CN215005603U - 功率检测器电路及电流反馈环路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种功率检测器电路及电流反馈环路，其结构设计简单，可扩大其检测的功率信号动态范围，其包括大功率检测支路、宽频带低噪声放大器和小功率检测支路，宽频带低噪声放大器的输出端与小功率检测支路的输入端相连，大功率检测支路和小功率检测支路均采用电流反馈环路结构，电流反馈环路结构包括射频电流平方单元、均方根电流平方单元、跨导放大器和缓冲器，跨导放大器的同相输入端、反相输入端分别与射频电流平方单元、均方根电流平方单元的输出端相连，均方根电流平方单元的输入端分别与第一放大器的输出端、缓冲区的输入端相连，缓冲器的输入端与第一放大器的输出端相连，缓冲器的输出端为整个功率检测器的电压输出端。

Description

功率检测器电路及电流反馈环路

技术领域

本实用新型涉及功率检测器技术领域，特别涉及一种基于电流反馈环路的均方根功率检测器电路。

背景技术

随着现代无线通信技术的发展，功率检测器被广泛应用于发射极、接收机等射频应用当中。在发射机中，功率检测器用于检测功率放大器的输出功率和功率自动控制，以满足通信协议要求，同时节省功耗。在接收机中，功率检测器用于实现信号强度指示和自动增益控制，以提升接收信号的动态范围。除此之外，功率检测器还广泛应用于信号幅度调制和解调、内建自测试、六端口测试等系统。

目前常用的功率检测器为均方根功率检测器，由于均方根功率检测器可对信号按照时间进行平均，同时可以精确地测量各种类型的高峰均比动态信号和含噪声信号的均方根功率，因而被广泛应用于射频通讯和测试系统中。但目前常用的均方根功率检测器为单级均方根功率检测器，存在动态范围不足等缺陷，当检测到的发射信号和接收信号功率相差巨大时，均方根功率检测器需要具有相当宽的动态范围来同时满足小功率信号和大功率信号的检测需要。但传统的宽动态范围的均方根功率检测器设计技术无法满足现代集成电路设计的要求，例如，基于焦耳加热的均方根功率检测器，要求复杂的封装工艺，而且易受到衬底耦合过来的临近电路热量的影响，因此不适合于单片集成电路的设计；基于二极管的均方根功率检测器，随温度的漂移较大，需要额外的温度补偿电路，限制了它的使用范围；基于二极管连接的PMOS管作为负载的均方根功率检测器，在测量大功率输入信号时表现出较大的测量误差。

现有技术中提供一种多级均方根功率检测器，可以克服上述单级均方根功率检测器动态范围不足的问题，但现有常用的多级均方根功率检测器为多级衰减器和功率检测器级联结构、或多级增益放大器和功率检测器级联结构，具有多个输出端口，需要复杂的方法来判断哪个输出端可以正确反映输入信号功率。因此，发明一种电路结构简单，可进一步扩大动态范围的多级均方根功率检测器，成为本领域人员亟待解决的问题。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种基于电流反馈环路的功率检测器电路，其电路结构设计简单合理，可扩大其检测的功率信号动态范围。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一方面，本实用新型提供了一种电流反馈环路，其包括均方根电流平方单元、缓冲器，其特征在于，其还包括射频电流平方单元、第一放大器，所述第一放大器的同相输入端、反相输入端分别与所述射频电流平方单元、所述均方根电流平方单元的输出端相连，所述射频电流平方单元的输入端为射频电压信号的输入端，所述均方根电流平方单元的输入端分别与所述第一放大器的输出端、所述缓冲区的输入端相连，所述缓冲器的输入端与所述第一放大器的输出端相连，所述缓冲器的输出端为整个所述功率检测器的电压输出端，所述电源输出端的输出电压为直流电压。

