CN115856418A - 一种功率探测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的功率探测器的电路设计使用双极型晶体管来实现，将双极型晶体管的微电流放大技术应用到功率探测器中，利用了器件的非线性来产生直流或低频的电流，并用于表征射频信号功率的大小。相较于传统的基于二极管的功率探测器，本发明的功率探测器具有灵敏度高、噪声系数低等优点，相较于基于CMOS场效应晶体管的功率探测器，本发明的功率探测器具有更好的性能。此外，根据所述功率探测器的第二电阻和第二滤波电容的设置方式，该功率探测器的对称性和线性度得到了显著提升。

Description

一种功率探测器

技术领域

本发明涉及电子通信器件技术领域，尤其涉及一种功率探测器。

背景技术

随着数据速率需求的增加，现代移动通信标准正朝着毫米波频率发展，功率探测器是一种广泛应用在毫米波成像、毫米波高速通信等系统中的器件，其主要功能是实现功率的检波以及信号的解调。

传统的功率探测器的电路设计利用二极管来实现，同时，传统的功率探测器也具有灵敏度低、噪声系数大等缺点。随着工艺技术的进步，该领域技术人员逐渐考虑使用双极型晶体管和CMOS场效应晶体管来替代二极管，以实现功率探测器的电路设计。

其中，CMOS技术可以为实现完整的片上系统提供较低成本的解决方案，由于基于CMOS的功率探测器所需的COMS场效应晶体管的固有平方律特性，通常将CMOS场效应晶体管设计在强反型区工作。但是在深亚微米技术中，短沟道效应占主导地位，CMOS场效应晶体管的伏安特性曲线的性质不再符合平方律特性，同时，强反型区的二阶跨导取决于器件尺寸和工艺参数，而上述两项属性COMS场效应晶体管远低于双极型晶体管。因此，基于双极型晶体管实现的功率探测器，相较于基于CMOS场效应晶体管功率探测器，具有更好的性能而广受欢迎。为了满足射频信号预期的功率探测需求，提供一种基于双极型晶体管的功率探测器一直是本领域的研究重点之一，并且此类功率探测器的对称性和线性度一直难以达到理想值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功率探测器，该功率探测器包括输入端、放大器电路单元和输出端，其中：

所述输入端接入射频信号，所述输出端输出表征所述射频信号的功率的电流参数或电压参数；

所述放大器电路单元包括N条支路，N为正整数，每一所述支路至少包括耦合电容、第一双极型晶体管、第二双极型晶体管、第一电阻、第二电阻、第一滤波电容和第二滤波电容；

所述第一双极型晶体管的基极通过依次串联的所述第二电阻和所述第一电阻与所述第二双极型晶体管的基极连接，所述第一双极型晶体管的基极还通过所述第二电阻与所述第一双极型晶体管的集电极短接，所述第二电阻通过与所述第一电阻并联的第二滤波电容接地，所述第一电阻的两端分别通过所述第一滤波电容和所述第二滤波电容接地，所述第二滤波电容连接于所述第一电阻和所述第二电阻之间，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值相等；

所述第二双极型晶体管的集电极与所述输出端连接，所述第一双极型晶体管的发射极和所述第二双极型晶体管的发射极均接地；

当N等于1时，第N条支路的第一双极型晶体管的集电极通过所述第1条支路的耦合电容与所述输入端连接，当N大于1时，第N条支路的第一双极型晶体管的集电极通过所述第N支路上的耦合电容连接至第N-1条支路上的耦合电容的输出端；

