DE112009001238B9 - RMS-Detektor mit automatischer Verstärkungsregelung - Google Patents

Abstract

RMS-Detektor (1410), umfassend:eine erste variable Verstärkungsstufe (220), gekoppelt zum Empfangen eines Eingangssignals (210), welche eine erste variable Verstärkung des Eingangssignals (210) bewirkt, was ein konstantes erstes Ausgangssignal (225) erzwingt;eine Quadrierstufe (230), gekoppelt zum Empfangen des konstanten ersten Ausgangssignals (225), welche ein quadriertes Ausgangssignal (235) des konstanten ersten Ausgangssignals (225) erzeugt;eine Mittelwertbildungsstufe (240), gekoppelt zum Empfangen des quadrierten Ausgangssignals (235), welche ein gemitteltes, quadriertes Ausgangssignal (245) über einen ersten Zeitraum erzeugt;eine Rückführschleife (250), gekoppelt zum Empfangen des gemittelten, quadrierten Ausgangssignals (245), welche einen ersten Verstärkungswert an der ersten variablen Verstärkungsstufe (220) anpasst; undeine zweite variable Verstärkungsstufe (270), gekoppelt mit der Rückführschleife (250), welche eine zweite variable Verstärkung relativ zu einem zweiten Verstärkungswert anpasst, und welche ein RMS-Ausgangssignal (275) erzeugt, das repräsentativ ist für einen RMS-Effektivwert des Eingangssignals (210).

Description

• GEBIET DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Effektivwert-Detektoren (im Folgenden „RMS“-Detektoren), und insbesondere die Implementierung eines True-RMS-Detektors, welcher mehrere variable Verstärkungsregelungsstufen umfasst, die eine automatische Regelung der variablen Verstärkung verwenden, mit Bezug auf Änderungen eines HF-Eingangssignals.
• ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
• Verschiedene Aufbauformen und Verfahren stehen für die Detektion und das Messen von Spannung und/oder Leistung an einem Hochfrequenz-„HF“-Signal zur Verfügung. RMS-Messung ist ein Beispiel eines Verfahrens zum Messen und Quantifizieren eines Leistungs- und Spannungspegels über einen vollständigen Zyklus eines Sinussignals. In zahlreichen Fällen wird RMS-Messung gegenüber Spitzenwertmessung der Vorzug gegeben, da es sich dabei um eine genauere Messung der HF-Leistung an einem Wechselstrom- oder Wechselspannungssignal handelt.
• RMS-Detektoren arbeiten mit einem Quadrieren eines Eingangssignals, wobei sie einen Mittelwert des quadrierten Signals über einen Zeitraum an dem Signal herstellen und danach die Quadratwurzel aus diesem Mittelwert berechnen. 1 zeigt einen beispielhaften RMS-Detektor des Standes der Technik, welcher eine RMS-Spannung eines eingehenden Signals misst. Das eingehende Signal 110 wird an einem Eingang an einem Spannungsquadrierer 120 empfangen, welcher das Signal 110 quadriert. Abhängig von der Gestaltung des Detektors kann der Quadrierer 120 das Signal auch um einen Skalierungsfaktor (K) skalieren und eine Ausgangsspannung (V₁) 125 erzeugen. Hier ist wichtig, anzumerken, dass die Spannungsausschläge an der Ausgangsspannung (V₁) 125 in Beziehung stehen zu dem quadrierten Wert der Spannungsausschläge an dem Eingangssignal 110, wie unten gezeigt. $${\text{V}}_1={\text{KV}}_{\text{i}}^2$$

  
• Auf Grund der Quadrierfunktion des Quadrierers 120 werden Spannungsschwankungen an dem Eingangssignal 110 hoch verstärkt, und sie können zu sehr großen Schwankungen der Ausgangsspannung (V₁) 125 des Quadrierers führen. Diese großen Spannungsschwankungen an der Ausgangsspannung (V₁) 125 des Quadrierers können bedeutende Probleme des Rausch-Offset am unteren Ende des Signals und Probleme der Übersteuerung am oberen Ende des Signals erzeugen. Entsprechend kann ein Quadrierer gezwungen sein, außerhalb seines Quadrierbereichs zu arbeiten, was nämlich die Ausgangsspannung 125 an dem oberen Ende des Signals abschneiden kann, sowie bewirken, dass der Quadrierer seine Quadrierfunktionalität verliert und eine Verzerrung an dem quadrierten Signal erzeugt, in Antwort auf bestimmte Eingangssignale und Modulationsschemen.