进一步的，所述均方根电流平方单元作为反馈网络，用于接收所述第一放大器输出的反馈电流，转化成平方电流信号，并在其负载上产生平方电压信号，注入到所述第一放大器的反相输入端；所述均方根电流平方单元的电路结构包括三极管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、电阻R₁、R₂、R_e、R_base、Ra、电容C₁；

进一步的，所述射频电流平方单元的电路结构与所述均方根电流平方单元的结构一致，所述射频电流平方单元作为输入阻抗终端，用于将输入的所述射频电压信号转换为平方电流信号并滤波，并在其负载上产生滤波后的平方电压信号，注入到所述第一放大器的同相输入端；

进一步的，所述第一放大器为跨导放大器，所述跨导放大器作为前馈放大器，用于放大所述射频电流平方单元和所述均方根电流平方单元之间的误差信号，并将所述误差信号转换成反馈电流，所述缓冲器用于复制所述反馈电流，并将所述反馈电流转换成电压信号，缓冲后输出，输出的所述直流电压为与输入的所述射频信号功率相对应的均方根电压。所述跨导放大器、缓冲器的电路结构包括三极管Q₆～Q₂₂、电阻R₃～R₁₇。

利用基于上述电流反馈环路的均方根功率检测器进行均方根功率检测，均方根功率信号检测方法包括：将所述射频电流平方单元作为阻抗终端，将输入射频电压信号转化成平方电流信号并滤波，并在其负载上产生滤波后的平方电压信号，注入到所述跨导放大器的同相输入端；

所述均方根电流平方单元与射频电流平方单元、跨导放大器共同构成电流模反馈环路，其中反馈电流经过均方根电流平方单元平方后，在其负载上产生平方电压，注入到所述跨导放大器的反相输入端，当环路建立后，反馈电流即为输入射频信号功率相对应的均方根电流。

所述输出缓冲器，复制电流反馈环路的反馈电流，转换成电压信号，缓冲后输出，即为与输入射频信号功率相对应的均方根电压。

另一方面，本实用新型提供了一种基于所提出的电流反馈环路的均方根功率检测器扩展电路，包括大功率检测支路、小功率检测支路，其特征在于，其还包括第二放大器，所述大功率检测支路的输入端、第二放大器的输入端为功率信号的输入端，所述第二放大器的输出端与所述小功率检测支路的输入端相连，所述大功率检测支路的输出端输出第一电压信号Vout_A，所述小功率检测支路的输出端输出第二电压信号Vout_B，所述大功率检测支路、小功率检测支路均包括电流反馈环路；

所述功率信号包括小功率信号、大功率信号，所述大功率检测支路、小功率检测支路分别用于检测所述功率信号，所述第二放大器用于将所述小功率信号放大。

进一步的，所述大功率检测支路包括第二电容，所述小功率检测支路包括第三电容，所述第一电容的一端与所述功率信号的输入端相连，另一端分别与所述大功率检测支路的输入端、第二放大器的输入端相连，所述第三电容的一端与所述第二放大器的输出端相连，所述第三电容的另一端与所述小功率检测支路的输入端相连。

所述第二放大器为宽频带低噪声放大器，所述宽频带低噪声放大器是一种基于电流-电流反馈和电压-电压反馈的双反馈环路的宽频带低噪声放大器，所述双反馈宽频带低噪声放大器结构包括三极管Q₂₃～Q₂₉、电阻R₁₈～R₂₄。

进一步的，所述小功率信号指功率小于0dBm的信号，所述大功率信号指功率大于0dBm的信号，输入的所述功率信号动态范围为-45dBm至15dBm。

利用上述均方根功率检测器扩展电路实现功率信号检测，功率信号检测方法包括：对于小功率输入信号，即信号功率小于大功率检测支路灵敏度的输入信号，先由宽频带低噪声放大器进行放大，再由小功率检测支路检测；对于大功率输入信号，即信号功率大于大功率检测支路灵敏度的输入信号，则直接由大功率检测支路检测。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果如下：