每一所述支路中，所述第一双极型晶体管的集电极接入与其匹配的第一基准电流，所述第二双极型晶体管的集电极接入与其匹配的第二基准电流。

根据本发明的一个方面，所述功率探测器中所述第一双极型晶体管与所述第二双极型晶体管具有相同的电流放大系数。

根据本发明的另一个方面，所述功率探测器中所述第二双极型晶体管的基极电压的计算公式为：

所述计算公式中，B″为所述第二双极型晶体管的基极电压，V_be0为静态分析时所述第一双极型晶体管的基极/发射极电压，

为温度的电压当量，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电子的电荷量，I₀(·)为第一类零阶贝塞尔函数，I_s1为所述第一双极型晶体管的反向饱和电流，I_s2为所述第二双极型晶体管的反向饱和电流，β₁为所述第一双极型晶体管的放大系数，β₂为所述第二双极型晶体管的放大系数；/>

所述射频信号的表达式为A_in*sin(ωt)，A_in为所述射频信号的幅度，ω为所述射频信号的角频率，C_rf为所述第二双极型晶体管所在支路的耦合电容，C_be为所述所在支路中的第一双极型晶体管的所有对地寄生电容。

根据本发明的另一个方面，所述功率探测器中所述第一基准电流和/或所述第二基准电流由恒流源提供；所述恒流源包括由MOS管构成的电流源电路。

根据本发明的另一个方面，所述功率探测器还包括：负载电阻，所述负载电阻的一端与所述第二双极型晶体管的集电极连接，另一端接地。

根据本发明的另一个方面，所述功率探测器还包括：误差源，所述误差源与所述负载电阻的接地端串联，用于输出失调电压。

本发明提供的功率探测器的电路设计使用双极型晶体管来实现，将双极型晶体管的微电流放大技术应用到功率探测器中，利用了器件的非线性来产生直流或低频的电流，并用于表征射频信号功率的大小。相较于传统的基于二极管的功率探测器，本发明的功率探测器具有灵敏度高、噪声系数低等优点，相较于基于CMOS场效应晶体管的功率探测器，本发明的功率探测器具有更好的性能。此外，根据所述功率探测器的第二电阻和第二滤波电容的设置方式，该功率探测器的对称性和线性度得到了显著提升。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本发明的功率探测器的一个具体实施方式的电路结构示意图；

图2是根据本发明的功率探测器的另一个具体实施方式的电路结构示意图；

图3至图7是图1或图2示出的功率探测器中一些关键参数关联变化的仿真示意图；

图8是根据本发明的功率探测器的另一个具体实施方式的电路结构示意图；

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

为了更好地理解和阐释本发明，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。本发明并不仅仅局限于这些具体实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

需要说明的是，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在下文给出的多个具体实施方式中，对于本领域熟知的结构和部件未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

本发明提供了一种功率探测器，该功率探测器包括输入端、放大器电路单元和输出端，其中：

所述输入端接入射频信号，所述输出端输出表征所述射频信号的功率的电流参数或电压参数；

所述放大器电路单元包括N条支路，N为正整数，每一所述支路至少包括耦合电容、第一双极型晶体管、第二双极型晶体管、第一电阻、第二电阻、第一滤波电容和第二滤波电容；

所述第一双极型晶体管的基极通过依次串联的所述第二电阻和所述第一电阻与所述第二双极型晶体管的基极连接，所述第一双极型晶体管的基极还通过所述第二电阻与所述第一双极型晶体管的集电极短接，所述第二电阻通过与所述第一电阻并联的第二滤波电容接地，所述第一电阻的两端分别通过所述第一滤波电容和所述第二滤波电容接地，所述第二滤波电容连接于所述第一电阻和所述第二电阻之间，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值相等；

所述第二双极型晶体管的集电极与所述输出端连接，所述第一双极型晶体管的发射极和所述第二双极型晶体管的发射极均接地；

当N等于1时，第N条支路的第一双极型晶体管的集电极通过所述第1条支路的耦合电容与所述输入端连接，当N大于1时，第N条支路的第一双极型晶体管的集电极通过所述第N支路上的耦合电容连接至第N-1条支路上的耦合电容的输出端；

