CN111884651A - 一种相位偏移侦测器及侦测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相位偏移侦测器及侦测方法，所述的相位偏移侦测器包括滤波器、比较器、偏差电压校正电路和控制电路；滤波器，用于接收外部的弦波信号经滤波后输入到比较器；比较器，用于将接收到的滤波后的信号转换成方波信号输出到控制电路，还用于接收偏差电压校正电路输出校正的基极电压并侦测输出相位偏移电压；控制电路，用于计算比较器输出的方波信号的相位差，并输出控制信号到偏差电压校正电路；偏差电压校正电路，用于接收到控制信号判断是否执行偏差电压校正，还用于接收比较器的输出信号并输出校正的基极电压到比较器中。通过设计偏差电压校正电路，来改善比较器中部分晶体管的基极电压值，以消除偏差电压的产生。

Description

一种相位偏移侦测器及侦测方法

技术领域

本发明涉及相位侦测架构设计技术领域，具体涉及一种相位偏移侦测器及侦测方法。

背景技术

随着科技的进步，生物以及医疗科技领域的快速发展，使得生物特性的量测越显重要，因此带动了生物传感器以及感测技术的发展。在生物医学领域中，信号的相位为一重要分析信息。具有偏差电压校准功能的相位偏移侦测器，为了消除在比较器输入级中因晶体管差动对不匹配所造成的偏差电压，进而影响整个比较器在转换信号上的误差。因此提出偏差电压校正电路，通过调整比较器中部份晶体管的电压来解决此问题。改善后的偏差电压值最高为5.35mV，此外相位侦测器的输出误差介于-0.68％至2.37％之间。因滤波器的输出端负载改变滤波器预期的电容值大小，使得信号进入滤波器后被抑制导致比较器侦测不到而无法正常工作。

相位偏移侦测器依据所使用的生物传感器而有许多种不同的架构。以运算放大器组成的相位偏移侦测器，主要有待测信号以及参考信号为主，两者信号输入至相位侦测器(Phase sensitive detector)中，再由输出反馈控制参考信号的频率，当最后输出趋于稳定时，则为两者相位为同相，其电路特点为高敏感性以及高分辨率、良好的抗噪声能力，而可侦测的相位偏移范围约±90°之间。但其缺点为电路主要以运算放大器和电阻电容组成的滤波器为主，因此在芯片面积使用上非常大。此外其相位偏移侦测器，当偏移角度每增加一度时，输出电压会增加约37mV，若要侦测±90°之间的相位偏移量，则其输出电压范围约为-3.61V至3.15V之间，而为确保电路正常工作，其所使用的工作电压需大于输出电压值的范围，于是可得知此电路在功率消耗上也较大。对于比较器的设计常在比较器的操作速度和消耗功率之间抉择。若要降低消耗功率的大小，则比较器的速度会变慢，于是在这几年中出现了动态比较器(Dynamic comparator)的设计，此电路的晶体管尺寸设计较小，如此便可以在不降低电路速度以及增益带宽的状态下，仍可以降低其功率消耗。然而使用较小晶体管尺寸会衍生出其他问题，例如晶体管不匹配的效应导致偏差电压增加。当锁相回路锁定时，若其内部的子电路相位频率侦测器未达到完全稳定状态，而电荷泵已经停止充放电的动作，会使得电荷泵的下一级压控振荡器没有运作，而导致有一段相位区间无法被侦测到，称为无效区(Dead zone)，因而提出全新的架构去改善锁相回路中会出现无效区的问题，使整体系统可以侦测到全部的相位，以提升相位偏移侦测器可侦测的相位范围。

发明内容

现有的相位偏移侦测器架构中锁相回路中出现无效区的问题，这样致使整体系统侦测不到全部的相位，本发明提供一种相位偏移侦测器及侦测方法。

本发明的技术方案是：

第一方面，本发明技术方案提供一种相位偏移侦测器，包括滤波器、比较器、偏差电压校正电路和控制电路；

滤波器和比较器连接；控制电路分别与比较器和偏差电压校正电路连接；偏差电压校正电路与比较器连接；

滤波器，用于接收外部的弦波信号经滤波后输入到比较器；

比较器，用于将接收到的滤波后的信号转换成方波信号输出到控制电路，还用于接收偏差电压校正电路输出校正的基极电压并侦测输出相位偏移电压；

控制电路，用于计算比较器输出的方波信号的相位差，并输出控制信号到偏差电压校正电路；

偏差电压校正电路，用于接收到控制信号判断是否执行偏差电压校正，还用于接收比较器的输出信号并输出校正的基极电压到比较器中。

优选地，该相位偏移侦测器还包括两组工作模式开关，每组工作模式开关包括两个开关；

滤波器的输出信号通过第一组工作模式开关的一个开关连接到比较器的正输入端，比较器的负输入端通过第一组工作模式开关的另一个开关接地；

比较器的正输入端和负输入端分别通过第二组工作模式开关接地；

第一组工作模式开关和第二组工作模式开关分别与控制电路连接，通过控制电路输出的控制信号控制工作模式开关的开合来选择不同的工作模式；其中，第一组工作模式开关的控制信号为第二组工作模式开关的控制信号的反信号。通过设置工作模式开关来控制相位偏移侦测器的工作模式。

