CN1169215A - 一种中频放大器以及产生接收信号强度的指示信号的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在蜂窝电话和电信通讯应用中对用于指示接收信号强度的对数放大器的新附加部分通过附加整流器到一中频放大器的输入端来扩展信号强度曲线的大信号范围，却不降低其噪声系数或阻抗特性。这种对对数放大器的新附加部分输出的信号与到达该对数放大器的输入信号线性相关。

Description

一种中频放大器以及产生接收信号 强度的指示信号的方法
本发明涉及在蜂窝电话和电信通讯中用于接收信号强度指示(RSSI)的对数(log)放大器，特别涉及通过附加整流器到第一中频放大器(IF)的输入端扩展信号强度曲线的大信号范围，然而不降低该对数放大器的噪声系数或阻抗特性的用于RSSI的对数放大器。
一个有一级间滤波器的五级中频(IF)放大器接收一个输入模拟信号，对所接收的输入模拟信号产生增益，并将接收的输入模拟信号进行放大输出作为模拟输出信号。上述具有一级间滤波器的五级中频(IF)放大器使用五个放大器来产生增益，每个放大器相应五级之一级。此外，具有一级间滤波器的五级中频(IF)放大器确定了接收到的输入模拟信号的信号强度，并输出接收信号强度指示(RSSI)信号。
可用不同的方法实施一个五级中频(IF)放大器。具有一级间滤波器的五级中频(IF)放大器的一个例子在1994年8月16日，1994年3月22日分别授于Fotowat-Ahmady等的美国专利US/5,338,985，US/5,296,761中描述。
图1表示普通的具有一级间滤波器和对数信号电平检测器的五级中频(IF)放大器10的一个例子的方块图。在图1的具有一级间滤波器和对数信号检测器的五级中频(IF)放大器中，普通的限幅器/放大器12，14，18，20和22彼此串联连接，从而形成五级。此外带通滤波器16串联连接在放大器14和18之间。放大器12，14，18，20和22以每级增益为20(db)的五级放大器增加输入端1的输入信号的强度，因此对进入输入端1的输入信号总共产生100db的增益。带通滤波器16滤除来自输入端1的低频和高频分量。输入端1的信号从五级限幅/放大器12，14，18，20和22输出作为模拟信号输出。
图1还指出，放大器12和14的第二输出传送到“加权系数和整流”电路21。此外放大器18，20和22的第二输出传送到“加权系数和整流”电路23。上述“加权系数和整流”电路21调整放大器12和14的第二输出的值，以补偿由滤波器16引起的带内信号的损失。
接着“加权系数和整流”电路21将模拟信号irec1输出到温度校正电路28。美国专利USA5,338,985公开了上述功能的具体实施的例子。“加权系数和整流”电路21连接到校正irec1上的温度影响的温度校正电路28。温度校正电路28输出其值与温度变化无关的电流ICOR1。温度校正电路28的传输函数是IF/RIptat。Iptat称为“PTAT”电流并且是由一个电流源(图1中未示)产生的电流，并与绝对温度成正比；因此，温度增加，Iptat增加。IF是由其电流相对温度不改变的电流源(图1未示)产生的一个固定电流。Irec1通过温度校正电路28和上述传输函数相乘。因此，温度校正电路28将信号Irec1转换到随温度改变而保持相对固定的一个信号。在Fotowat-Ahmady等的美国专利USA5,338,985和5,296,761中提供了温度校正电路的例子。
同样，放大器18，20和22每个的第二输出输入到“加权系数和整流”电路23。“加权系数和整流”电路23分别调整放大器18，20和22每个的第二输出端的值，对放大器18，20，和22的上述第二输出端的直流分量进行全波整流并加以输出。接着“加权系数和整流”电路23将模拟信号irec2输出到温度校正电路30。温度校正电路30对irec2所起的作用与温度校正电路28对irec1所起的作用相同。温度校正电路30输出信号ICOR2。
如图1所示，ICOR1和ICOR2每个都输入到转换器32。转换器32将ICOR1和ICOR2相加。然后将累积电流转换成一个电压，该电压就是接收信号强度指示(RSSI)信号。经转换器32之后它输出接收信号强度指示(RSSI)信号。RSSI信号是一个电压，其值与输入端1的信号强度的对数相关。该RSSI信号指示从一个基站接收的信号强度，并例如用于确定何时转换单元间蜂窝电话的呼叫。
