直流补偿电路，第3j+3级限幅放大器的直流电压作为直流补偿电路的输入信号，直流补偿电路将直流电压放大后输出至第3j+1级限幅放大器。
8.根据权利要求7所述的高动态范围的宽频对数检波器，其特征在于：所述第3j+1级限幅放大器和第3j+3级限幅放大器的电路结构相同；第3j+1级限幅放大器包括第二十五三极管M25和第二十六三极管M26，第二十五三极管M25的基极和第二十六三极管M26的基极均作为第3j+1级限幅放大器的输入端，第二十五三极管M25的基极输入信号的相位和第二十六三极管M26的基极输入信号的相位相差180度，第二十五三极管M25的发射极通过第十三电流源Ib13接地，第二十六三极管M26的发射极通过第十五电流源Ib15接地，第二十五三极管M25的集电极分别连接第二十七三极管M27的基极、第二十九三极管M29的发射极和第三十一三极管M31的基极，第二十六三极管M26的集电极分别连接第三十三极管M30的发射极、第三十二三极管M32的基极和第二十八三极管M28的基极，第二十九三极管M29的基极分别连接第二十七三极管M27的集电极和第十三电阻R13的一端，第三十三极管M30的基极分别连接第三十一三极管M31的集电极和第十四电阻R14的一端，第十三电阻R13的另一端、第十四电阻R14的另一端、第二十九三极管M29的集电极、第三十三极管M30的集电极、第三十一三极管M31的集电极和第三十二三极管M32的集电极均输入第五供电电压VCC5，第二十七三极管M27的发射极连接第二十八三极管M28的发射极，第二十七三极管M27的发射极通过第十四电流源Ib14接地，第三十一三极管M31的发射极通过第十二电流源Ib12接地，第三十二三极管M32的发射极通过第十六电流源Ib16接地，第三十一三极管M31的发射极和第三十二三极管M32的发射极均作为第3j+1级限幅放大器的输出端，第二十七三极管M27的集电极还连接第十五电阻R15的一端，第二十八三极管M28的集电极还连接第十六电阻R16的一端，第十五电阻R15的另一端和第十六电阻R16的另一端均连接直流补偿电路的输入端；第3j+2级限幅放大器包括第一三极管M1和第二三极管M2，第一三极管M1的基极和第二三极管M2的基极均作为第3j+2级限幅放大器的输入端，第一三极管M1的基极输入信号的相位和第二三极管M2的基极输入信号的相位相差180度，第一三极管M1的发射极通过第二电流源Ib2接地，第二三极管M2的发射极通过第四电流源Ib4接地，第一三极管M1的集电极分别连接第三三极管M3的基极、第五三极管M5的发射极和第七三极管M7的基极，第二三极管M2的集电极分别连接第六三极管M6的发射极、第八三极管M8的基极和第四三极管M4的基极，第五三极管M5的基极分别连接第三三极管M3的集电极和第一电阻R1的一端，第六三极管M6的基极分别连接第四三极管M4的集电极和第二电阻R2的一端，第一电阻R1的另一端、第二电阻R2的另一端、第五三极管M5的集电极、第六三极管M6的集电极、第七三极管M7的集电极和第八三极管M8的集电极均输入第一供电电压VCC1，第三三极管M3的发射极连接第四三极管M4的发射极，第三三极管M3的发射极通过第三电流源Ib3接地，第七三极管M7的发射极通过第一电流源Ib1接地，第八三极管M8的发射极通过第五电流源Ib5接地，第七三极管M7的发射极和第八三极管M8的发射极均作为第3j+2级限幅放大器的输出端。
9.根据权利要求7所述的高动态范围的宽频对数检波器，其特征在于：所述直流补偿电路包括第三十三三极管M33，第三十三三极管M33的基极作为直流补偿电路的输入端，第三十三三极管M33的集电极连接第十七电阻R17的一端，第三十三三极管M33的集电极还输入第六供电电压VCC6，第十七电阻R17的另一端分别连接第三十四三极管M34的集电极和第三十五三极管M35的基极，第三十五三极管M35的集电极作为直流补偿电路的输出端，第三十四三极管M34的基极连接第三十三三极管M33的发射极，第三十三三极管M33的发射极通过第十七电流源Ib17接地，第三十四三极管M34的发射极通过第十八电流源Ib18接地，第三十五三极管M35的发射极通过第十九电流源Ib19接地。
10.根据权利要求1所述的高动态范围的宽频对数检波器，其特征在于：还包括温度补偿电路，温度补偿电路的输出端连接电流求和及驱动单元；温度补偿电路包括第六场效应管F6，第六场效应管F6的栅极分别连接第七场效应管F7的栅极、第八场效应管F8的栅极和第二运算放大器OP2的输出端，第六场效应管F6的源极、第七场效应管F7的源极和第八场效应管F8的源极均输入第七供电电压VCC7，第八场效应管F8的漏极作为温度补偿电路的输出端，第六场效应管F6的漏极分别连接第二运算放大器OP2的同相输入端、第三十六三极管M36的基极和第三十六三极管M36的集电极，第七场效应管F7的漏极分别连接第二运算放大器OP2的反相输入端和第十八电阻R18的一端，第十八电阻R18的另一端分别连接第三十七三极管M37的集电极和第三十七三极管M37的基极，第三十六三极管M36的发射极和第三十七三极管M37的发射极均接地。
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