每一所述支路中，所述第一双极型晶体管的集电极接入与其匹配的第一基准电流，所述第二双极型晶体管的集电极接入与其匹配的第二基准电流。

本领域技术人员可理解，随着N的取值的变化，所述功率探测器的级数随之变化，其响应的功率探测也随之变化。本发明的实施者可以根据所需的功率探测范围需求选择合适的N的取值。为了更好地说明本发明提供的功率探测器的原理，下文中首先介绍当所述功率探测器具有仅一条所述支路，且仅输出所述电流参数时的最简结构，旨在说明N＝1时所述功率探测器的工作原理。请参考图1，图1是根据本发明的功率探测器的一个具体实施方式的电路结构示意图，更具体而言，当前文所述N的取值为1时，本发明提供的功率探测器的一个具体实施方式的电路结构如图1所示。

在该具体实施方式中，功率探测器包括输入端RF_in、一条支路和输出端，所述输入端接入射频信号，将所述射频信号记为Input，所述输出端输出表征所述射频信号的功率的电流参数，将所述电流参数记为I_out。

所述支路至少包括第1耦合电容C_rf、第一双极型晶体管Q₁、第二双极型晶体管Q₂、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第一滤波电容C₁和第二滤波电容C₂，其中，Q₁的基极通过依次串联的R₁和R₂与Q₂的基极连接，Q₁的基极还通过R₂与Q₁的集电极短接，R₂通过与R₁并联的C₂接地，R₁的两端分别通过C₁和C₂接地，C₂连接于R₁和R₂之间，R₁和R₂的阻值相等。

Q₂的集电极与所述输出端连接，Q₁的发射极和Q₂的发射极均接地；Q₁的集电极通过C_rf与输入端RF_in连接；Q₁的集电极接入与Q₁匹配的第一基准电流，将所述第一基准电流记为I_ref，Q₂的集电极接入与Q₂匹配的第二基准电流(简便起见图1中未示出)。

此外，结合所述功率探测器的电路结构，在用数学函数表示所述功率探测器涉及的工作原理时，Q₁本身的所有对地寄生电容也应纳入考虑范围，因此图1还示出了Q₁的所有对地寄生电容的等效电容C_be。

继续参考图1，从输入端RF_in接入的射频信号的表达式为Input＝A_in*sin(ωt)，其中A_in为所述射频信号的幅度，ω为所述射频信号的角频率。当该射频信号通过C_rf传输到Q₁后，所述射频信号的幅值和相位均发生了变化，表达式可描述为

其中，B指的是低频信号。

同时，由于耦合电容C_rf和等效电容C_be的存在，可知

为了提升所述放大器电路单元的对称性，当前支路中，应设置Q₁和Q₂具有相同的电流放大系数，相应地，Q₁和Q₂具有相同的反向饱和电流，优选地，Q₁和Q₂是具有相同工作参数的双极型晶体管，例如Q₁和Q₂选择性地实施为相同尺寸的双极型晶体管。

基于图1示出的电路结构，分析电流的直流特性，第一基准电流I_ref的总值应设置为Q₁的基极电流、Q₁的集电极电流以及Q₂的基极电流三者的数值之和。所述第一基准电流I_ref可由一个恒流源提供，如图1所示，该恒流源与Q₁的集电极连接，所述恒流源包括由MOS管构成的电流源电路。

将双极型晶体管的电流放大系数记为β，将双极型晶体管的反向饱和电流记为I_s，I_s1为所述第一双极型晶体管的反向饱和电流，I_s2为所述第二双极型晶体管的反向饱和电流，β₁为所述第一双极型晶体管的放大系数，β₂为所述第二双极型晶体管的放大系数，因为Q₁和Q₂是具有相同工作参数的双极型晶体管，则可知β＝β₁＝β₂，且I_s＝I_s1＝I_s2。进一步，将Q₁的基极电流记为I_b1，Q₁的集电极电流记为I_c1，Q₂的基极电流记为I_b2。

