CN110736872A - 一种功率检测电路及功率检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种功率检测电路及功率检测器,在传统的功率检测电路的基础上增加了非匹配BJT管Q4,BJT管Q4的基极通过两个电阻R1与R2连接至BJT管Q1与Q2的基极,同时增加了BJT管Q5作为电流源为BJT管Q1、BJT管Q2、BJT管Q4提供电流,使得差分输入BJT管Q1与Q2均工作在A类放大区。本发明的功率检测电路的电路结构简单、面积小、成本低、性能优良,能够实现宽动态范围、低温度敏感度以及低频率敏感度的功率检测。本发明还公开了一种包括上述功率检测电路的功率检测器。
Description
技术领域
本发明涉及功率检测技术领域。更具体地,涉及一种硅基工艺的宽动态范围的功率检测电路及功率检测器。
背景技术
在射频系统中,功率检测器用于检测部同节点的功率的大小,从而对增益或者输出功率等进行调节。因此,功率检测器已被广泛应用于射频系统中。
传统的功率检测器,由于输入没有经过衰减,因此双极结型晶体管(BJT)Q1和BJT管Q2输出信号的大小与输入信号功率相关性很大,且BJT管Q1和BJT管Q2均工作在B区。这样,当输入信号稍大时,BJT管Q1和BJT管Q2很容易达到饱和,导致功率检测电路的动态范围偏小。
因此,需要提供一种宽动态范围的功率检测电路及功率检测器。
发明内容
为解决上述问题至少之一,本发明的一个目的在于提供一种宽动态范围的功率检测电路。
为达到上述目的,本发明采用下述技术方案:
一种功率检测电路,包括第一BJT管Q1、第二BJT管Q2、第三BJT管Q3、第四BJT管Q4、第五BJT管Q2、第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、低压电容Clow、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、低压电阻Rlow、负载电阻Rload、第一电感TL1和第二电感TL2,其中
功率检测电路的第一输入端Vin+通过第一电容C1连接至第一电感TL1的第一端及第二电容C2的第一端,第一电感TL1的第二端接地,第二电容的第二端连接至第一BJT管Q1的基极,第一BJT管Q1的集电极连接至第一PMOS管M1的漏极,第一BJT管Q1的发射极连接至第五BJT管Q5的集电极;
功率检测电路的第二输入端Vin-通过第三电容C3连接至第二电感TL2的第一端及第四电容C4的第一端,第二电感TL2的第二端接地,第四电容的第二端连接至第二BJT管Q2的基极,第二BJT管Q2的集电极连接至第一PMOS管M1的漏极,第二BJT管Q2的发射极连接至第五BJT管Q5的集电极;
第四BJT管Q4的基极通过第一电阻R1连接至第一BJT管Q1的基极并通过第二电阻R2连接至第二BJT管Q2的基极,第四BJT管Q4的集电极连接至电源VDD,第四BJT管Q4的发射极连接至第五BJT管Q5的集电极;
第一PMOS管M1的栅极与漏极连接并通过低压电阻Rlow连接至第二PMOS管M2的栅极,第一PMOS管M1的源极连接至电源VDD,第二PMOS管M2的源极连接至电源VDD,第二PMOS管M2的漏极连接至功率检测电路的输出端Vout,低压电容Clow的两端分别连接至第二PMOS管M2的栅极和源极;
第五BJT管Q5的基极通过第三电阻R3连接至偏置电压Vbias并通过第四电阻R4连接至第三BJT管Q3的基极,第五BJT管Q5的发射极接地;
第三BJT管Q3的集电极连接至功率检测电路的输出端Vout,第三BJT管Q3的发射极接地;及
负载电阻Rload的第一端接地,第二端连接至输出端Vout。
优选地,第一BJT管Q1和第二BJT管Q2为差分输入晶体管。
优选地,第一BJT管Q1和第二BJT管Q2均工作在A类放大区。
优选地,第一BJT管Q1和第二BJT管Q2的发射极宽度相同。
优选地,第四BJT管Q4的发射极宽度为第一BJT管Q1的A倍。
优选地,第一电阻R1和第二电阻R2的阻值大于第一阈值,使得流经第四BJT管Q4的电流小于第二阈值。
优选地,根据下式计算电流的差值:
其中,IM1为有射频信号输入时第一PMOS管M1的电流,IM1(Vin=0)为无射频信号输入时第一PMOS管M1的电流,I0为第一PMOS管M1的静态电流,Vt为温度电压当量,Vin为输入射频信号,A为输入信号幅度。