• Die Ausgangsspannung (V₁) 125 des Quadrierers und die Verzerrungen in derselben werden für eine RC-Schaltung 130 bereitgestellt, welche diese Ausgangsspannung 125 über einen bestimmten Zyklus des Signals mittelt. Dieser Durchschnitt oder Mittelwert (V₂) 135 der Ausgangsspannung des Quadrierers (V₁) 125 ist unten gezeigt: $${\text{V}}_2=\text{K}\overline{{\text{V}}_{\text{i}}^2}$$

  
• Dieser Mittelwert (V₂) 135 wird als ein erstes Eingangssignal an einem Verstärkungsblock 140 bereitgestellt, welcher über einen Quadratwurzel-Berechner 150 gekoppelt ist. Das Ausgangssignal (V₃) 155 des Quadratwurzel-Berechners 150 wird als zweites Eingangssignal an den Verstärkungsblock 140 bereitgestellt. Dieser Verstärkungsblock 140 bringt nämlich das Ausgangssignal (V₃) 155 des Quadratwurzel-Berechners dazu, dem Mittelwert (V₂) 135 gleich zu sein. Entsprechend ist dieses Ausgangssignal (V₃) 155 an dem Quadratwurzel-Berechner 150 definiert als: $${\text{V}}_3={\text{KV}}_{\text{o}}^2={\text{V}}_2=\text{K}\overline{{\text{V}}_{\text{i}}^2}$$

  
• Diese Beziehung zwischen dem Ausgangssignal (V₃) 155 des Quadratwurzel-Berechners und dem Mittelwert (V₂) 135 führt zu einem Ausgangssignal des Verstärkungsblocks 140, welches der RMS-Wert des Eingangssignals 110 ist, definiert als: $${\text{V}}_{\text{o}}=\sqrt{\overline{{\text{V}}_{\text{i}}^2}}$$

  
• Wie oben beschrieben, ist der RMS-Detektor in 1 in der Art der Signale limitiert, die er zufriedenstellend verarbeiten kann. Diese Limitierung verhindert, dass diese Art von RMS-Detektor in gewissen Arten von Kommunikationssystemen, welche Modulationsschemen verwenden, die einen großen Wert eines Verhältnisses Spitzenwert zu Mittelwert erzeugen, zufriedenstellend funktioniert.
• Was daher erforderlich wird, ist ein RMS-Detektor, der geeignet ist, innerhalb diverser Arten von Kommunikationssystemen zu funktionieren, einschließlich in jenen Systemen, die Modulationsschemen an einem Signal verwenden, die einen großen Wert eines Verhältnisses Spitzenwert zu Mittelwert erzeugen.
• Für die vorliegende Erfindung relevante Offenbarungen sind beispielsweise in den folgenden Schriften zu finden: Die EP 1 595 331 B1 beschreibt ein Verfahren zur Verringerung der Übertragungsfunktionswelligkeit in einem logarithmischen RMS-zu-Gleichstrom-Wandler. Die Schrift offenbart außerdem einen RMS-zu-Gleichstrom- Wandler mit einem Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor. Die US 6,348,829 B1 beschreibt ebenfalls einen RMS-zu-Gleichstrom-Wandler mit einer Detektoreinheit mit einem anpassbarem Skalierungsfaktor. Auch die DE 600 11 138 T2 offenbart einen RMS-zu-Gleichstrom-Wandler mit Verstärkungsstufen mit variablen Gewichtskoeffizienten, wobei dynamisch gewichtete Ausgangssignale aufsummiert werden. Die DE 699 22 592 T2 offenbart ein Verfahren zum Messen von Effektivwerten zeitvariabler Spannungen, wobei auch hier ein RMS-zu-Gleichstrom-Wandler mit einem Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor verwendet wird.
• KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen Systeme, Vorrichtungen und Verfahren bereit zum Messen des RMS-Werts eines Spannungssignals oder eines Stromsignals. Der RMS-Detektor verwendet mehrere variable Verstärkungsstufen und interne Verstärkungsregelung, um eine RMS-Ausgangsspannung oder einen RMS-Ausgangsstrom zu erzeugen, in Beziehung zu einem HF-Eingangssignal. Dieser RMS-Detektor reduziert die Spannungsausschläge oder die Stromausschläge, welche an Quadrierern in RMS-Detektoren des Standes der Technik zu finden sind, signifikant, und er verringert die Abhängigkeit des Detektors von Rausch-Offsets bei niedrigen Signalpegeln und von Übersteuerungsverzerrung bei hohen Signalpegeln. Diese Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbessern nämlich die Genauigkeit des RMS-Detektors innerhalb weiter dynamischer Signalbereiche, indem sie verhindern, dass ein Quadrierer in der Sättigung oder außerhalb des Quadrierbereichs arbeitet, und indem sie Verzerrungen vermeiden, die dadurch verursacht würden. Entsprechend sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet, RMS-Werte an einem Signal genauer zu messen, über relativ höhere Spannungsbereiche oder Strombereiche zu arbeiten, und in den diversen Signalmodulationsschemen exakt zu funktionieren.
• In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung wird ein HF-Signal für einen HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor bereitgestellt, welcher eine variable Verstärkung des HF-Signals bewirkt, was ein Ausgangssignal dazu bringt, konstant oder annähernd konstant zu sein. Dieses konstante Ausgangssignal kann verstärkt werden, derart, dass das resultierende Signal in einen bevorzugten Quadrierbereich des Quadrierers fällt, welcher das Ausgangssignal quadriert. Das quadrierte Ausgangssignal wird über einen Zeitraum gemittelt, was ein gemitteltes, quadriertes Ausgangssignal ergibt, das ebenfalls dazu gebracht wird, konstant zu bleiben. Ein Verstärkungsblock bringt dieses gemittelte, quadrierte Ausgangssignal dazu, einer Referenzspannung gleich zu sein, durch Erzeugen eines Ausgangssignals, welches dazu verwendet wird, eine erste Verstärkungsanpassung an dem HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor auszuführen, wobei nämlich eine Rückführschleife entsteht, welche die Verstärkung an dem HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor relativ zu Spannungsänderungen an dem HF-Signal ändert.
• Eine zweite Verstärkungsanpassung wird aus dem Ausgangssignal des Verstärkerblocks erzeugt, welches die Verstärkung an einem DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor steuert. Diese zweite Verstärkungsanpassung steht auch in einer Beziehung zu Änderungen des Signalpegels des HF-Signals. Das Ausgangssignal des DC-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor wird ebenfalls dazu gebracht, eine Konstante zu bleiben, mittels dieser zweiten Verstärkungsanpassung, und es wird an einem Eingang eines zweiten Verstärkungsblocks bereitgestellt. Der zweite Verstärkungsblock bringt das Ausgangssignal an dem DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor dazu, einer Referenzspannung gleich zu sein, durch Ausgeben des Signals an eine Rückführschleife, welche an einem Eingang des DC-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor bereitgestellt ist. Dieses Ausgangssignal aus dem zweiten Verstärkungsblock ist proportional zu einer RMS-Spannung des HF-Signals, und es kann in gewissen Ausführungsformen der Erfindung skaliert werden, um die True-RMS-Spannung des HF-Signals zu identifizieren.
• In weiteren Ausführungsformen der Erfindung verwendet ein RMS-Detektor Strom-Operationen, welche dieselben Verstärkungs-Anpassungssignale an einem HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor und an einem DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor definieren, um ein Signal zu erzeugen, aus welchem eine True-RMS-Spannung definiert werden kann. In diesen Ausführungsformen werden die großen Signalausschläge in dem Quadrierer signifikant reduziert, durch Bringen des Signalpegels am Ausgang der Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor, des Quadrierers und des Mittlers auf konstante Werte, selbst dann, wenn der Pegel des HF-Eingangssignals einen weiten Bereich von Werten annehmen kann.
• In weiteren Ausführungsformen der Erfindung umfassen Komponenten und Module innerhalb von Ausführungsformen des RMS-Detektors neue und nicht sofort offensichtliche Formen und Funktionalitäten, was die Leistung und den Betrieb derselben verbessert.