(1)本实用新型提供了一种宽动态范围均方根功率检测器电路，该功率检测器包括第二放大器，将第二放大器与小功率检测支路连接，可以有效地放大小功率信号，从而使小功率检测支路的输出电压信号扩大，即实现了功率信号的动态范围扩大，进而克服了传统均方根功率检测器动态范围较小、易受温度漂移影响的弱点。

(2)本实用新型基于电流反馈环路，电流反馈环路中的射频电流平方单元、均方根电流平方单元和第一放大器构成级联两级电流反馈环路，将输入射频电压信号转换成均方根电流信号，输出缓冲器将均方根电流信号转换成均方根电压信号输出，以便于功率检测器实现均方根功率检测，第一放大器的设置可使功率检测器的输出均方根电压信号扩大，将其应用于功率检测器时，起到了扩大功率信号动态范围的作用。

(3)本实用新型提供了一种基于电流反馈环路功率检测器电路的扩展电路，扩展电路为两级分段式功率检测结构，该结构不仅包括大功率检测支路，还包括小功率检测支路、与小功率检测支路连接的第二放大器，与传统的多级功率检测方式相比，不仅具有更大的动态范围，而且简化了结构设计简单合理，降低了投入成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是所提出的基于电流反馈环路的均方根功率检测器扩展电路的系统框图；

图2是本实用新型射频电流平方单元的电路原理图；

图3是本实用新型均方根电流平方单元的电路原理图；

图4是本实用新型跨导放大器和输出缓冲器的电路原理图；

图5是本实用新型均方根功率检测器电路的电路原理图；

图6是所提出的射频电流平方单元在在没有信号输入和有信号输入时的状态示意图。

图7是本发明宽频带低噪声放大器的电路原理图。

其中，附图标记包括：1-射频电流平方单元，2-均方根电流平方单元，3-跨导放大器，4-输出缓冲器，5-大功率检测支路，6-宽频带低噪声放大器，7-小功率检测支路。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，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、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实用新型的一个实施例中，提供了一种基于电流反馈环路的均方根功率检测器电路的扩展电路，参见图1，电流反馈环路包括射频电流平方单元1、均方根电流平方单元2、跨导放大器3和缓冲器4。

射频电流平方单元1的输入端为射频电压信号的输入端，输出端与跨导放大器3的同相输入端相连，均方根电流平方单元2的输入端与跨导放大器3的输出端相连，输出端与跨导放大器3的反相输入端相连，均方根电流平方单元2 的输入端和缓冲器4的输入端、跨导放大器3的输出端相连，输出端为整个功率检测器的直流电压输出端。

射频电流平方单元1作为输入阻抗终端，将输入射频电压信号转化成平方电流信号并滤波，并在其负载上产生滤波后的平方电压信号，注入到跨导放大器的同相输入端，射频电流平方单元1电路结构如图2所示，包括Q₁、Q₂、Q₃、 Q₄、Q₅五个三极管，阻值为R₁、R₂、R_e、R_a、R_base的6个电阻，以及电容C₁。

均方根电流平方单元2作为反馈网络，接收跨导放大器3输出的反馈电流，转化成平方电流信号，并在其负载上产生平方电压信号，注入到跨导放大器3 的反相输入端。均方根电流平方单元2电路结构如图3所示，包括Q₁、Q₂、Q₃、 Q₄、Q₅五个三极管，阻值为R₁、R₂、R_e、R_a、R_base的6个电阻。

跨导放大器3作为前馈放大器，用于放大射频电流平方单元1和均方根电流平方单元2之间的误差信号，并转换成反馈电流。输出缓冲器4，用于复制电流反馈环路的反馈电流，并将反馈电流转换成电压信号，缓冲后输出，该电压信号即为与输入射频信号功率相对应的均方根电压。跨导放大器3和输出缓冲器4的电路结构如图4所示，包括Q₆至Q₂₂共17个三极管和R₃至R₁₇共15个电阻。