此时I_ref的可用如下数学公式描述：

其中，

为温度的电压当量，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电子的电荷量，V_be0为静态分析时Q₁的基极/发射极电压。

此时，基于I_ref对应的数学公式，可推导出V_be0可用如下数学公式描述：

从输入端RF_in输入的所述射频信号Input＝A_in*sin(ωt)首先通过C_rf传输到Q₁，如前文所述描述为

其中低频信号B可用如下数学公式描述：

其中，I₀(·)为第一类零阶贝塞尔函数。

使R₁和R₂的阻值相等，可以在Q₂的基极获得一个比低频信号B更稳定的低频信号B″。

请继续参考图1，低频信号B″可用如下数学公式描述：

B″＝B-I_b2*R₁

由此可见，低频信号B″和低频信号B正相关。

Q₂的基极电流I_b2可以通过如下数学公式描述：

由上述两个数学公式，可知低频信号B″可以通过如下数学公式描述：

进一步得知，B″可用如下数学公式描述：

Q₂的集电极与所述输出端连接，由于从RF_in输入的所述射频信号先通过Q₁，再通过R₂、C₂ R₁、C₁构成的滤波器后传输到Q₂的基极，仅保留了低频信号B″，因此Q₂的输出即所述电流参数I_out，该电流参数I_out是低频或直流的电流，I_out等于与输入电压成比例的电流加上限幅放大器提供的固定电流，可用如下数学公式描述：

图1示出的是功率探测器输出所述电流参数I_out的情况，I_out是被放大器电路单元放大后的微电流，可以通过负载电阻将该I_out转换为电压参数用于功率计算。请参考图2，图2是根据本发明的功率探测器的另一个具体实施方式的电路结构示意图。图2示出的电路结构与图1相比，不同之处在于所述功率探测器还包括负载电阻，所述负载电阻的一端与所述第二双极型晶体管的集电极连接，另一端接地。

将所述电压参数记为V_det，将所述负载电阻记为R_L，将I_out转换为V_det的基本原理为：V_det＝R_L*I_out。在所述功率探测器的制造中或工作时，因为工艺、电压、温度的不同，所引起的电路失配会造成误差，因此优选地所述功率探测器还包括误差源，如图2中的误差源V_os，V_os与R_L的接地端串联，用于输出失调电压，失调电压用于补偿所述误差。

对于图1和图2工作原理的进一步说明可以参考图3至图7，图3至图7是图1或图2示出的功率探测器中一些关键参数关联变化的仿真示意图。

图3表示输入的射频信号的峰值电压分别为0.2V、0.6V和1.0V时，幅值参数A_in在时间维度上的数值变化所形成的对应波形。

图4表示输入的射频信号的峰值电压分别为0.2V、0.6V和1.0V时，幅值参数A在时间维度上的数值变化所形成的对应波形。

图5表示输入的射频信号的峰值电压分别为0.2V、0.6V和1.0V时，低频信号B在时间维度上的数值变化所形成的对应波形，不难发现，低频信号B的波形呈现为一条基本平直的直线，表明低频信号B的电压值在时间维度上基本维持不变。

图6表示输入的射频信号的峰值电压分别为0.2V、0.6V和1.0V时，电压参数V_det在时间维度上的数值变化所形成的对应波形，同样，V_det呈现为一条基本平直的直线，表明V_det的电压值在时间维度上基本维持不变，可用于表征所述射频信号的功率。

图7表示电压参数V_det和幅值参数A_in的对应曲线，可见在所述功率探测器的响应范围内，电压参数V_det随着幅值参数A_in的变化而有规律地同向变化。

图1或图2揭露的是功率探测器仅具有一条支路时的工作原理，理论上，功率探测器的输入信号的动态范围取决于该功率探测器中放大器电路的单极增益和级数，级数越多，所适配的输入信号的动态范围就越大，但级数增加的同时功率探测器稳定性就会变差。可视为所述放大器电路的性能决定了对数检波的动态范围、输出电压斜率和截距。因此，考虑将功率探测器设计为并联求和型(也即分段逼近型)结构，此时，就需要在所述放大器电路内设置更多的支路。例如将图2示出的功率探测器的结构拓展为并联求和型，可得到如图8所示的具体实施方式。