图2表示具有一个级间滤波器和对数信号电平检测器的五级中频(IF)放大器10的一个放大器18的例子。
如图2所示，放大器级18放大，而“加权系数和整流”电路23全波整流并提取正比于输入信号Vin的幅度的直流分量。作为Vin的一个例子是输入到图1放大器18的输入信号F01。而作为Vout的一个例子是图1的信号A03。
在图2中，当输入到放大级18的同相(+)信号比反相输入(-)信号正得多时，npn晶体管Q1p导通，Vout的同相输出(+)比反相输出Vout正的不多。另外，当输入到放大级23的反向(-)输入比同相输入(+)正得多时，npn晶体管Q2p导通，Vout的反相输出(-)比同相(+)输出更正。
此外，如图2所示，当同相(+)输入Vin比加权和整流电路18中反相输入晶体管Q3p更正时接通电容器C1并对其充电，该电容器连接到晶体管Q3p的发射极，并充到在Q3p的发射极上出现的信号的峰值。
对于一个给定的输入信号，图1所示五级IF放大器10的有用的动态范围从约每毫瓦-100分贝(dbm)到-20dbm。
图3为图1五级IF放大器的RSSI响应的曲线。如图3所示，当输入端1的信号强度的幅度处于-120和-100dbm之间时，RSSI信号为100毫伏(mv)。而当输入端1的信号强度的幅度处于-100dbm和接近-20dbm之间时，RSSI电压对输入端1的信号强度的幅度的对数是线性相关的具有固定的斜率。但是，当输入端1的信号强度再增加，RSSI响应的斜率将开始下降。此外，如果输入端1的信号强度的幅度增加到-20dbm时，RSSI响应的斜率下降到0。在-20dbm之后，RSSI开始下降。
然而，与此有关的技术将遭遇到动态范围受到限制的问题。如果输入端1的输入信号过大，RSSI信号与输入信号并不相关。
本发明的目的在于增加具有一个级间滤波器和对数信号电平检测器的五级IF放大器(也称作为五级IF放大器)的有用的动态范围，作为一个例子，在动态范围的高端接近10dB。
本发明的另一目的在于在适当的温度和工艺过程补偿的情况下增加有用的动态范围。
本发明附加的目的在于在放大输入信号之前在五级IF放大器的输入端上附加一个整流器电路。
如上所述，本发明是在温度和工艺过程补偿情况下扩展普通对数放大器的动态范围。本发明通过以下称作为“高端线性响应电路”的一种整流器结构检测出输入到普通限幅器/放大器的甚大的信号分量。上述整流器电路已成为有功能的，本发明的这个高端线性响应电路成为有功能的，由此在普通对数检测器输出的幅度动态范围的高端增加了接收信号强度指示(RSSI)信号。该整流结构在对限幅器/放大器电路噪声系数考虑最敏感的中频放大器部分对输入信号进行整流。
按本发明的整流器结构，如下面所描述的那样，在增益由限幅器/放大器加到输入信号之前，输入信号被“整流”。输入信号的直流电平以及“被整流”的信号加上该输入信号的直流电平被位移并进行峰值检测。然后确定上述信号间的电压差，这个电压差正比于输入信号的幅度。该电压差转换到一个电流，之后通过一个转换器这个电流被附加到上述温度校正电流，之后转换器输出接收信号强度指示(RSSI)信号作为一个电压值。因此按本发明，对于甚大的信号，该接收信号强度指示(RSSI)信号和输入信号成线性关系。由于本发明的高端线性响应电路与上述IpTAT无关，所以本发明无需温度补偿。因此，本发明的高端线性响应电路的“被整流”输出的加权是同该“被整流”的输出的电压-电流转换相结合的。之后本发明在动态范围高端比普通限幅器/放大器的电路的RSSI信号扩展大于10dB。
这些同其他将是更明显的目的和优点一起归属于下面更充分地描述和权利要求的结构和操作的详细说明，并参照形成本文部分的附图，其中相同的号码被认为是相同的部分。
以下结合附图说明本发明的细节，其中：
图1是现有技术的五级IF放大器电路的方块图；
图2是现有技术的五级IF放大器电路中的放大器级的电路图；
图3是现有技术的五级IF放大器的RSSI响应的曲线；
图4是按本发明的一个五级IF放大器的方块图；
图5a是使用在放大器输入端的一个标准的全波整流器/峰值检测器的图；