优选地，比较器为三级比较器，第一级对输入信号进行放大，第二级将放大后的信号进行锁定，第三级将信号再次进行放大。

优选地，比较器还连接有基准电压、第一电源和第二电源；

比较器包括晶体管M201和晶体管M202，晶体管M201的源极连接到第一电源，晶体管M201的栅极与漏极连接；晶体管M201的漏极连接有晶体管M203的漏极，晶体管M203的栅极为比较器的正输入端，晶体管M203的源极连接有晶体管M204的源极，晶体管M203和晶体管M204的连接点连接有晶体管M205的漏极，晶体管M205的源极连接到第二电源，晶体管M205的栅极连接到基准电压；晶体管M202的源极连接到第一电源，晶体管M202的栅极与漏极连接，晶体管M202的漏极连接到晶体管M204的漏极，晶体管M204的栅极为比较器的负输入端；

晶体管M201的栅极连接有晶体管M206的栅极，晶体管M206的源极连接到第一电源，晶体管M206的基极连接到偏差电压校正电路，晶体管M206的漏极为比较器的Vpout输出端连接到偏差电压校正电路；晶体管M202的栅极连接有晶体管M207的栅极，晶体管M207的源极连接到第一电源，晶体管M207的基极连接到偏差电压校正电路；晶体管M207的漏极为比较器的Vnout输出端连接到偏差电压校正电路；

晶体管M206的漏极连接有晶体管M209的漏极，晶体管M209的漏极连接有晶体管M208的漏极，晶体管M208的栅极与漏极连接，晶体管M209的栅极连接有晶体管M210的漏极，晶体管M210的栅极连接到晶体管M209的漏极，晶体管M210的漏极连接有晶体管M211的漏极，晶体管M211的栅极与漏极连接，晶体管M208的源极、晶体管M209的源极、晶体管M210的源极和晶体管M211的源极连接，晶体管M209的源极连接有晶体管M212的漏极，晶体管M212的漏极与栅极连接，晶体管M212的源极连接到第二电源；晶体管M206的漏极连接有晶体管M216的栅极，晶体管M216的漏极连接有晶体管M214的漏极，晶体管M214的源极连接到第一电源，晶体管M214的栅极连接有晶体管M213的栅极，晶体管M213的源极连接到第一电源，晶体管M213的漏极与栅极连接，晶体管M213的漏极连接有晶体管M215的漏极,晶体管M215的栅极与晶体管M207的漏极连接，晶体管M215的源极与晶体管M216的源极连接，晶体管M216的源极连接有晶体管M217的漏极，晶体管M217的栅极与晶体管M213的栅极连接，晶体管M217的源极连接到第二电源，晶体管M214的漏极为比较器的输出端，比较器的输出端还连接到偏差电压校正电路。为了提高相位偏移侦测器精准度，设计比较器，当晶体管M203和晶体管M204产生比匹配的状况时产生偏差电压，从而造成比较器输出上的差异需要进行偏差校正。

优选地，偏差电压校正电路包括数字电路单元和基极电压产生电路单元，数字电路单元与基极电压产生电路单元连接；基极电压产生电路单元包括第一基极电压产生电路单元和第二基极电压产生电路单元；

数字电路单元包括栓锁器和数据选择器，比较器的Vnout输出端连接到栓锁器的第一输入端，栓锁器的第一输出端Out1连接到数据选择器的控制端，比较器的输出端通过第一开关连接到数据选择器的一输入端，比较器的输出端通过第二开关连接有反相器的输入端，反相器的输出端连接到数据选择器的另一输入端，栓锁器的第一输出端的输出信号为第二开关的控制信号，栓锁器的第一输出端的输出信号的反信号为第一开关的控制信号；

栓锁器的第一输出端还连接有第一与门的一输入端，数据选择器的输出端连接到第一与门的另一输入端，第一与门的输出端连接到第一基极电压产生电路单元；栓锁器的第一输出端还连接到第一基极电压产生电路单元；

比较器的Vpout输出端连接到栓锁器的第二输入端，栓锁器的第二输出端连接有第二与门的一输入端，数据选择器的输出端连接到第二与门的另一输入端，第二与门的输出端连接到第二基极电压产生电路单元；栓锁器的第二输出端还连接到第二基极电压产生电路单元；

控制电路分别连接到第一基极电压产生电路单元和第二基极电压产生电路单元，第一基极电压产生电路单元输出端连接到晶体管M207的基极，第二基极电压产生电路单元的输出端连接到晶体管M206的基极。考虑到晶体管的设计产生负电压较困难需要调整的晶体管数目较多，从而选择晶体管M206和晶体管M207的基极上加电压进行偏压校正。

优选地，基极电压产生电路单元包括计数器和数模转换器，控制电路与计数器的控制端连接数字电路单元的输出端输出触发信号连接到计数器，计数器和数模转换器连接，数模转换器的输出端连接到晶体管M206的基极或晶体管M207的基极；基极电压产生电路单元通过栓锁器的第一输出端输出的信号的高低进行控制选择。