• Bestimmte Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind in diesem zusammenfassenden Abschnitt allgemein beschrieben; allerdings sind zusätzliche Merkmale, Vorteile und Ausführungsformen in dieser Schrift dargestellt, oder sie werden in Fachkreisen ersichtlich sein, bei Kenntnisnahme von den Zeichnungen, der Beschreibung und den Ansprüchen dieser Erfindung. Entsprechend versteht sich, dass der Schutzbereich der Erfindung durch die besonderen Ausführungsformen, die in diesem zusammenfassenden Abschnitt offenbart sind, nicht eingeschränkt sein soll.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Hier ist Bezug zu nehmen auf Ausführungsformen der Erfindung, wobei Beispiele derselben in den beigefügten Figuren gezeigt sein können. Diese Figuren sollen illustrativen Charakter haben und nicht einschränken. Wenngleich die Erfindung im Allgemeinen im Kontext dieser Ausführungsformen beschrieben ist, versteht sich von selbst, dass das nicht den Schutzbereich der Erfindung auf diese konkreten Ausführungsformen limitieren soll.
• Figur („Fig.“) 1 illustriert einen RMS-Detektor des Standes der Technik, in welchem potentiell große Spannungs- oder Stromausschläge auftreten können, wenn der Pegel des HF-Eingangssignals einen weiten Bereich von Werten annimmt.
• 2 ist eine allgemeine Illustration eines RMS-Detektors gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
• 3A ist ein Blockdiagramm eines RMS-Spannungsdetektors gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
• 3B ist ein Blockdiagramm eines weiteren RMS-Spannungsdetektors gemäß verschiedenen weiteren Ausführungsformen der Erfindung.
• 4 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines RMS-Detektors gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
• 5 ist ein Schaltplan eines Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
• 6 ist ein Schaltplan eines Verstärkers mit festem Verstärkungsfaktor gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
• 7 ist ein beispielhafter Quadrierer gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
• 8 ist ein Schaltplan einer Regelschleife für einen HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
• 9A und 9B sind Schaltpläne beispielhafter Stromquellen, welche in einem HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor verwendet werden können, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
• 10 ist ein DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
• 11 ist ein Schaltplan eines DC-Puffers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
• 12 ist ein beispielhafter Logarithmierverstärker gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
• 13 zeigt eine beispielhafte Schaltung eines Puffers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
• 14 zeigt einen RMS-Detektor auf Strombasis gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
• 15 ist ein Stromquadrierer gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
• Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen Systeme, Vorrichtungen und Verfahren bereit zum Messen einer RMS-Spannung oder eines RMS-Stroms (und daher des Leistungspegels) eines Eingangssignals. Der RMS-Detektor verwendet mehrere variable Verstärkungsstufen und ein Feedbacksignal der automatischen Verstärkungsregelung, welches sich in Beziehung zu Spannungs- oder Stromänderungen in dem Eingangssignal ändert. Unter Verwendung dieser Beziehung zwischen dem Eingangssignal und dem Feedbacksignal der variablen Verstärkungsregelung wird ein Ausgangssignal an einer variablen Verstärkungsstufe erzeugt, welches in einer Beziehung steht zu einem RMS-Wert des Eingangssignals. Dieser RMS-Detektor reduziert die Spannungsausschläge, welche an einem Quadrierer in RMS-Detektoren des Standes der Technik zu finden sind, signifikant, und er verringert die Abhängigkeit des Detektors von Spannungs-Offsets bei niedrigen Signalpegeln und von Übersteuerungsverzerrung bei hohen Signalpegeln. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbessern auch die Genauigkeit des RMS-Detektors, wenn sie Signale verarbeiten, welche einen weiten Bereich von Werten annehmen, indem sie verhindern, dass der Quadrierer in Sättigung oder außerhalb des Quadrierbereichs arbeitet. Entsprechend sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geeignet, den RMS-Wert eines Signals genauer zu messen, über relativ größere Signalbereiche zu arbeiten und bei unterschiedlichen Signal-Modulationsschemen, die einen großen Wert eines Verhältnisses Spitzenwert zu Mittelwert erzeugen, besser zu funktionieren.
• In der folgenden Beschreibung sind, zu Zwecken der Erläuterung, spezifische Details ausgeführt, um ein Verstehen der Erfindung zu ermöglichen. Es wird allerdings in Fachkreisen offensichtlich sein, dass die Erfindung ohne diese Einzelheiten umgesetzt sein kann. In Fachkreisen versteht sich von selbst, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, von denen einige im Folgenden beschrieben sind, in einer Anzahl unterschiedlicher elektrischer Komponenten, Schaltungen, Vorrichtungen und Systeme eingebaut sein können. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in zahlreichen unterschiedlichen Arten von Umgebungen betrieben werden, in welchen RMS-Messung relevant ist, einschließlich Hochfrequenz-Funkanwendungen. Aufbauformen und Geräte, welche im Folgenden in Form von Blockdiagrammen gezeigt sind, dienen der Illustration beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung, und sie sollen verhindern, dass die Erfindung unklar bleibt. Ferner sollen Verbindungen zwischen Komponenten in den Figuren nicht auf direkte Verbindungen limitiert sein. Vielmehr können Verbindungen zwischen diesen Komponenten modifiziert, neuformatiert oder auf andere Weise durch Zwischenkomponenten verändert werden.