图5b是使用在本发明中的一种原理电路图；
图6是本发明的五级IF放大器的RSSI响应的曲线；
图7是按本发明的一种全波整流器的实施的电路图；
图8是按本发明的差分峰值检测器和电压-电流转换器的电路图；以及
图9是附加本发明的差分峰值检测器输出端的电路图以便产生RSSI。
图4表示本发明的具有一个级间滤波器和对数信号电平检测器的五级IF放大器34。如在图4中所示那样，具有一个级间滤波器和对数信号电平检测器的五级IF放大器34包括放大器12-22，带通滤波器16，加权系数和整流电路24和25，温度校正电路28和30，转换器32，这些都是在先加以描述的。本发明包括高端线性响应电路36。
对于甚大的信号，通过高端线性响应电路36输入到对数放大器12，接着通过加权系数和有功效的整流电路24和25之后，本发明的高端线性响应电路36是有功能的。当本发明的高端线性响应电路36起作用时，在输入端1的输入信号的高端该高端线性响应电路36增加五级IF对数放大器电路34的动态范围，因为对该输入信号强度扩展了RSSI信号的线性响应曲线。
如图4所示那样，高端线性响应电路34接到放大器12的输入端，由此接收输入端1的信号。高端线性响应电路36包括接收输入端1的信号并连接到放大器12的整流器电路38。高端线性响应电路36还包括在图8中表示的并在以下将详细描述的差分峰值检测电路40。差分峰值检测器电路40连接到整流器电路38的输出端，并对转换器32提供一个输入。
在本发明中，高端线性响应电路36输出一个输出信号ILin，该输出信号对输入端1具有线性响应，从而在放大输入端1的信号之前在五级IF放大器34的输入端附加了一个整流器电路并对五级IF放大器电路34产生在-100dbm和0dbm之间的有用的动态范围、如图4中所示的那样，输入端1的信号由整流器电路38接收。
图5a表示普通全波整流器电路的一个实施例。如图5a所示那样，由于二极管D1和D2直接配置在输入端(Vin)，二极管D1和D2能够对包括晶体管Q1和Q2的第一级的噪声和输入阻抗产生影响。
图5b说明本发明的整流器电路38的原理。如图5b所示，负载电阻R1，R2和R3一起连接到Vcc。在一优选实施例中，如以下有关图7所描述的那样，负载电阻R1，R2和R3每一个都可能是指定电阻值和有源负载的结合。如图5b所示，电阻R1接到npn晶体管Q1的收集极，电阻R2接到npn晶体管Q2的收集极，以及电阻R3接到每个npn晶体管Q3和npn晶体管Q4的收集极。npn晶体管Q1的基极接到为输入端1的Vin。npn晶体管Q2的基极接到通过电容C2接地的npn晶体管Q3的基极。npn晶体管Q1的发射极接到npn晶体管Q2的发射极，其连接点产生RSSI0。npn晶体管Q3的发射极连接到npn晶体管Q4的发射极，其叠加的连接点产生RSSI10。如下面将描述的那样，RSSI0是输入端1的信号的全波整流波形，并包括其交流和直流分量；此外，RSSI10是输入端1的信号的“模仿”全波整流波形的输出，因此只包括其直流分量。
按图5b，当Vin变为正时，Q1导通，其电流量增加。如果Q1偏置增加，可能全部电流流向Q1，而无电流流向Q2。当Q1的基极电压增加时，Q1的发射极将跟随Q1基极的电压。当Q2基极上的电压比Q1基极上的电压大时对Q2将出现同样的效果。因此，起放大器作用的Q1和Q2，在其公共发射极端还起一个整流器的作用。12和13是固定的，正比于在普通偏置产生器(未示)中形成的温度电流源。
图7为本发明的整流器电路38的优选实施例的详细电路图。图5b表示简化的整流器电路38。图7中所示的晶体管，电阻，和电容器都是普通元件并如所描述的那样连接。现在参照图7，输入端1用作输入Vin。Vin连接到npn晶体管Q1的基极。晶体管Q1和Q2包括一个差分对放大器。Q1的基极由偏置网络1偏置，而Q2的基极由偏置网络2偏置。此外Q2的基极对交流信号通过电容器C2旁路到地。Q91和Q92是共射共基晶体管，用于改善由Q1和Q2形成的增益级的带宽。Vref1和Vref2是由普通参考发生器(未示)提供的直流偏置源，该参考发生器产生上述直流偏置。Q91的收集极和Q92的收集极是该放大器的输出。I1级的偏置电流是PTAT(正比于绝对温度)电流源，用于补偿I1级的增益。晶体管Q11和Q12有效地起到低阻抗电压源的作用并使在Q1-Q2放大器级的每个输出分支中的电流在每个Q1和Q2的收集极中检测出来，而不干扰Q1-Q2放大器级的工作。在整流后电流RSSI1和RSSI11相加并在RSSI电路中进行处理，以便产生接收信号强度指示信号。