优选地，控制电路包括异或门、计数器和算术逻辑单元；比较器的输出端输出侦测到的正负偏移电压分别连接到异或门的输入端，异或门的输出端通过计数器连接到算术逻辑单元；

算术逻辑单元，用于计算相位偏移的角度。

另一方面，本发明技术方案还提供一种相位偏移侦测方法，用于第一方面所述的相位偏移侦测器的侦测方法，该方法包括如下步骤：

将两弦波信号输入到滤波器中进行滤波输出信号到比较器；

比较器将接收滤波器输出的信号转换成方波信号输出到控制电路；

控制电路计算比较器输出的信号的相位差，根据计算的相位差输出控制信号控制是否执行偏差电压校正电路进行偏差电压校正，若是，启动偏差电压校正电路输出校正的基极电压到比较器；若否，不启动偏差电压校正电路，相位偏移侦测器进入工作模式；

比较器接收滤波器输出的信号与接收到的校正的基极电压进行处理放大后转换成防波信号输出到控制电路；执行步骤：控制电路计算比较器输出的信号的相位差，根据计算的相位差输出控制信号控制是否执行偏差电压校正电路进行偏差电压校正，若是，启动偏差电压校正电路输出校正的基极电压到比较器；若否，不启动偏差电压校正电路，相位偏移侦测器进入工作模式。

优选地，根据计算的相位差输出控制信号控制是否执行偏差电压校正电路进行偏差电压校正，若是，启动偏差电压校正电路输出校正的基极电压到比较器；若否，不启动偏差电压校正电路，相位偏移侦测器进入工作模式的步骤包括：

当控制电路输出控制信号为低电平到第一组工作模式开关，第一组工作模式开关闭合，相应的第二组工作模式开关断开，比较器的正输入端接滤波器的输出端，比较器的负输入端接地，此时，偏差电压校正电路停止工作，相位偏移侦测器进入工作模式；

当控制电路输出控制信号为高电平到第一组工作模式开关，第一组工作模式开关断开，相应的第二组工作模式开关闭合，比较器的正输入端和负输入端接地来侦测比较器的偏差电压的大小并输入到比较器中，比较器输出信号到偏差电压校正电路，偏差电压校正电路接收到信号经过内部侦测处理输出消除偏差电压所需的校正的基极电压到比较器。

优选地，启动偏差电压校正电路输出校正的基极电压到比较器的步骤包括：

校正开始时，侦测到比较器正偏差电压时，栓锁器的第一输入端输入为低电平，第二输入端输入为高电平，比较器的输出端输出高电平，对应的栓锁器的第一输出端输出低电平，第二输出端输出高电平，第一输出端输出信号为数据选择器的控制信号，此时，第一开关闭合，比较器的输出信号直接连接到数据选择器，数据选择器的输出信号与栓锁器的第二输出信号经过第二与门输出高电平到第二基极电压产生电路单元启动计数器开始计时，第二基极电压产生单元输出到比较器的晶体管M206的校正的基极电压值增加；

校正开始时，侦测到比较器负偏差电压时，栓锁器的第一输入端输入为高电平，第二输入端输入为低电平，比较器的输出端输出低电平，对应的栓锁器的第一输出端输出高电平，第二输出端输出低电平，第一输出端输出信号为数据选择器的控制信号，此时，第二开关闭合，比较器的输出信号经过反相器连接到数据选择器，数据选择器的输出信号与栓锁器的第一输出信号经过第一与门输出高电平到第一基极电压产生电路单元启动计数器开始计时，第一基极电压产生单元输出到比较器的晶体管M207的校正的基极电压值增加。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：为了提高相位偏移侦测器精准度，设计比较器，当晶体管M203和晶体管M204产生比匹配的状况时产生偏差电压，从而造成比较器输出上的差异需要进行偏差校正。通过设计偏差电压校正电路，来改善比较器中部分晶体管的基极电压值，以消除偏差电压的产生。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种相位偏移侦测器结构连接框图。

图2是比较器内部电路连接示意图。

图3是比较器无偏差电压产生时的状况图。

图4是比较器产生40mV的偏差电压时的状况图。

图5是偏差电压校正电路连接示意图。

图6是基极电压产生电路单元连接示意图。

图7是控制电路连接示意图。

图8是偏差电压校正电路运作时序图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种相位偏移侦测器，包括滤波器、比较器、偏差电压校正电路和控制电路；

滤波器和比较器连接；控制电路分别与比较器和偏差电压校正电路连接；偏差电压校正电路与比较器连接；

滤波器，用于接收外部的弦波信号经滤波后输入到比较器；

比较器，用于将接收到的滤波后的信号转换成方波信号输出到控制电路，还用于接收偏差电压校正电路输出校正的基极电压并侦测输出相位偏移电压；

控制电路，用于计算比较器输出的方波信号的相位差，并输出控制信号到偏差电压校正电路；

偏差电压校正电路，用于接收到控制信号判断是否执行偏差电压校正，还用于接收比较器的输出信号并输出校正的基极电压到比较器中。

在有些实施例中，相位偏移侦测器还包括两组工作模式开关，每组工作模式开关包括两个开关；

滤波器的输出信号通过第一组工作模式开关的一个开关连接到比较器的正输入端，比较器的负输入端通过第一组工作模式开关的另一个开关接地；

比较器的正输入端和负输入端分别通过第二组工作模式开关接地；

第一组工作模式开关和第二组工作模式开关分别与控制电路连接，通过控制电路输出的控制信号Cal控制工作模式开关的开合来选择不同的工作模式；其中，第一组工作模式开关的控制信号为

