CN1104006A - 温度系数控制型射频信号检测电路 - Google Patents

Abstract

用于TDMA射频输出功率控制电路的温度系 数控制型射频信号检测电路(211)的正、负系数电流源(303、305)产生电流I₊和I_-，通过电流镜象产生器(301)的组合形成相同的经补偿的电流I_m1和I_m2。抗箝位电流镜象产生器(309)产生电流I_m2的镜象电流Ia1和Ia2分别对二极管检测器(311)的两个支路中的肖特基二极管置偏。射频反馈信号(212)由其中一个二极管(431)半波整流，从而形成一个经温度和电压补偿的功率电平信号(229)，其直流电平与射频输出信号(214)的输出功率成正比。

Description

本发明属射频（RF）信号功率放大器控制电路技术领域。具体地说，本发明推出一种经过改善的用于射频信号功率放大器输出功率控制电路的温度系数（TC）控制型射频信号检测电路。

在许多情况下，其中包括无线电电话通信系统，都使用功率放大器来发送射频信号。在一个蜂窝式无线电电话通信系统中，有许多固定站收发机遍布在一个地理区域内，分别为其所覆盖的周围区域（称为一个网格）提供无线电通信。每个固定站收发机都是一个在有线电话系统与位于其网格内的无线移动电话机之间的接口。固定站收发机和无线电电话机通过相互发送和接收射频信号进行通信。

在频分多址联接（FDMA）的无线电电话系统中，每个申请申请通话的无线电电话相分别都分配到一个无线电信道（一个射频发射频率和一个射频接收频率），与固定站收发机通信。在一次通话期间，无线电电话机的发射机在整个通话时间内一直接通，保持在这个射频发射频率上发射信号。因此，无线电电话机的发射机，当然包括其中的射频功率放大器，每次通话只需接通一次和断开一次。类似，固定站收发机的发射机在一次通信时间内也要保持接通。由于FDMA无线电电话系统中的发射机只要在通话开始时接通、在通话结束时断开，因此这种功率放大器的接通或断开的速度不要求很高。

在时分多址联接（TDMA）无线电电话系统中，诸如目前在欧洲使用的全球移动通信（GSM）无线电电话系统，8个无线电机共用一个单独的TDMA信道，因为在相继的各时帧内都有8个时隙可用。每个无线电电话机分配到一个TDMA信道的时隙。在所指定的时隙内，无线电电话机使其功率放大器的频率和输出功率电平上升到合适值，发送所要发送的信息，再使之下降，以免对共用之个同一TDMA信道的其它用户造成干扰。由于每个时隙都非常短（例如只有577微秒），这就要求在很广的温度范围内精确地控制功率放大器输出电平及其上升、下降波形。在GSM无线电电话系统中，对于功率放大器输出的上升、下降波形的时间掩蔽和频谱掩蔽由GSM维护规则05.05（子录目4.2.2及4.5.2，和附录2）作;严格规定。如果不严格遵守GSM维护规则，相邻TDMA信道上的通话就可能在时间和频率上受到干扰。

在美国专利No.5，150，075中揭示了一种符合GSM维护规则的功率放大系统。然而，这种功率放大系统主要依赖一个对温度和电源电压变化不敏感的稳定的射频信号检测电路。因此，就需要有一个在很宽的温度和电源电压变化范围内十分稳定的射频信号检测电路。

本发明可提供的检测电路上加有来自信号源的射频信号。这种检测电路包括：一个产生第一电流的第一电流源;一个根据第一电流产生第一镜象电流的第一电流镜象产生器，以及一个由第一镜象电流置偏并通过对射频信号整流而产生一个输出信号的整流电路。本发明的一个特点是：第一电流源可以产生一个具有正温度系统的第一电流，第二电流源可以产生一个具有负温度系数的第二电流，而第二电流镜象产生器可以将第一、第二电流组合起来产生一个第二镜象电流，加到第一电流镜象产生器上。