包括放大器Q3和Q4，Q93和Q94，以及Q15和Q16的这一级，除Q3和Q4的每个基极通过电容器C2旁路到地之外是Q1-Q2放大器级的复制品。因此Q3-Q4级是起对RSSI电流产生偏置参考的“模仿”级的作用。R型模仿(Rdummy)是用于RSSI1和RSSI11信号的一个参考电流。类似地，RSSI10是用于RSSI0的一个参考电压。Q1和Q2的共公发射极起输出偏置和被整流信号的整流器的作用。而Q3-Q4的共公发射极只输出偏置信号。从RSSI10减去输出RSSI0将得到信号强度。图7详细表示本发明的整流器电路38，它是一个全波整流器。现在参照图7，整流器电路38输出信号RSSI0和RSSI10到差分峰值检测器电路40。RSSI0是包括输入端1的信号的直流分量的全波整流波形。RSSI10是输入端1的信号的直流分量的全波整流波形。RSSI10用于跟踪RSSI0的直流分量，并称为“模仿”参考发生器。RSSI0和RSSI10每个都具有同样的直流分量，但RSSI10不具有交流分量。Q和Q2也起输入放大器作用。差分峰值检测器电路40除电平偏移外检测被整流信号的峰值并还将输入电压RSSI0和RSSI10转换到正比于该电压差的一个输出电流。之后该电压差被转换到一个电流Ilin，该电流输出到转换器32。
如图4所示，之后转换器32将ILin以及由温度校正电路38和温度校正电路32输出的输入电流转换到输出电压RSSI。当输入端1的信号强度处于接近-20dbm-0dbm范围时，图4的RSSI对输入端1的信号呈现线性响应。
如上所述，由于本发明的高端线性响应电路36与“PTAT”电路无关，所以不要求对“PTAT”电流进行补偿。因此，在本发明中，“加权”输入信号的功能是与差分峰值检测电路40中的上述电压-电流转换相配合的。因此，高端线性响应电路36扩展具有一个级间滤波器和对数信号电平检测器的五级IF放大器34的RSSI在输入信号幅度的高端超过10db。
图6是本发明的五级IF放大器34的RSSI响应曲线。如图6所示，当输入端1的信号强度的幅度处在-120度和-100dbm之间时，RSSI信号是100mv。当输入端1的信号强度的幅度处在-100dbm和接近0dbm时，RSSI电压对输入端1的信号强度的幅度的对数成线性关系。直到输入端1的信号强度的幅度接近0dbm，RSSI响应开始下降并偏离与幅度的对数的线性关系。因此，如图6所示，本发明扩展了有用的动态范围，尽管输入端1信号的幅度增加到接近0dbm。
图8是差分峰值检测电路40的优选实施例的电路图。上述减法在图8所示的差分峰值检测电路40中进行。如图8所示，输入RSSI0和RSSI10馈送到非常对称的电路。RSSI0馈送到晶体管Q5的基极，而RSSI10馈送到晶体管Q6的基极。晶体管QS51和QS61电平向上偏移信号一个二极管电压降。QS58和QS57是发射极跟随器，它由很小的电流IBLD5和IBLD6加偏置。
电容器CS4和CS3由来自QS58和QS57的发射极的正信号充电。由于电容器CS4和CS3的放电路径受小电流IBLD5和IBLD6以及QS60和QS59的基极电流的限制，电容器CS4和CS3保持用输入信号的正常值进行充电；因此，电容器CS4和CS3都是峰值检测器。这样，信号RSSI0和RSSI10的正峰值被检测并分别储存在电容器CS4和CS3上。
包括QS60和QS59的这级是差分电压-电流转换器。任何在QS60和QS59基极上的电压差都在电阻R27上转换到一个电流。选择偏置(I0)和电阻R27的值使得通过R27的电流与QS60和QS59基极间的输入差成正比。在由接收器电路接收大信号的情况下，QS60的基极电压将增加，导致QS60收集极电流增加，而QS59收集极电流下降。电流镜包括晶体管QS55，QS56，而QS66将使QS55的收集极的电流等于QS59的收集极的电流。在QS60的收集极中的过量的电流必须从ILin分支引导出去。QS60中过量的电流准确地正比于接收信号的峰值并等于接收信号的信号强度。