第二组工作模式开关的控制信号为Cal。通过设置工作模式开关来控制相位偏移侦测器的工作模式。

工作模式包括校正模式、工作模式，控制电路输出控制信号Cal为0，对应的信号

为1，进入校正模式时，比较器的两端输入同时接地，来侦测比较器两输入端的误差是否有偏差电压的产生。此时比较器的输出信号输入至偏差电压校正电路中，判断产生的偏差电压是正偏差或负偏差，并驱动基极电压产生电路单元提高基极的电压值。在工作模式下，比较器正输入端接滤波器，在这里滤波器为窄频带通滤波器，比较器负输入端接地，而此时偏差电压校正电路停止运作，并输出校正的基极电压Vpbulk或Vnbulk至比较器中。控制电路输出控制信号Cal为1，进入校正模式下，比较器两输入端vcp和vcn接地来侦测比较器的偏差电压大小，并将信息输入比较器输出Vpout、Vnout，以及比较器输出Vrefo(Vexpo)输入至偏差电压校正电路中，得到消除偏差电压所需要的基极电压大小。

在有些事实例中，比较器内部电路如图2所示，比较器为三级比较器，第一级对输入信号进行放大，第二级将放大后的信号进行锁定，第三级将信号再次进行放大。比较器还连接有基准电压Vbias、第一电源VDD和第二电源VSS；

比较器包括晶体管M201和晶体管M202，晶体管M201的源极连接到VDD，晶体管M201的栅极与漏极连接；晶体管M201的漏极连接有晶体管M203的漏极，晶体管M203的栅极为比较器的正输入端Vf1(Vf2)，晶体管M203的源极连接有晶体管M204的源极，晶体管M203和晶体管M204的连接点连接有晶体管M205的漏极，晶体管M205的源极连接到VSS，晶体管M205的栅极连接到Vbias；晶体管M202的源极连接到VDD，晶体管M202的栅极与漏极连接，晶体管M202的漏极连接到晶体管M204的漏极，晶体管M204的栅极为比较器的负输入端Vn；

晶体管M201的栅极连接有晶体管M206的栅极，晶体管M206的源极连接到VDD，晶体管M206的基极连接到偏差电压校正电路的Vpbulk，晶体管M206的漏极为比较器的Vpout连接到偏差电压校正电路；晶体管M202的栅极连接有晶体管M207的栅极，晶体管M207的源极连接到VDD，晶体管M207的基极连接到偏差电压校正电路的Vnbulk；晶体管M207的漏极为比较器的Vnout连接到偏差电压校正电路；

晶体管M206的漏极连接有晶体管M209的漏极，晶体管M209的漏极连接有晶体管M208的漏极，晶体管M208的栅极与漏极连接，晶体管M209的栅极连接有晶体管M210的漏极，晶体管M210的栅极连接到晶体管M209的漏极，晶体管M210的漏极连接有晶体管M211的漏极，晶体管M211的栅极与漏极连接，晶体管M208的源极、晶体管M209的源极、晶体管M210的源极和晶体管M211的源极连接，晶体管M209的源极连接有晶体管M212的漏极，晶体管M212的漏极与栅极连接，晶体管M212的源极连接到VSS；晶体管M206的漏极连接有晶体管M216的栅极，晶体管M216的漏极连接有晶体管M214的漏极，晶体管M214的源极连接到VDD，晶体管M214的栅极连接有晶体管M213的栅极，晶体管M213的源极连接到VDD，晶体管M213的漏极与栅极连接，晶体管M213的漏极连接有晶体管M215的漏极,晶体管M215的栅极与晶体管M207的漏极连接，晶体管M215的源极与晶体管M216的源极连接，晶体管M216的源极连接有晶体管M217的漏极，晶体管M217的栅极与晶体管M213的栅极连接，晶体管M217的源极连接到VSS，晶体管M214的漏极为比较器的输出端Vrefo(Vexpo)，比较器的输出端还连接到偏差电压校正电路。为了提高相位偏移侦测器精准度，设计比较器，当晶体管M203和晶体管M204产生比匹配的状况时产生偏差电压，从而造成比较器输出上的差异需要进行偏差校正。

比较器有无产生偏差电压的状况如图3和图4所示，比较器输入端Vf1(Vf2)接滤波器输出的弦波信号，比较器的负输入端Vn则接地，Vrefo(Vexpo)为比较器输出端。当晶体管M203以及M204匹配时，输入至比较器的弦波讯号可以准确地在0V转换。当晶体管M203以及M204不匹配时，以产生偏差电压为40mV为例，则输入至比较器的弦波讯号会在约40mV转换。增加比较器中部分晶体管差动的基极(Body voltage)电压来改变晶体管的门坎电压(Threshold voltage)，并通过门坎电压的改变来消除偏差电压的产生。

比较器中晶体管输入级的差动对总共有M203、M204、M206、M207、M215和M216，VDD和VSS分别是900mV和-900mV，而NMOS的源极都是接在-900mV，考虑到产生负电压较困难，且需要调整的晶体管数目较多，故选择对晶体管M206以及M207的基极加上正电压来简化校正过程。具体的，在基极增加额外的电压，使得基极和源级导通电压(VSB)上升，则门坎电压(Vtp)也会上升，而门坎电压上升时，则比较器会延迟导通的时间，通过改变比较器内部晶体管的导通的状态，将产生的偏差电压消除。