请参考图8，图8是根据本发明的功率探测器的另一个具体实施方式的电路结构示意图，更具体而言，当前文所述N的取值大于1时，本发明提供的功率探测器的另一个具体实施方式的电路结构如图8所示。

与图2揭露的具体实施方式相同，在图8示出的具体实施方式中，功率探测器包括输入端RF_in、放大器电路单元和输出端，所述输入端接入射频信号，将所述射频信号记为Input，所述输出端输出表征所述射频信号的功率的电流参数V_det，将所述电流参数记为I_out。

所述放大器电路单元包括N条支路，N为正整数，每一所述支路至少包括耦合电容、第一双极型晶体管、第二双极型晶体管、第一电阻、第二电阻、第一滤波电容和第二滤波电容。

当N等于1时，第1条支路的第一双极型晶体管的集电极通过所述第1条支路的耦合电容与所述输入端连接，具体如图8所示，第1条支路的第一双极型晶体管Q₁₁的集电极通过第1耦合电容C_rf1与输入端RF_in连接；当N大于1时，第N条支路的第一双极型晶体管的集电极通过所述第N支路上的耦合电容连接至第N-1条支路上的耦合电容的输出端，同样具体如图8所示，第2条支路的第2耦合电容C_rf2与第1耦合电容C_rf1的输出端连接，第2条支路的第3耦合电容C_rf3与第2耦合电容C_rf2的输出端连接，以此类推。所述N条支路中，为便于说明，第N条支路的第一双极型晶体管为Q_1N，第N条支路的第二双极型晶体管为Q_2N，每一条所述支路都包括R₂、C₂ R₁、C₁构成的滤波器。

每一所述支路中，所述第一双极型晶体管的集电极接入与其匹配的第一基准电流，所述第二双极型晶体管的集电极接入与其匹配的第二基准电流。同样，考虑到为了提升所述放大器电路单元的对称性，Q_1N和Q_2N具有相同的电流放大系数β，相应地，Q_1N和Q_2N具有相同的反向饱和电流I_s，优选地，Q_1N和Q_2N是具有相同工作参数的双极型晶体管，例如Q_1N和Q_2N选择性地实施为相同尺寸的双极型晶体管。此时，在第N条支路中，所述第一基准电流和所述第二基准电流的取值相同。这意味着Q_1N和Q_2N都接入同一数值的I_ref，所述第一基准电流和所述第二基准电流由至少一个恒流源提供。例如在图8中，所有的Q_2N连接至一个输出N*I_ref的恒流源，每一个Q_2N都接入同等数值的I_ref。

参考前文中对于I_ref的说明，可知对于任一所述支路而言，I_ref的可用如下数学公式描述：

也即I_ref的总值应设置为当前支路的Q_1N的基极电流、Q_1N的集电极电流以及Q_2N的基极电流三者的数值之和。

进一步地，图8示出的功率探测器可以直接输出电压参数V_det，优选地，该功率探测器还包括串联的负载电阻R_L和误差源V_os，负载电阻R_L的一端与Q_2N的集电极连接，另一端通过误差源V_os接地，误差源V_os输出失调电压。

当所有所述支路中的所述第二双极型晶体管，也即Q₂₁至Q_2N的基极连接在一起后，其输出通过负载电阻R_L转换为电压参数V_det，对于图8示出的电路结构而言，V_det可以用如下数学公式来描述：

需要说明的是，所述N条支路中，第1耦合电容至第N耦合电容应选择合适的参数，令A_i/A_i+1为常数。此时，所述功率探测器输出的电压参数V_det是一个精确对数的分段逼近。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化均涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他部件、单元或步骤，单数不排除复数。权利要求中陈述的多个部件、单元或装置也可以由一个部件、单元或装置通过软件或者硬件来实现。