在附图中：

图1为一个无线电电话通信系统的方框图，这个系统包括可有效地采用本发明的温度系数控制型射频信号检测电路的一个或多个固定站收发机和一个或多个无线电电话机;

图2为一个可有效地采用本发明的温度系数控制型射频信号检测电路的功率放大器和功率放大器控制电路的方框图;

图3为一个本发明的温度系数控制型射频信号检测电路的实施例的方框图;以及

图4为图3所示温度系数控制型射频信号检测电路的电原理图。

图1示出了一个覆盖某一地理区域，例如一个城市的市区或整个图象的蜂窝式无线电电话系统的分框图，这个系统包括可有效地采用本发明的温度系数控制型射频信号检测电路的分别配置在各网格内的固定站收发机101和一些移动电话103。每个固定站收发机101用射频信号与位于其网格内的无线电电话机103通信。

在这个优选实施例中，图1所示的蜂窝式无线电电话系统是一个按照欧洲远距通信标准化协会（ETSI）颁布的，为许多欧洲国家所采用的GSM维护规则实施和运行的GSM    TDMA蜂窝式数字无线电电话系统。图1所示GSM无线电电话系统分配到两个射频信号频带，用来进行双向通信，一个频带为890至915兆赫，另一个频带为935至960兆赫。在每一个频带中，各射频信号频率相隔200千赫。每个射频信号是一个具有8个在相继各时帧中重复的时隙的TDMA射频信号，用来进行通信。一个频带内的每个射频信号频率与另一个频带内的相应的射频信号频率一起构成了一个TDMA信道。每个TDMA信道能够同时处理在每个收发机101与其网格内的8个不同的无线电电话103之间的8个双向通信。每个无线电电话机103部分配到一个发送时隙和一个接收时隙，向收发机101发送和从收发机101接收信息。每个时隙长约为577微秒。

无线电电话机103包括一个发射机107，一个接收机109和一个数字信号处理器（DSP）控制器111。一些信号通过多根信号线113在DSP111和发射机107之间传送。DSP控制器111可以用各种常用的DSP，例如莫托罗拉公司的DSP56000，来实现。无线电电话机103可以是具有一个发射机、接收机和DSP控制器的任何常用的GSM无线电电话机，例如莫托罗拉公司（Motorola，Inc.Cellnlar    Subscriber    Group，600    North    US    Higharay    45，Liber-tyville，Illinois    60048    USA）生产的F19UVD0960AA型GSM无线电电话机。

在一个GSM无线电电话系统中，发射机107和收发机101都具有遵守GSM维护规则05.05（子条款4.2.2和4.5.2，以及附录2）可规定的严格要求的功率放大器。这些规格要求各发射机都要满足如在美国专利5，150中所提出的具体的时间掩蔽和频率掩蔽要求。

天线105用来在无线电电话机103和收发机101之间进行射频信号通信。收到射频信号后，天线105将它变换成射频电信号，加到接收机109上。接收机109将所接收的信号进行解调，变换成含有语音和数据的信息信号，给无线电电机103的其它部分使用。

在无线电电话机103传送射频信号期间，DSP111通过信号线113将信息传给发射机107并对发射机107进行控制。发射机107将信息变换成射频电信号后放大到适当电平。经放大的射频电信号耦合到天线105上，变换成射频信号发给收发机101。

图2示出了发射机107中的功率放大器203及其有关控制器的方框图。射频输入信号209含有语音和数据信号的信息。激励放大器205是一个可调功率放大器，根据放大控制信号207对射频输入信号209进行放大，产生一个输出信号加到功率放大器203上。这个输出信号经过增益固定不变的功率放大器203的放大后成为具有所要求的输出功率电平的射频信号输出214。耦合器201是一个常用的电磁耦合器，用来将功率放大器203接到天线105上，而不致有太多的损耗。耦合器201还提供一个振幅与射频信号输出214的输出功率成正比的射频反馈信号212。