在有些实施例中，偏差电压校正电路如图5所示偏差电压校正电路包括数字电路单元和基极电压产生电路单元，数字电路单元与基极电压产生电路单元连接；基极电压产生电路单元包括第一基极电压产生电路单元和第二基极电压产生电路单元；

数字电路单元包括栓锁器和数据选择器，比较器的Vnout连接到栓锁器的第一输入端，栓锁器的第一输出端Out1连接到数据选择器的控制端，比较器的输出端Vrefo(Vexpo)通过第一开关连接到数据选择器的一输入端，比较器的输出端通过第二开关连接有反相器U3的输入端，反相器U3的输出端连接到数据选择器的另一输入端，栓锁器的第一输出端的输出信号Out1为第二开关的控制信号，栓锁器的第一输出端的输出信号Out1的反信号Out1为第一开关的控制信号；

栓锁器的第一输出端还连接有第一与门U1的一输入端，数据选择器的输出端连接到第一与门U1的另一输入端，第一与门U1的输出端连接到第一基极电压产生电路单元；栓锁器的第一输出端还连接到第一基极电压产生电路单元；

比较器的Vpout连接到栓锁器的第二输入端，栓锁器的第二输出端Out2连接有第二与门U2的一输入端，数据选择器的输出端连接到第二与门U2的另一输入端，第二与门U2的输出端连接到第二基极电压产生电路单元；栓锁器的第二输出端还连接到第二基极电压产生电路单元；

控制电路输出的控制信号分别连接到第一基极电压产生电路单元和第二基极电压产生电路单元，控制电路输出的控制信号包括Clk和Reset；第一基极电压产生电路单元输出端Vnbulk连接到晶体管M207的基极，第二基极电压产生电路单元的输出端Vpbulk连接到晶体管M206的基极。考虑到晶体管的设计产生负电压较困难需要调整的晶体管数目较多，从而选择晶体管M206和晶体管M207的基极上加电压进行偏压校正。

校正开始时，侦测到比较器正偏差电压时，栓锁器的第一输入端Vnout为0，第二输入端Vpout为1，比较器的输出端Vrefo(Vexpo)为1，对应的栓锁器的第一输出端Out1为0，第二输出端Out2为1，第一输出端输出信号Out1为数据选择器的控制信号，此时，第一开关的控制信号

为1，第一开关闭合，比较器的输出信号Vrefo(Vexpo)直接连接到数据选择器，数据选择器的输出信号与栓锁器的第二输出端信号Out2经过第二与门U2输出En_p为1；栓锁器的第一输出端信号Out1和数据选择器的输出信号两者经过第一与门U1的结果En_n为0；第二基极电压产生电路单元启动计数器开始计时，第二基极电压产生单元输出到比较器的晶体管M206的校正的基极电压值增加；

校正开始时，侦测到比较器负偏差电压时，栓锁器的第一输入端Vnout为1，第二输入端Vpout为0，比较器的输出端Vrefo(Vexpo)为0，对应的栓锁器的第一输出端Out1为1，第二输出端Out2为0，第一输出端输出信号Out1为数据选择器的控制信号，此时，第二开关的控制信号Out1为1，第二开关闭合，比较器的输出信号Vrefo(Vexpo)经过反相器连接到数据选择器，数据选择器的输出信号与栓锁器的第一输出端信号Out1经过第一与门U1输出En_n为1，栓锁器的第二输出端信号Out2和数据选择器的输出信号两者经过第二与门U2的结果En_p为0；第一基极电压产生电路单元启动计数器开始计时，第一基极电压产生单元输出到比较器的晶体管M207的校正的基极电压值增加。

本设计可校正的偏差电压范围为正负40mV之间，当出现正偏差电压时，系统只增加晶体管M206的基极电压，而出现负偏差电压时，则只改变晶体管M207的基极电压。以偏差电压-10mV为例，当电路产生-10mV大小的偏差电压时，则比较器中需要校正的晶体管，其基极电压需由原本的900mV校正为1023mV。因校正一次只改变一颗PMOS的基极电压，所以分布为一个对称的线性关系。基极增加电压范围大约介于900mV到1080mV电压差最大为180mV，和理想的NMOS基极和源级导通电压(VSB)700mV相较之下小很多，所以可推论增加的基极电压不会使基极和源极顺向导通造成门闩效应。

在有些实施例中，基极电压产生电路单元如图6所示，基极电压产生电路单元包括计数器和数模转换器，控制电路与计数器的控制端连接数字电路单元的输出端输出触发信号连接到计数器，计数器和数模转换器连接，数模转换器的输出端连接到晶体管M206的基极或晶体管M207的基极；基极电压产生电路单元通过栓锁器的第一输出端输出的信号的高低进行控制选择。

基极电压产生电路单元包括一个4位的计数器以及一个数字模拟转换器。当校正开始时，基极电压产生电路单元中的启动讯号En_n会触发计数器，计数器的数值传送给数字模拟转换器去转换成一个模拟电压值，此电压即为输入给我们所要改变的PMOS之基极电压。