本发明提供的功率探测器的电路设计使用双极型晶体管来实现，将双极型晶体管的微电流放大技术应用到功率探测器中，利用了器件的非线性来产生直流或低频的电流，并用于表征射频信号功率的大小。相较于传统的基于二极管的功率探测器，本发明的功率探测器具有灵敏度高、噪声系数低等优点，相较于基于CMOS场效应晶体管的功率探测器，本发明的功率探测器具有更好的性能。此外，根据所述功率探测器的第二电阻和第二滤波电容的设置方式，该功率探测器的对称性和线性度得到了显著提升。

以上所披露的仅为本发明的一些较佳具体实施方式，不能以此来限定本发明之权利范围，依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种功率探测器，该功率探测器包括输入端、放大器电路单元和输出端，其中：

所述输入端接入射频信号，所述输出端输出表征所述射频信号功率的电流参数或电压参数；

所述放大器电路单元包括N条支路，N为正整数，每一所述支路至少包括耦合电容、第一双极型晶体管、第二双极型晶体管、第一电阻、第二电阻、第一滤波电容和第二滤波电容；

所述第一双极型晶体管的基极通过依次串联的所述第二电阻和所述第一电阻与所述第二双极型晶体管的基极连接，所述第一双极型晶体管的基极还通过所述第二电阻与所述第一双极型晶体管的集电极短接，所述第二电阻通过与所述第一电阻并联的第二滤波电容接地，所述第一电阻的两端分别通过所述第一滤波电容和所述第二滤波电容接地，所述第二滤波电容连接于所述第一电阻和所述第二电阻之间，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值相等；

所述第二双极型晶体管的集电极与所述输出端连接，所述第一双极型晶体管的发射极和所述第二双极型晶体管的发射极均接地；

当N等于1时，第N条支路的第一双极型晶体管的集电极通过所述第1条支路的耦合电容与所述输入端连接，当N大于1时，第N条支路的第一双极型晶体管的集电极通过所述第N支路上的耦合电容连接至第N-1条支路上的耦合电容的输出端；

每一所述支路中，所述第一双极型晶体管的集电极接入与其匹配的第一基准电流，所述第二双极型晶体管的集电极接入与其匹配的第二基准电流。

2.根据权利要求1所述的功率探测器，其中：

所述第一双极型晶体管与所述第二双极型晶体管具有相同的电流放大系数。

3.根据权利要求2所述的功率探测器，其中，所述第二双极型晶体管的基极电压的计算公式为：

所述计算公式中，B″为所述第二双极型晶体管的基极电压，V_be0为静态分析时所述第一双极型晶体管的基极/发射极电压，

为温度的电压当量，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电子的电荷量，I₀(·)为第一类零阶贝塞尔函数，I_s1为所述第一双极型晶体管的反向饱和电流，I_s2为所述第二双极型晶体管的反向饱和电流，β₁为所述第一双极型晶体管的放大系数，β₂为所述第二双极型晶体管的放大系数；

所述射频信号的表达式为A_in*sin(ωt)，A_in为所述射频信号的幅度，ω为所述射频信号的角频率，C_rf为所述第二双极型晶体管所在支路的耦合电容，C_be为所述所在支路中的第一双极型晶体管的所有对地寄生电容。

4.根据权利要求2所述的功率探测器，其中：

所述第一基准电流和/或所述第二基准电流由恒流源提供；

所述恒流源包括由MOS管构成的电流源电路。

5.根据权利要求1所述的功率探测器，所述功率探测器还包括：

负载电阻，所述负载电阻的一端与所述第二双极型晶体管的集电极连接，另一端接地。

6.根据权利要求5所述的功率探测器，该功率探测器还包括：

误差源，所述误差源与所述负载电阻的接地端串联，用于输出失调电压。

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