检测电路211与射频反馈信号212耦合，用来产生一个幅度与射频输出信号214的输出功率成正比的功充电平信号229。检测电路211还产生一个基准信号213，其幅度基本等于功率电平信号229在功率放大器203断开不工作时的直流偏移电压。

比较器215通过将功率电平信号229与基准信号213进行比较产生一个输出信号227，该信号在功率电平信号229的值超过基准信号213的值时是一个低电压。输出信号227由DSP111产生的输出信号225上拉。输出信号225在无线电电话机103或收发机101进行发送的有效时隙开始时为高电平，而在产生了所要求的射频输出信号214的输出波形后降为低电平。这使得输出信号227在有效时隙期间功率放大器203和激励放大器205还没有成为有效时为高电平。一旦功率放大器203和激励放大器205受到驱动，输出信号227就成为低电平。

从有效时隙开始后过了一定时间（在本优选实施例中为10微秒），DSP111产生一个所要求的波形加到数模变换器221上。数模变换器221将来自DSP111的数字输入变换成一个标为AOC信号的模拟输出信号231。AOC信号231和VGAIN信号235加到积分器219上，由积分器219进行比较和积分，产生一个增益控制信号207加到激励放大器205上，去改变它的增益。AOC信号231的值决定了功率放大器203的射频输出信号214的输出功率电平。在本优选实施例中，优选波形是一个使功率放大器203的射频输出信号214平稳地上升到要求的输出功率电平的上升余弦波形。AOC信号231以及射频输出信号的余弦上升响应在美国专利No.5，150，075中有更为详细的说明。

饱和控制四路由耦合器201、检测电路211、比较器217和DSP111组成，用来防止激励放大器205和功率放大器203超过它们的额定输出功率极限。比较器217是一个饱和检测器，它通过将功率电平信号229与AOC信号231进行比较来确定功率电平信号229是否随着AOC信号231的变化而变化。在达到饱和时，功率电平信号229的电压将不随AOC信号231的电压变化。因此，当功率电平信号229的电压比AOC信号231的电压小时，比较器217的输出信号233就变为低电平，指示激励放大器205和功率放大器203已经饱和。饱和比较器的输出信号233加到装有饱和检测算法的DSP111上。

根据饱和检测算法，DSO111逐步减小AOC信号231的电压，直至AOC信号231的电压降低到功率电平信号229的电压以下。饱和控制回路的工作情况在1994年1月11日颁发给莫托罗拉公司的美国专利5，278，944“功率放大器饱和的检测及校正方法和装置”中有更为详细的说明。

图3示出了本发明的温度系数控制型射频信号检测电路211实施例的方框图。检测电路211中的正系数电流源303、负系数电流源305和电流镜象产生器301主要用来产生相同的电流I_m1及其镜象I_m2。正系数电流源303产生具有正温度系数的电流I₊。在本优选实施例中，电流I₊的温度系数为+333ppm/℃。负系数电流源305产生具有负温度系数电流I-。在本优选实施例中，电流I-的温度系数为-6000ppm/℃。电流I₊和I_-在电流镜象产生器301内以一定比例进行换算和求和，形成补偿电流I_m1。在本优选实施例中，电流I_m1的温度系数为-3000ppm/℃。电流镜象产生器301产生出十分接近补偿电流I_m1的镜象的电流I_m2。

补偿电流I_m2加到抗箝位电流镜象产生器309上，它将电流I_m2的镜象电流I_a1和I_a2加到二极管检测器311上。二极管检测器311有二个支路，每个支路都有一个与接到信号地的相应电阻网络串联的肖特基二极管。补偿电流I_a1和I_a2分别输入二极管检测器311的两个支路的相应肖特基二极管内进行置偏。二极管检测器311的每个支路都具有与被偿电流I_a1和I_a2的负温度系数基本相抵的正温度系数。在本优选实施例中，二极管检测器311的每个支路的温度系数均为+3000ppm/℃，而补偿电流I_a1和I_a2的温度系数均为-3000ppm/℃。温度系数+3000ppm/℃是由于二极管检测器311的每个支路中的插入电阻（如电阻453。454、455和456）所引起的。