本发明提供的侦测器包括两个基极电压产生电路，分别控制比较器中需要改变的两个PMOS的基极电压，当偏差电压产生时只会改变其中一个PMOS的基极电压，而未改变的另一个PMOS其基极电压仍维持在900mV，因此两个基极电压产生电路在校正时一定会有一个不会使用到，于是在基极电压产生电路的设计上使用了一个开关，用以关闭没有使用到的电路。

启动讯号En_n为驱动计数器开始计数的触发讯号，信号Out1为开关信号用来关闭不用运作的基极电压产生电路单元，输出信号Q0到Q3为计数器数值，Vnbulk信号为基极电压产生电路单元产生的电压值。

在有些实施例中，控制电路如图7所示，该控制电路由FPGA实现，控制电路包括异或门、计数器和算术逻辑单元；比较器的输出端输出侦测到的正负偏移电压分别连接到异或门的输入端，异或门的输出端通过计数器连接到算术逻辑单元；

算术逻辑单元主要由乘法器构成，用于计算相位偏移的角度。

表1为异或门XOR的真值表：

表1

当Vexpo(θ)和Vrefo(θ)不相同时，其输出值Vd(θ)为1，此特性说明异或门具备了减法的特性，于是可利用此特性得出两相位的差值。

偏差电压校正电路运作时序如图8所示，其中Vrefo(Vexpo)为相位偏移侦测器输出，Q0至Q3为基极电压产生电路单元的计数器输出，Vnbulk和Vpbulk为输入至两个需校正的PMOS的基极电压值。

以侦测到正偏差电压为例，当整体电路开始运作时，电路进入校正模式(Calibration mode)，侦测到正偏差电压，则基极电压产生电路单元开始运作，使得Vpbulk电压增加以补偿比较器的晶体管的基极电压。校正结束后进入工作模式(Normal mode)，则经滤波器输入的弦波讯号转换成方波。因基极电压产生电路单元使用电容式的数模转换器DAC，电容随时间放电，则会导致校正效果越来越差，因此电路运作时在每过60μs后进入电容重置模式(Reset mode)，将Vpbulk电压重置为900mV，在工作模式时将基极电压产生电路单元中的计数器数值重新输入置数模转换器DAC中充电，来维持校正效果。

本发明实施例还提供一种相位偏移侦测方法，用于第一方面所述的相位偏移侦测器的侦测方法，该方法包括如下步骤：

将两弦波信号输入到滤波器中进行滤波输出信号到比较器；

比较器将接收滤波器输出的信号转换成方波信号输出到控制电路；

控制电路计算比较器输出的信号的相位差，根据计算的相位差输出控制信号控制是否执行偏差电压校正电路进行偏差电压校正，若是，启动偏差电压校正电路输出校正的基极电压到比较器；若否，不启动偏差电压校正电路，相位偏移侦测器进入工作模式；

比较器接收滤波器输出的信号与接收到的校正的基极电压进行处理放大后转换成防波信号输出到控制电路；执行步骤：控制电路计算比较器输出的信号的相位差，根据计算的相位差输出控制信号控制是否执行偏差电压校正电路进行偏差电压校正，若是，启动偏差电压校正电路输出校正的基极电压到比较器；若否，不启动偏差电压校正电路，相位偏移侦测器进入工作模式。

在有些实施例中，根据计算的相位差输出控制信号控制是否执行偏差电压校正电路进行偏差电压校正，若是，启动偏差电压校正电路输出校正的基极电压到比较器；若否，不启动偏差电压校正电路，相位偏移侦测器进入工作模式的步骤包括：

当控制电路输出控制信号为低电平到第一组工作模式开关，第一组工作模式开关闭合，相应的第二组工作模式开关断开，比较器的正输入端接滤波器的输出端，比较器的负输入端接地，此时，偏差电压校正电路停止工作，相位偏移侦测器进入工作模式；

当控制电路输出控制信号为高电平到第一组工作模式开关，第一组工作模式开关断开，相应的第二组工作模式开关闭合，比较器的正输入端和负输入端接地来侦测比较器的偏差电压的大小并输入到比较器中，比较器输出信号到偏差电压校正电路，偏差电压校正电路接收到信号经过内部侦测处理输出消除偏差电压所需的校正的基极电压到比较器。

在有些实施例中，启动偏差电压校正电路输出校正的基极电压到比较器的步骤包括：

校正开始时，侦测到比较器正偏差电压时，栓锁器的第一输入端输入为低电平，第二输入端输入为高电平，比较器的输出端输出高电平，对应的栓锁器的第一输出端输出低电平，第二输出端输出高电平，第一输出端输出信号为数据选择器的控制信号，此时，第一开关闭合，比较器的输出信号直接连接到数据选择器，数据选择器的输出信号与栓锁器的第二输出信号经过第二与门输出高电平到第二基极电压产生电路单元启动计数器开始计时，第二基极电压产生单元输出到比较器的晶体管M206的校正的基极电压值增加；