在本实用新型的一个实施例中，另提供了一种均方根功率检测器电路，参见图5，包括大功率检测支路5、宽频带低噪声放大器6和小功率检测支路7，大功率检测支路5的输入端为射频电压信号的输入端，输出端为动均方根功率检测器的第一个直流电压输出端口V_{OUT_A}(该电压为与输入射频信号功率相对应的均方根电压)，同时与宽频带低噪声放大器6的输入端连接。宽频带低噪声放大器6的输入端与大功率检测支路5的输出端连接，输出端与小功率检测支路7 连接。小功率检测支路7的输入端与宽频带低噪声放大器6的输出端连接，输出端为动态范围扩展电路的第二个直流输出端口V_{OUT_B}(该电压为与输入射频信号功率相对应的均方根电压)。

大功率检测支路5的电路结构与小功率检测支路7的电路结构相同。对于小功率输入信号，即信号功率小于大功率检测支路5灵敏度的输入信号，先由宽频带低噪声放大器6进行放大，再由小功率检测支路7检测；对于大功率输入信号，即信号功率大于大功率检测支路5灵敏度的输入信号，则直接由大功率检测支路5检测。

宽频带低噪声放大器6采用了一种包含电流-电流反馈和电压-电压反馈的双反馈宽频带低噪声放大器结构，由三极管Q₂₃～Q₂₉共7个三极管和电阻R₁₈～R₂₄共7个电阻组成。宽频带低噪声放大器6可以有效地放大小功率信号，而不引入过多的噪声，并且不依赖外部匹配电路，即可实现50欧姆的输入阻抗匹配。

本实用新型提供的基于电流反馈环路的均方根功率检测器电路及其动态范围扩展电路的工作原理如下：

如图1所示，所提出的电流反馈环路均方根功率检测器电路的扩展电路包括一个射频电流平方单元，一个均方根电流平方单元，一个跨导放大器和一个输出缓冲器，可以将输入射频信号功率转换为直流输出电压。

电流平方单元是整个电流反馈环路均方根功率检测器的核心器件，它将输入信号平方并滤波。与射频电流平方单元相比，均方根电流平方单元没有滤波电容C₁并且工作在直流状态。射频电流平方单元的输入阻抗R_{in_det}为:

其中，gm_Q2和gm_Q4分别是三极管Q₂和Q₄的跨导，I₀是三极管Q₁、Q₂、Q₃、 Q₄的静态偏置电流，V_T是三极管的热电压。当静态偏置电流I₀为随绝对温度成正比的电流时，输入阻抗不随温度变化而变化。射频电流平方单元作为一个阻抗终端，将射频输入电压V_rf转换为射频输入电流I_rf，其关系为：

所述射频电流平方单元在没有信号输入和有信号输入时的状态如图6所示。当没有信号输入时，以二极管形式连接的三极管Q₄的基极偏置电压为V₀，Q₁、Q₂的基极电压为V_bias。忽略电阻R_e和R_base上的电压降，由三极管的电压-电流关系可以得到：

Is为三极管的反相饱和电流，当有射频信号输入时，三极管Q₄的基极电压变为V_X，并且流过三极管Q4的电流变为I′，流过三极管Q₂的电流变为I″，于是可以得到如下关系：

I′＝I″+I_rf (7)

由公式(3)到(7)可以得到，输出电流I_OUT、电流增益A_I和平方电流I_SQR分别为：

将公式(10)展开为泰勒级数，可以得到：

公式(11)表明，当|I_rf|＜＜4*I₀时，射频电流平方单元将输入射频电流平方；当|I_rf|＞＞2*I₀时，则对输入射频电流取绝对值，即：

当|I_rf|＞＞2*I₀时，I_SQR≈|I_rf|-2*I₀ (12)

适当地增加电阻R_a可以减小输入电流，从而增加功率检测器可以检测到的最大功率；然而过大的电阻R_a产生的热噪声将会限制功率检测器的灵敏度。事实上选择电阻R_a为500欧姆是不错的选择。三极管Q₅、电阻R₁和电阻R₂构成了有源负载电路，其交流阻抗R_load为