射频反馈信号212加到二极管检测器311的一个支路中的肖特基二极管上，经过这个二极管的半波整流形成经温度和电压补偿的功率电平信号229，这个信号的直流电平与射频输出信号214的输出功率成正比。采用了本发明，功率电平信号229的直流电平非常稳定在温度从-55℃至+125℃和电源电压从2.7伏至4.75伏的范围内变化不超过5毫伏。

图4示出了图3所示温度系数控制型射频信号检测电路的电原理图。电源电压Vcc可以在2.7伏至4.75伏之间。允许信号通过将一个高电压或低电压加到检测电路211来接通或断开检测电路211。正系数电流源303由NPN晶体管416、417、420和421构成。负系数电流源305由NPN晶体管418构成。电流镜象产生器301由PNP晶体管401和403构成。通过选择晶体管418和421的发射极电阻472和471可以将电流I₊和I_-以及它们的温度系数定成适当的比例。

抗箝位电流镜象产生器309由NPN晶体管411、413和肖特基二极管406、407构成。PNP晶体管404将电流I_m2输给晶体管411和413。NPN晶体管419为晶体客404提供基极电流。晶体管411将电流I_a1输给肖特二极管430，而晶体管413将电流I_a2输给肖特基二极管431。PNP晶体管402起着使电流镜象产生器301中的晶体管401和403的基极电流平衡的作用。NPN晶体管412起着使抗箝位电流镜象产生器309中的晶体管411和413的基极电流平衡的作用。肖特基二极管432用来保护晶体管413的基极一发射极结，使之免遭较大的射频反馈信号212的正半周的影响。在较大的射频反馈信号212的正半周期间，肖特基二极管407阻止肖特基二极管432通过晶体管413的基极-集电极结导通，而肖特基二极管406阻止肖特基二极管432通过晶体管411和412的基极-集电集结导通。

二极管检测器311在一个支路中包括一个电阻、一个肖特基二极管431、一个接信号地的电容以及三个串联接到信号地的电阻，而在另一个支路中包括一个电阻、一个肖特基二极管430以及三个串联接到信号地的电阻。在本优选实施例中，各支路中的肖特二极管431和430以及相应电阻由于都集成在同一块半导体基片上，因此，具有相同的电特性。每个支路中的各个电阻也具有相同的数值。射频反馈信号212通过电容451加到肖特基二极管431上，由肖特基二极管431进行半波整流，形成经温度和电压补偿的功度电平信号229。也就是说，在射频反馈信号212的正半周，肖特基二极管431导通，使电容452充电，从而形成功率电平信号229。在射频反馈信号212的负半周，肖特基二极管431截止，不导通。功率电平信号229在电阻454和455的连接点上取得，VGAIN信号235在电阻455和456的连接点上取得，而基准信号213在肖特基二极管430的负极取得。基准信号213为比较器215提供了一个经补偿的电压，其值相当于射频反馈信号212为零时的功率电平信号229的值。

本发明的一个特点是电流镜象产生器309的晶体管413可以防止肖特基二极管431对其负极与电容451和电阻453的连接点上的电压进行箝位。当射频反馈信号212很小或等于零时，晶体管413提供给肖特基二极管431的电流I_a2为50微安。然而，当射频反馈信号212较大时，晶体管413提供给肖特基二极管431的电流I_a2增大（例如为几毫安），因此电容451和电阻453的连接点上的电压随着射频反馈信号212增大，从而避免了肖特基二极管431的箝位作用。