校正开始时，侦测到比较器负偏差电压时，栓锁器的第一输入端输入为高电平，第二输入端输入为低电平，比较器的输出端输出低电平，对应的栓锁器的第一输出端输出高电平，第二输出端输出低电平，第一输出端输出信号为数据选择器的控制信号，此时，第二开关闭合，比较器的输出信号经过反相器连接到数据选择器，数据选择器的输出信号与栓锁器的第一输出信号经过第一与门输出高电平到第一基极电压产生电路单元启动计数器开始计时，第一基极电压产生单元输出到比较器的晶体管M207的校正的基极电压值增加。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种相位偏移侦测器，其特征在于，包括滤波器、比较器、偏差电压校正电路和控制电路；

滤波器和比较器连接；控制电路分别与比较器和偏差电压校正电路连接；偏差电压校正电路与比较器连接；

滤波器，用于接收外部的弦波信号经滤波后输入到比较器；

比较器，用于将接收到的滤波后的信号转换成方波信号输出到控制电路，还用于接收偏差电压校正电路输出校正的基极电压并侦测输出相位偏移电压；

控制电路，用于计算比较器输出的方波信号的相位差，并输出控制信号到偏差电压校正电路；

偏差电压校正电路，用于接收到控制信号判断是否执行偏差电压校正，还用于接收比较器的输出信号并输出校正的基极电压到比较器中。

2.根据权利要求1所述的一种相位偏移侦测器，其特征在于，该相位偏移侦测器还包括两组工作模式开关，每组工作模式开关包括两个开关；

滤波器的输出信号通过第一组工作模式开关的一个开关连接到比较器的正输入端，比较器的负输入端通过第一组工作模式开关的另一个开关接地；

比较器的正输入端和负输入端分别通过第二组工作模式开关接地；

第一组工作模式开关和第二组工作模式开关分别与控制电路连接，通过控制电路输出的控制信号控制工作模式开关的开合来选择不同的工作模式；其中，第一组工作模式开关的控制信号为第二组工作模式开关的控制信号的反信号。

3.根据权利要求1所述的一种相位偏移侦测器，其特征在于，比较器为三级比较器，第一级对输入信号进行放大，第二级将放大后的信号进行锁定，第三级将信号再次进行放大。

4.根据权利要求1所述的一种相位偏移侦测器架构，其特征在于，比较器还连接有基准电压、第一电源和第二电源；

比较器包括晶体管M201和晶体管M202，晶体管M201的源极连接到第一电源，晶体管M201的栅极与漏极连接；晶体管M201的漏极连接有晶体管M203的漏极，晶体管M203的栅极为比较器的正输入端，晶体管M203的源极连接有晶体管M204的源极，晶体管M203和晶体管M204的连接点连接有晶体管M205的漏极，晶体管M205的源极连接到第二电源，晶体管M205的栅极连接到基准电压；晶体管M202的源极连接到第一电源，晶体管M202的栅极与漏极连接，晶体管M202的漏极连接到晶体管M204的漏极，晶体管M204的栅极为比较器的负输入端；

晶体管M201的栅极连接有晶体管M206的栅极，晶体管M206的源极连接到第一电源，晶体管M206的基极连接到偏差电压校正电路，晶体管M206的漏极为比较器的Vpout输出端连接到偏差电压校正电路；晶体管M202的栅极连接有晶体管M207的栅极，晶体管M207的源极连接到第一电源，晶体管M207的基极连接到偏差电压校正电路；晶体管M207的漏极为比较器的Vnout输出端连接到偏差电压校正电路；

晶体管M206的漏极连接有晶体管M209的漏极，晶体管M209的漏极连接有晶体管M208的漏极，晶体管M208的栅极与漏极连接，晶体管M209的栅极连接有晶体管M210的漏极，晶体管M210的栅极连接到晶体管M209的漏极，晶体管M210的漏极连接有晶体管M211的漏极，晶体管M211的栅极与漏极连接，晶体管M208的源极、晶体管M209的源极、晶体管M210的源极和晶体管M211的源极连接，晶体管M209的源极连接有晶体管M212的漏极，晶体管M212的漏极与栅极连接，晶体管M212的源极连接到第二电源；晶体管M206的漏极连接有晶体管M216的栅极，晶体管M216的漏极连接有晶体管M214的漏极，晶体管M214的源极连接到第一电源，晶体管M214的栅极连接有晶体管M213的栅极，晶体管M213的源极连接到第一电源，晶体管M213的漏极与栅极连接，晶体管M213的漏极连接有晶体管M215的漏极,晶体管M215的栅极与晶体管M207的漏极连接，晶体管M215的源极与晶体管M216的源极连接，晶体管M216的源极连接有晶体管M217的漏极，晶体管M217的栅极与晶体管M213的栅极连接，晶体管M217的源极连接到第二电源，晶体管M214的漏极为比较器的输出端，比较器的输出端还连接到偏差电压校正电路。

5.根据权利要求4所述的一种相位偏移侦测器，其特征在于，偏差电压校正电路包括数字电路单元和基极电压产生电路单元，数字电路单元与基极电压产生电路单元连接；基极电压产生电路单元包括第一基极电压产生电路单元和第二基极电压产生电路单元；

数字电路单元包括栓锁器和数据选择器，比较器的Vnout输出端连接到栓锁器的第一输入端，栓锁器的第一输出端Out1连接到数据选择器的控制端，比较器的输出端通过第一开关连接到数据选择器的一输入端，比较器的输出端通过第二开关连接有反相器的输入端，反相器的输出端连接到数据选择器的另一输入端，栓锁器的第一输出端的输出信号为第二开关的控制信号，栓锁器的第一输出端的输出信号的反信号为第一开关的控制信号；