由公式(13)可知，R_load随着输入信号功率的增大而减小，防止V_OUT下降太多而使三极管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄进入饱和区，以及使后级跨导放大器偏离工作区间。电容C₁起到信号滤波的作用，将电流中的高频成分短路到交流地。因此，整个电流反馈环路中只有射频电流平方单元工作在射频频段，极大地减小了对跨导放大器和输出缓冲器的带宽需求，有助于实现低功耗设计。均方根电流平方单元与射频电流平方单元完全对称，并且工作在直流状态，因此可以去掉滤波电容。

如图1所示，整个电流反馈环路均方根功率检测器除了电流平方单元还包括跨导放大器和输出缓冲器，如图3所示。三极管Q₁₂复制反馈电流并在电阻R₁₃上产生均方根电压，经过输出缓冲器缓冲后输出。三极管Q₁₆的作用是补偿均方根电流平方单元的输入压降，使得三极管Q₁₁和Q₁₂的集电极电压相同，从而实现电流的精确复制。当环路建立起来时，跨导放大器的两个输入端具有相同的电压，即：

其中I_back为环路的反馈电流，注入均方根电流平方单元中。公式(14)可以简化为：

选择电阻R₁₃等于输入阻抗R_{in_det}，则均方根输出电压可以表示为：

公式(15)表明所提出的电流反馈环路均方根功率检测器可以对输入射频信号计算真实的均方根功率值。

为了进一步扩展动态范围，本实用新型使用了一种分段式功率检测方法。所提出的两级均方根功率检测结构如图4所示，包括两个电流反馈环路均方根功率检测器和一个宽频带低噪声放大器。宽频带低噪声放大器采用电压-电压和电流-电流双反馈的Meyer放大器结构，可以放大小功率信号而不引入过大的噪声，其输入阻抗R_{in_amp}为50欧姆。整个功率检测器的输入阻抗R_in为：

无需额外的匹配网络即可实现输入阻抗匹配。如图4所示，对于一个射频输入信号，两个通道各产生一个直流输出信号V_{OUT_A}和V_{OUT_B}。与传统的多级均方根功率检测器结构，需要复杂的方法来决定哪一个输出应该被用来估计信号功率不同，所提出的判别方案非常简单。当大功率支路指示的信号功率大于其灵敏度时，V_{OUT_A}被用来指示信号功率，否则V_{OUT_B}被用来指示信号功率。这受益于所提出的电流反馈环路均方根功率检测器的宽动态范围特性，否则需要更多的增益级来扩展动态范围，而每一级都会有相应的直流输出，这就需要更复杂的判决方法来衡量每一级的输出结果。

为了尽可能地扩展动态范围，两路电流反馈环路均方根功率检测器必须具有相同的传输特性。电流反馈环路均方根功率检测器的环路增益对其传输特性具有重要影响。整个电流反馈环路的环路增益为：

其中G_m和V_diff分别为跨导放大器的跨导和输入差分电压。由公式(11)可以看到，静态偏置电流I₀越大，平方律关系允许的最大输入信号功率越大；然而如公式(18)所示，I₀越大，电流反馈环路的环路增益越小，这不仅减小了环路的建立速度，而且使得环路对失配更加敏感。这一现象在在小功率信号输入时尤其明显。如公式(18)所示，环路增益正比于输入差分电压V_diff。当小功率信号输入时，初始V_diff很小，所以环路增益比大功率信号输入时小得多，由失配引起的误差也更明显。对于所提出的两级功率检测结构，如果两路流反馈环路均方根功率检测器的传输函数不匹配，功率检测的动态范围将受到限制。因此，需要谨慎选择I₀的大小，在最大可检测输入功率和环路增益间进行折中。