在本优选实施例中，图4所示的温度系数控制型射频信号检测电路211用MOSAIC1.5工艺集成在一块半导体基片上。功率电平信号229、基准信号213和VGAIN信号235这些输出电压的温度系数由于温度系数与接到肖特基二极管431、430的电阻的温度系数相同但符号相反的置偏电流I_a1攻I_a2的作用，因而非常接近为零。由于这些电压的温度系数都接近为零，而肖特基二极管431和430的特性2是匹配的，因此功率电平信号229和基准信号213在很宽的温度和电压范围内都得到了温度的电压补偿。

对于MOSAIC1.5工艺来说，图4的温度系数控制型射频信号检测电路211中的插入电阻的温度系数接近+3000ppm/℃。因此将电流I_m2的温度系数设置成-3000ppm/℃，从而使得功率电平信号229、基准信号213以及VGAIN信号这些输出电压在很大的温度范围内保持恒定。电流I_m1和I_m2由晶体管416、417、418、420、421和电阻471、4472构成的电流产生器产生。电阻471两端的电压V₄₇₁为：

V₄₇₁＝V_t×ln〔（A421×A416）/（A420×A417）〕

其中A为晶体管发射极的面积。电压V₄₇₁是温度系数方程的“△Φ”部分;“△Φ”的温度系数为+3333ppm/℃（因为V_t＝kT/q）。电阻471两端的电压V₄₇₁决定了流过电阻471的电流，也决定了晶体管421、417中的电流。该电流的温度系数TC可以表示为：

TC（I_△Φ/R）＝TC_△Φ-TC_R

因此，△Φ/R的温度系数稍大于零，这是因为TC_R为-3000ppm/℃，而TC_△Φ为+3333ppm/℃。

Φ/R电流产生器由晶体管418和电阻472组成。晶体管418的基极电压为2V_be，因此电阻472两端的电压为1V_be。这样，通过晶体管418的电流的温度系数就是1V_be的温度系数和电阻472的温度系数的组合。此外，一个2K的插入电阻的温度系数为+3000ppm/℃。于是Φ/R电流源的温度系数为：

TC（I_Φ/R）＝TC（Φ）-TC（R）＝（E_go-V_be）/（T＊V_be）-3000＝-6000ppm

其中：

（E_go-V_be）/（T＊V_be）＝-3000ppm

流入基准晶体管401的电流的总温度系数因而也就是在电流源晶体管403中的电流的总温度系数为：

TC（I_Φ/R）＊I_Φ/R+TC（I_△Φ/R）＊I_△Φ/R＝I_TOTAL＊TC（I_TOTAL

其中I_TOTAL为两个电流产生器的电流和。如果流入基准二极管的总电流为50微安，而需要用一个等于-3000ppm/℃的温度系数来抵消二极管检测器311中插入电阻的+3000ppm/℃的温度系数的话，则：

（-6000ppm＊I_Φ/R）+（333ppm＊I_△Φ/R）＝50μA＊（-3000ppm）

近似可得：

I_Φ/R＝26微安

I_△Φ/R＝24微安

可以通过选择△Φ/R电流产生器中电阻471的值和Φ/R电流产生器中电阻472的值来得到以上求出的电流值。

本发明的这种经改善的温度系数控制型射频信号检测电路十分稳定，在温度从-55℃至+125℃、电压从2.7伏至4.75V的范围内变化不超过5毫伏。这种检测电路可有效地用于各种需要精确对射频信号幅度采样的无线电设备。

Claims (10)

1、一种馈有一个来自信号源的射频信号的检测电路；其特征是所述检测电路包括：

一个第一电流源，用来产生一个具有正温度系数的第一电流；

一个第二电流源，用来产生一个具有负温度系数的第二电流；

一个第一电流镜象产生器，用来组合第一和第二电流，产生一个第一镜象电流；

一个第二电流镜象产生器，用来根据输入的第一镜象电流产生一钢第二镜象电流；以及

一个整流电路，该整流电路由第二镜象电流置偏，用来对射频信号进行整流产生一个幅度与射频信号的幅度成正比的输出信号。

2、一种射频信号发射机，其特征是所述发射机包括：

一个天线，用来发射射频信号;