图9表示转换器32的优选实施例，并且表示将ILin加到转换器32中的Icor1和Icor2的系统具体电路。转换器32将电流ILin，Icor1，以及Icor2加在一起，并转换总电流到输出电压RSSI。
如图9所示，pnp晶体管QS47，QS48，以及QS49形成一个电流镜。因此，从Vcc通过发射极到pnp晶体管QS47收集极流动的电流值和从Vcc通过发射极到pnp晶体管QS48收集极流动的电流值是相同的。因此，当ILin的值随着Icor1和Icor2增加时，晶体管QS48收集极中的电流值增加，并使电流流进电阻R26，从而在电阻R26两端产生一个电压降，这个电压降就是RSSI。在优选实施例中，电阻R26为82KΩ。
因此，如图8和图9所示，npn晶体管59和60将在npn晶体管59和60基极上的直流电压差转换成加到pnp晶体管QS47收集极中的电流ILin。由于本发明的整流器电路与“PTAT”电流无关，所以不需要对“PTAT”电流进行补偿，从而使“加权”功能同电压-电流转换相结合，由此对输入信号扩展线性RSSI响应在输入信号幅度的高端超过10db。
本发明并不局限于上述实施例，还包括其改型。

Claims (9)

1.一种中频放大器，接收一个输入信号，输出一个输出信号，所说IF放大器包括：
放大器装置，用于接收输入信号，放大该输入信号成为放大的输入信号，用于加权该被放大的输入信号成一个被加权的信号，用于将该被加权的信号整流成一个被整流的信号，用于因温度影响而将该被整流的信号校正成一个被校正的信号，以及用于输出该被校正的信号；
一线性响应电路，接收输入信号，并输出与输入信号线性相关的线性响应信号；以及
一转换器电路，连接到该线性响应电路和放大器装置，将被校正的信号和线性响应信号加在一起产生一个强度指示信号，以及用于根据强度指示信号输出接收信号强度指示信号。
2.根据权利要求1的中频放大器，其中线性响应电路包括：
一整流器电路，接收输入信号，输出具有第一直流分量和第一交流分量的第一信号，以及具有第二直流分量的第二信号，所说第一直流分量等于所说第二直流分量；以及
一差分峰值检测电路，连接到整流器电路，用于接收第一信号和第二信号，并用于将该第一信号和第二信号转换成线性响应信号。
3.根据权利要求2的中频放大器，其中差分峰值检测电路包括：
第一峰值检测装置，用于检测第一信号的第一峰值；
第二峰值检测装置，用于检测第二信号的第二峰值；以及
用于确定在正比于输入信号幅度的第一峰值和第二峰值之间峰值差、并用于根据该峰值差产生线性响应信号的装置。
4.根据权利要求2的中频放大器，其中整流器电路包括根据输入信号产生第一信号的第一电流镜以及根据输入信号产生第二信号的第二电流镜。
5.根据权利要求1的中频放大器，其中被校正信号的动态范围与在-120dbm和-10dbm之间的输入信号的幅度线性相关，以及线性响应信号的动态范围与在-10dbm和0dbm之间的输入信号的幅度线性相关。
6.根据权利要求2的中频放大器，其中转换器包括：
一电流镜，接收线性响应信号，将该线性响应信号加到被校正的信号，并产生一个相加的信号，以及
一电阻，连接到该电流镜，并根据该相加的信号产生与输入信号幅度线性相关的电压。
7.一种产生与输入信号的信号强度线性相关的接收信号强度指示信号的方法，所说方法包括步骤：
(a)接收输入信号，整流但不放大该输入信号，产生与输入信号成线性的线性响应信号；
(b)放大该输入信号产生一个被放大的信号，整流该被放大的信号，产生被整流和被放大的信号，因温度影响而校正该被整流和被放大的信号，产生温度校正的信号；以及
(c)将该线性响应信号和该温度校正的信号加在一起产生相加信号，并将相加信号转换到与输入信号的信号强度线性相关的一个电压。
8.根据权利要求7所述的方法，其中步骤(b)还包括因温度变化而校正该被整流和放大信号的步骤(b-1)。
9.根据权利要求7的方法，其中被校正信号的动态范围与在-120dbm和-10dbm之间的输入信号的幅度线性相关，以及线性响应信号的动态范围与在-10dbm和0dbm之间的输入信号的幅度线性相关。
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