栓锁器的第一输出端还连接有第一与门的一输入端，数据选择器的输出端连接到第一与门的另一输入端，第一与门的输出端连接到第一基极电压产生电路单元；栓锁器的第一输出端还连接到第一基极电压产生电路单元；

比较器的Vpout输出端连接到栓锁器的第二输入端，栓锁器的第二输出端连接有第二与门的一输入端，数据选择器的输出端连接到第二与门的另一输入端，第二与门的输出端连接到第二基极电压产生电路单元；栓锁器的第二输出端还连接到第二基极电压产生电路单元；

控制电路分别连接到第一基极电压产生电路单元和第二基极电压产生电路单元，第一基极电压产生电路单元输出端连接到晶体管M207的基极，第二基极电压产生电路单元的输出端连接到晶体管M206的基极。

6.根据权利要求5所述的一种相位偏移侦测器，其特征在于，基极电压产生电路单元包括计数器和数模转换器，控制电路与计数器的控制端连接数字电路单元的输出端输出触发信号连接到计数器，计数器和数模转换器连接，数模转换器的输出端连接到晶体管M206的基极或晶体管M207的基极；基极电压产生电路单元通过栓锁器的第一输出端输出的信号的高低进行控制选择。

7.根据权利要求6所述的一种相位偏移侦测器，其特征在于，控制电路包括异或门、计数器和算术逻辑单元；比较器的输出端输出侦测到的正负偏移电压分别连接到异或门的输入端，异或门的输出端通过计数器连接到算术逻辑单元；

算术逻辑单元，用于计算相位偏移的角度。

8.一种相位偏移侦测方法，其特征在于，应用于权利要求1-7任一项所述的相位偏移侦测器的侦测方法，该方法包括如下步骤：

将两弦波信号输入到滤波器中进行滤波输出信号到比较器；

比较器将接收滤波器输出的信号转换成方波信号输出到控制电路；

控制电路计算比较器输出的信号的相位差，根据计算的相位差输出控制信号控制是否执行偏差电压校正电路进行偏差电压校正，若是，启动偏差电压校正电路输出校正的基极电压到比较器；若否，不启动偏差电压校正电路，相位偏移侦测器进入工作模式；

比较器接收滤波器输出的信号与接收到的校正的基极电压进行处理放大后转换成防波信号输出到控制电路；执行步骤：控制电路计算比较器输出的信号的相位差，根据计算的相位差输出控制信号控制是否执行偏差电压校正电路进行偏差电压校正，若是，启动偏差电压校正电路输出校正的基极电压到比较器；若否，不启动偏差电压校正电路，相位偏移侦测器进入工作模式。

9.根据权利要求8所述的一种相位偏移侦测方法，其特征在于，根据计算的相位差输出控制信号控制是否执行偏差电压校正电路进行偏差电压校正，若是，启动偏差电压校正电路输出校正的基极电压到比较器；若否，不启动偏差电压校正电路，相位偏移侦测器进入工作模式的步骤包括：

当控制电路输出控制信号为低电平到第一组工作模式开关，第一组工作模式开关闭合，相应的第二组工作模式开关断开，比较器的正输入端接滤波器的输出端，比较器的负输入端接地，此时，偏差电压校正电路停止工作，相位偏移侦测器进入工作模式；

当控制电路输出控制信号为高电平到第一组工作模式开关，第一组工作模式开关断开，相应的第二组工作模式开关闭合，比较器的正输入端和负输入端接地来侦测比较器的偏差电压的大小并输入到比较器中，比较器输出信号到偏差电压校正电路，偏差电压校正电路接收到信号经过内部侦测处理输出消除偏差电压所需的校正的基极电压到比较器。

10.根据权利要求9所述的一种相位偏移侦测方法，其特征在于，启动偏差电压校正电路输出校正的基极电压到比较器的步骤包括：

校正开始时，侦测到比较器正偏差电压时，栓锁器的第一输入端输入为低电平，第二输入端输入为高电平，比较器的输出端输出高电平，对应的栓锁器的第一输出端输出低电平，第二输出端输出高电平，第一输出端输出信号为数据选择器的控制信号，此时，第一开关闭合，比较器的输出信号直接连接到数据选择器，数据选择器的输出信号与栓锁器的第二输出信号经过第二与门输出高电平到第二基极电压产生电路单元启动计数器开始计时，第二基极电压产生单元输出到比较器的晶体管M206的校正的基极电压值增加；

校正开始时，侦测到比较器负偏差电压时，栓锁器的第一输入端输入为高电平，第二输入端输入为低电平，比较器的输出端输出低电平，对应的栓锁器的第一输出端输出高电平，第二输出端输出低电平，第一输出端输出信号为数据选择器的控制信号，此时，第二开关闭合，比较器的输出信号经过反相器连接到数据选择器，数据选择器的输出信号与栓锁器的第一输出信号经过第一与门输出高电平到第一基极电压产生电路单元启动计数器开始计时，第一基极电压产生单元输出到比较器的晶体管M207的校正的基极电压值增加。

Images