优选地,根据下式计算功率检测电路的输出电压Vout:
其中,Vout为功率检测电路的输出电压,WM1为第一PMOS管M1的宽度,WM2为第二PMOS管M2的宽度,Rload为负载电阻Rload的阻值,An为输入信号各个谐波的幅度。
优选地,功率检测电路基于硅基工艺。
本发明的另一个目的在于提供一种包括上述功率检测电路的功率检测器。
本发明的有益效果如下:
本发明中的功率检测电路和功率检测器,差分输入晶体管Q1和Q3的工作区在A类放大区,能够增大晶体管Q5的过驱电压;非匹配晶体管Q4抽取电流,能够降低差分输入管的功率转换增益;偏执电压Vbias为PTAT电压,能够降低电路的温度敏感度。本发明中的功率检测电路和功率检测器电路结构简单、面积小、成本低、性能优良,能够实现宽动态范围、低温度敏感度以及低频率敏感度的功率检测。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出传统的功率检测电路的电路结构图。
图2示出本发明实施例中的功率检测电路的电路结构图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的属于“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象,而不是用于描述特定顺序。此外,术语“包括”和“具有”以及它们任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元,而是可选地还包括没有列出的步骤或单元,或可选地还包括对于这些过程、方法或设备固有的气体步骤或单元。
传统的功率检测电路如图1所示,包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、低压电容Clow、第一电感TL1、第二电感TL2、第一BJT管Q1、第二BJT管Q2、第三BJT管Q3、第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、低压电阻Rlow和可调负载电阻Rload。
其中,差分信号的第一输入端Vin+通过第一电容C1连接至第一电感TL1的第一端及第二电容C2的第一端,第一电感TL1的第二端接地,第二电容的第二端连接至第一BJT管Q1的基极,第一BJT管Q1的集电极连接至第一PMOS管M1的漏极,第一BJT管Q1的发射极接地。
差分信号的第二输入端Vin-通过第三电容C3连接至第二电感TL2的第一端及第四电容C4的第一端,第二电感TL2的第二端接地,第四电容的第二端连接至第二BJT管Q2的基极,第二BJT管Q2的集电极连接至第一PMOS管M1的漏极,第二BJT管Q2的发射极接地。
第一PMOS管M1的栅极与漏极连接并通过低压电阻Rlow连接至第二PMOS管M2的栅极,第一PMOS管M1的源极连接至电源VDD,第二PMOS管M2的源极连接至电源VDD,第二PMOS管M2的漏极连接至功率检测电路的输出端Vout,低压电容Clow的两端分别连接至第二PMOS管M2的栅极和源极。
偏执电压Vbias分别通过第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3连接至第一BJT管Q1的基极、第二BJT管Q2的基极和第三BJT管Q3的基极,第三BJT管Q3的集电极连接至功率检测电路的输出端Vout,第三BJT管Q3的发射极接地。
可调负载电阻Rload的第一端接地,第二端连接至输出端Vout。
这样,差分信号经过匹配网络第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电感TL1、第二电感TL2输入到第一BJT管Q1和第二BJT管Q2中,第一BJT管Q1和第二BJT管Q2工作在B类放大区,第一BJT管Q1和第二BJT管Q2的输出经过第一PMOS管M1镜像到第二PMOS管M2中。第一PMOS管M1和第二PMOS管M2的宽度分别为WM1、WM2。低压电阻Rlow和低压电容Clow对信号进行滤波。第三BJT管Q3与第一BJT管Q1及第二BJT管Q2采用同样的偏置电压,根据基尔霍夫定律,第一BJT管Q1、第二BJT管Q2和第三BJT管Q3的静态直流电流相同,这样射频输入信号造成的第一BJT管Q1与第二BJT管Q2的直流偏差乘以WM2/WM1将流经可调的负载电阻Rload,该电压由下列公式可推算出:
其中,I0是M1的静态电流,Vt是温度电压当量,Vin是输入射频信号,An是输入信号各个谐波的幅度,Vout是输出电压。
由于输入没有经过衰减,Q1、Q2输出信号大小与输入信号功率相关性很大,Q1、Q2均工作在B区,输入信号稍大则该两个管子很容易饱和,导致该电路的动态范围偏小。
如图2所示,本发明实施例中,公开一种功率检测电路,包括第一BJT管Q1、第二BJT管Q2、第三BJT管Q3、第四BJT管Q4、第五BJT管Q2、第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、低压电容Clow、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、低压电阻Rlow、负载电阻Rload、第一电感TL1和第二电感TL2。
其中,功率检测电路的第一输入端Vin+通过第一电容C1连接至第一电感TL1的第一端及第二电容C2的第一端,第一电感TL1的第二端接地,第二电容的第二端连接至第一BJT管Q1的基极,第一BJT管Q1的集电极连接至第一PMOS管M1的漏极,第一BJT管Q1的发射极连接至第五BJT管Q5的集电极。
功率检测电路的第二输入端Vin-通过第三电容C3连接至第二电感TL2的第一端及第四电容C4的第一端,第二电感TL2的第二端接地,第四电容的第二端连接至第二BJT管Q2的基极,第二BJT管Q2的集电极连接至第一PMOS管M1的漏极,第二BJT管Q2的发射极连接至第五BJT管Q5的集电极。
第四BJT管Q4的基极通过第一电阻R1连接至第一BJT管Q1的基极并通过第二电阻R2连接至第二BJT管Q2的基极,第四BJT管Q4的集电极连接至电源VDD,第四BJT管Q4的发射极连接至第五BJT管Q5的集电极。
第一PMOS管M1的栅极与漏极连接并通过低压电阻Rlow连接至第二PMOS管M2的栅极,第一PMOS管M1的源极连接至电源VDD,第二PMOS管M2的源极连接至电源VDD,第二PMOS管M2的漏极连接至功率检测电路的输出端Vout,低压电容Clow的两端分别连接至第二PMOS管M2的栅极和源极。
第五BJT管Q5的基极通过第三电阻R3连接至偏置电压Vbias并通过第四电阻R4连接至第三BJT管Q3的基极,第五BJT管Q5的发射极接地。
第三BJT管Q3的集电极连接至功率检测电路的输出端Vout,第三BJT管Q3的发射极接地。
负载电阻Rload的第一端接地,第二端连接至输出端Vout。
本发明是实施例中,第一BJT管Q1和第二BJT管Q2为差分输入晶体管。第一BJT管Q1和第二BJT管Q2均工作在A类放大区。第一BJT管Q1和第二BJT管Q2的发射极宽度相同。第四BJT管Q4的发射极宽度为第一BJT管Q1的A倍。第一电阻R1和第二电阻R2的阻值大于第一阈值,使得流经第四BJT管Q4的电流小于第二阈值。
工作时,根据下式计算电流的差值:
其中,IM1为有射频信号输入时第一PMOS管M1的电流,IM1(Vin=0)为无射频信号输入时第一PMOS管M1的电流,I0为第一PMOS管M1的静态电流,Vt为温度电压当量,Vin为输入射频信号,A为输入信号幅度。
进一步地,根据下式计算功率检测电路的输出电压Vout:
其中,Vout为功率检测电路的输出电压,WM1为第一PMOS管M1的宽度,WM2为第二PMOS管M2的宽度,Rload为负载电阻Rload的阻值,An为输入信号各个谐波的幅度。
应说明的是,本发明实施例中功率检测电路基于硅基工艺。
与传统的硅基功率检测电路相比,本发明增加了非匹配BJT管Q4。BJT管Q4的基极通过两个电阻R1与R2连接至BJT管Q1与Q2的基极。同时增加BJT管Q5作为电流源为BJT管Q1、BJT管Q2、BJT管Q4提供电流。差分输入BJT管Q1与Q2均工作在A类放大区。BJT管Q1与BJT管Q2的发射极宽度相同,BJT管Q4的发射极宽度为BJT管Q1的A倍。电阻R1与R2的阻值很大,使得流过BJT管Q4的射频信号可以忽略不计。