本实用新型提供的基于电流反馈环路的均方根功率检测电路及其动态范围扩展电路，优选应用于射频接收机和发射机信号链路，可以应用于简单和/或复杂波形的均方根功率测量，基于电流反馈环路的均方根功率检测电路的输入功率信号的动态范围为30dB，均方根功率检测电路的扩展电路的动态范围为 60dB，因此适合测量大动态范围、高峰均比的信号。不仅具有非常宽的动态范围，而且简化了输出信号判别方案。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种功率检测器电路，包括大功率检测支路、小功率检测支路，其特征在于，其还包括第二放大器，所述大功率检测支路的输入端、第二放大器的输入端为功率信号的输入端，所述第二放大器的输出端与所述小功率检测支路的输入端相连，所述大功率检测支路的输出端输出第一电压信号Vout_A，所述小功率检测支路的输出端输出第二电压信号Vout_B，所述大功率检测支路、小功率检测支路均包括电流反馈环路；

所述功率信号包括小功率信号、大功率信号，所述大功率检测支路、小功率检测支路分别用于检测所述功率信号，所述第二放大器用于将所述小功率信号放大。

2.根据权利要求1所述的功率检测器电路，其特征在于，其还包括第一电容，所述大功率检测支路包括第二电容，所述小功率检测支路包括第三电容，所述第一电容的一端与所述功率信号的输入端相连，另一端分别与所述大功率检测支路的输入端、第二放大器的输入端相连，所述第三电容的一端与所述第二放大器的输出端相连，所述第三电容的另一端与所述小功率检测支路的输入端相连。

3.根据权利要求2所述的功率检测器电路，其特征在于，所述第二放大器为宽频带低噪声放大器，所述宽频带低噪声放大器为包含有电流-电流反馈和电压-电压反馈的双反馈宽频带低噪声放大器结构，所述双反馈宽频带低噪声放大器结构包括三极管Q₂₃～Q₂₉、电阻R₁₈～R₂₄。

4.一种用于权利要求1或3所述功率检测器电路的电流反馈环路，其包括均方根电流平方单元、缓冲器，其特征在于，其还包括射频电流平方单元、第一放大器，所述第一放大器的同相输入端、反相输入端分别与所述射频电流平方单元、所述均方根电流平方单元的输出端相连，所述射频电流平方单元的输入端为射频电压信号的输入端，所述均方根电流平方单元的输入端分别与所述第一放大器的输出端、所述缓冲区的输入端相连，所述缓冲器的输入端与所述第一放大器的输出端相连，所述缓冲器的输出端为整个所述功率检测器的电压输出端。

5.根据权利要求4所述的电流反馈环路，其特征在于，所述均方根电流平方单元为反馈网络，所述均方根电流平方单元用于接收所述第一放大器输出的反馈电流，转化成平方电流信号，并在其负载上产生平方电压信号，注入到所述第一放大器的反相输入端，所述均方根电流平方单元的电路结构包括三极管Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅、电阻R₁、R₂、R_e、R_base、Ra、电容C₁。

6.根据权利要求5所述的电流反馈环路，其特征在于，所述射频电流平方单元的电路结构与所述均方根电流平方单元的结构一致，所述射频电流平方单元为输入阻抗终端，所述射频电流平方单元用于将输入的所述射频电压信号转换为平方电流信号并滤波，并在其负载上产生滤波后的平方电压信号，注入到所述第一放大器的同相输入端。

7.根据权利要求6所述的电流反馈环路，其特征在于，所述第一放大器为跨导放大器，所述跨导放大器、缓冲器的电路结构包括三极管Q₁～Q₁₇、电阻R₁～R₁₅，所述跨导放大器作为前馈放大器，用于放大所述射频电流平方单元和所述均方根电流平方单元之间的误差信号，并将所述误差信号转换成反馈电流，所述缓冲器用于复制所述反馈电流，并将所述反馈电流转换成电压信号，缓冲后输出，输出的所述电压为与输入的射频信号功率相对应的均方根电压。

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