一个放大器，用来根据控制信号对来自信号源的射频信号进行放大，以产生一个经放大的射频信号;

一个耦合器，该耦合器与放大器连接，用来将经放大的射频信号耦合到天线上，和产生一个幅度与经放大的射频信号幅度成正比的反馈射频信号;

一个检测电路，该检测电路馈有反馈射频信号，它包括一个产生一个具有正温度系数的第一电流的第一电流源，一个产生一个具有负温度系数的第二电流的第二电流源，一个组合第一和第二电流、产生一个第一镜象电流的第一电流镜象产生器，一个输入第一镜象电流、产生一个第二镜象电流的第二电流镜象产生器;和一个由第二镜象电流置偏、通过对反馈射频信号的整流产生一个幅度与经放大的射频信号的幅度成正比的输出功率电平信号的整流电路;以及

一个处理电路，该处理电路与检测电路连接，用来根据输出功率电平信号的幅度调整控制信号的幅度。

3、一种与一个来自信号源的射频信号容性耦合的检测电路，其特征是所述检测电路包括：

一个电流源，用来产生一个第一电流;

一个电流镜象产生器，用来根据输入的第一电流产生一个第一镜象电流;以及

一个整流电路，该整流电路由第一镜象电流置偏，用来对射频信号进行整流，产生一个幅度与射频信号的幅度成正比的输出信号。

4、按权利要求3所提出的检测电路，其特征是：其中所述整流电路包括一个接到一个与至少一个电阻并联的电容上的肖特基二极管。

5、按权利要求3所提出的检测电路，其特片是：其中所述电流镜象产生器包括一个映照第一电流产生第一镜象电流的第一晶体管，和一个映照第一电流产生第二镜象电流的第二晶体管。

6、按权利要求5所提出的检测电路，其特征是：其中所述整流电路包括一个具有一个第一肖特基二极管的第一支路和一个具有一个第二肖特基二极管的第二支路;第一肖特基二极管接到一个与至少一个电阻并联的电容上，馈有射频信号和第一镜象电流，而第二肖特基二极管接到至少一个电阻上，馈有第二镜象电流。

7、按权利要求3所提出的检测电路，其特征是：所述检测电路集成在一块半导体基片上。

8、一种无线电收发机，其特征是在所述收发机包括：

一个天线，用来接收和发射射频信号

一个接收机，该接收机接到天线上，用来接收射频信号;

一个放大器，该放大器根据控制信号对一个来自信号源的射频信号进行放大，产生一个经放大的射频信号;

一个耦合器，该耦合器与放大器连接，用来将经放大的射频信号耦合到天线上，和产生一个幅度与经放大的射频信信号的幅度成正比的反馈射频信号;

一个检测电路，该检测电路与反馈射频信号容性耦合，它包括一个产生一个第一电流的电流源，一个输入第一电流、产生一个第一镜象电流的电流镜象产生器，和一个由第一镜象电流置偏、通过对反馈射频信号的整流产生一个幅度与经放大的射频信号的幅度成正比的输出功率电平信号的整流电路;以及

一个处理电路，该处理电路与检测电路连接，用来根据输出功率电平信号的幅度调整控制信号的幅度。

9、按权利要求8所提出的无线电收发机，其特征是：其中所述电流镜象产生器包括一个映照第一电流产生第一镜象电流的第一晶体管，和一个映照第一电流产生第二镜象电流的第二晶体管。

10、按权利要求9所提出的无线电收发机，其特征是：其中所述整流电路包括一个具有一个第一肖特基二极管的第一支路和一个具有一个第二肖特基二极管的第二支路;第一肖特基二极管接到一个与至少一个电阻并联的电容上，馈有反馈射频信号和第一镜象电流，而第二肖特基二极管接到至少一个电阻上，馈有第二镜象电流。

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