可以看出,本发明的功率检测器的输出电压与频率无关,即该电路对频率的限制仅仅为匹配网络的限制。可方便应用于各种频率下。同时电路的放大管Q1与Q2工作在A类放大区,与传统的B类放大区相比,受工艺影响更小。本发明功率检测器的输出电压与传统的相比,增益更小,从而不容易饱和,可实现更大的功率检测范围。BJT管Q5与BJT管Q3的偏置电压Vbias为PTAT电压,即随着温度增加,Vbias增加,使得静态电流增加,从而Q1与Q2的增益增加,从而补偿了温度增加时Q1、Q2增益的衰减。该设计使得电路的温度稳定度大大增加。
本发明所述的硅基功率检测电路的有益效果是:电路结构简单、面积小、成本低、性能优良,能够实现宽动态范围、低温度敏感度以及低频率敏感度,为硅基宽动态范围的功率检测提供了一个解决方案。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种功率检测电路,其特征在于,包括第一双极结型晶体管(BJT)Q1、第二BJT管Q2、第三BJT管Q3、第四BJT管Q4、第五BJT管Q2、第一P沟道金属氧化物半导体场效应管(PMOS)M1、第二PMOS管M2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、低压电容Clow、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、低压电阻Rlow、负载电阻Rload、第一电感TL1和第二电感TL2,其中
所述功率检测电路的第一输入端Vin+通过所述第一电容C1连接至所述第一电感TL1的第一端及所述第二电容C2的第一端,所述第一电感TL1的第二端接地,所述第二电容的第二端连接至所述第一BJT管Q1的基极,所述第一BJT管Q1的集电极连接至所述第一PMOS管M1的漏极,所述第一BJT管Q1的发射极连接至所述第五BJT管Q5的集电极;
所述功率检测电路的第二输入端Vin-通过所述第三电容C3连接至所述第二电感TL2的第一端及所述第四电容C4的第一端,所述第二电感TL2的第二端接地,所述第四电容的第二端连接至所述第二BJT管Q2的基极,所述第二BJT管Q2的集电极连接至所述第一PMOS管M1的漏极,所述第二BJT管Q2的发射极连接至所述第五BJT管Q5的集电极;
所述第四BJT管Q4的基极通过所述第一电阻R1连接至所述第一BJT管Q1的基极并通过所述第二电阻R2连接至所述第二BJT管Q2的基极,所述第四BJT管Q4的集电极连接至电源VDD,所述第四BJT管Q4的发射极连接至所述第五BJT管Q5的集电极;
所述第一PMOS管M1的栅极与漏极连接并通过低压电阻Rlow连接至所述第二PMOS管M2的栅极,所述第一PMOS管M1的源极连接至所述电源VDD,所述第二PMOS管M2的源极连接至所述电源VDD,所述第二PMOS管M2的漏极连接至所述功率检测电路的输出端Vout,所述低压电容Clow的两端分别连接至所述第二PMOS管M2的栅极和源极;
所述第五BJT管Q5的基极通过所述第三电阻R3连接至偏置电压Vbias并通过所述第四电阻R4连接至所述第三BJT管Q3的基极,所述第五BJT管Q5的发射极接地;
所述第三BJT管Q3的集电极连接至所述功率检测电路的输出端Vout,所述第三BJT管Q3的发射极接地;及
所述负载电阻Rload的第一端接地,第二端连接至所述输出端Vout。
2.根据权利要求1所述的功率检测电路,其特征在于,所述第一BJT管Q1和所述第二BJT管Q2为差分输入晶体管。
3.根据权利要求2所述的功率检测电路,其特征在于,所述第一BJT管Q1和所述第二BJT管Q2均工作在A类放大区。
4.根据权利要求3所述的功率检测电路,其特征在于,所述第一BJT管Q1和所述第二BJT管Q2的发射极宽度相同。
5.根据权利要求4所述的功率检测电路,其特征在于,所述第四BJT管Q4的发射极宽度为所述第一BJT管Q1的A倍。
6.根据权利要求5所述的功率检测电路,其特征在于,所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的阻值大于第一阈值,使得流经所述第四BJT管Q4的电流小于第二阈值。
9.根据权利要求1所述的功率检测电路,其特征在于,所述功率检测电路基于硅基工艺。
10.一种功率检测器,包括权利要求1-9中任一所述的功率检测电路。
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