• Bezugnahme in dieser Spezifikation auf „eine Ausführungsform“ oder „eine der Ausführungsformen“ bedeutet, dass ein konkretes Merkmal, ein konkreter Aufbau, ein konkretes Kennzeichen, eine konkrete Funktion, beschrieben im Zusammenhang mit der Ausführungsform, in wenigstens einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben ist. Die Vorkommen der Formulierung „in einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen dieser Spezifikation betreffen nicht notwendigerweise alle dieselbe Ausführungsform.
• 2 zeigt im Allgemeinen einen mehrstufigen RMS-Detektor mit variablem Verstärkungsfaktor gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Ein RMS-Wert wird aus einem Eingangssignal durch Regeln der Verstärkung über variable Verstärkungsstufen relativ zu Amplitudenänderungen in dem Eingangssignal erzeugt. Amplitudenänderungen in dem Eingangssignal führen nämlich zu Änderungen im Feedbacksignal der Verstärkungsregelung für die variablen Verstärkungsstufen, was ermöglicht, dass eine RMS-Spannung für das Eingangssignal aus einem Ausgangssignal einer variablen Verstärkungsstufe extrahiert wird. In Fachkreisen wird klar sein, dass die Funktionalität, die in 2 dargestellt ist, unter Verwendung zahlreicher unterschiedlicher Komponenten und Gestaltungen ausgeführt sein kann, und sie kann auch Zwischenkomponenten zwischen den Modulen umfassen, die ein Signal innerhalb des mehrstufigen RMS-Detektors mit variablem Verstärkungsfaktor modifizieren oder auf andere Weise ändern.
• Mit Bezug auf 2 wird ein Eingangssignal 210 durch eine erste variable Verstärkungsstufe 220 empfangen. In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung umfasst diese erste variable Verstärkungsstufe einen ersten Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor, wobei eine Rückführschleife die Verstärkung dieses Verstärkers anpasst, derart, dass das Ausgangssignal 225 der ersten variablen Verstärkungsstufe 220 dazu gebracht wird, konstant oder annähernd konstant (d.h. mit relativ geringen Änderungen des Signalpegels für unterschiedliche Amplituden des Eingangssignals) zu bleiben. Im Folgenden und in den Ansprüchen soll der Ausdruck „konstant“ sowohl konstante als auch annähernd konstante Signalpegel bezeichnen. Entsprechend passt, wenn die Amplitude des Eingangssignals 210 sich ändert, die variable Verstärkungsstufe 220 den Grad der Verstärkung an, wobei versucht wird, das Ausgangssignal 225 konstant zu halten.
• Dieses Ausgangssignal 225 wird für eine Quadrierstufe 230 bereitgestellt, und es ist derart gestaltet, dass es in den optimalen Quadrierbereich der Quadrierstufe fällt, um die Chance zu verringern, dass die Quadrierstufe 230 in die Sättigung und aus ihrem Quadrierbereich getrieben wird. Da das Ausgangssignal 225 der ersten variablen Verstärkungsstufe 220 fortwährend auf einen konstanten Pegel gebracht wird, erfährt die Quadrierstufe 230 keine großen Spannungsausschläge an ihrem Eingang, welche ihrerseits signifikant große Spannungsausschläge an ihrem Ausgang erzeugen würden, verursacht durch den Vorgang des Quadrierens. Vielmehr ist das Ausgangssignal der Quadrierstufe 230 ebenfalls konstant oder annähernd konstant, da das Eingangssignal derselben relativ konstant ist, was ermöglicht, dass die Quadrierstufe 230 sicher unterhalb der Sättigung arbeitet. Das Ausgangssignal 235 der Quadrierstufe 230 wird für eine Mittelwertbildungsstufe 240 bereitgestellt, welche erneut ein Ausgangssignal 245 erzeugt, das konstant oder annähernd konstant ist.
• Das Ausgangssignal 245 der Mittelwertbildungsstufe wird rückgeführt 250 und, wenigstens teilweise, verwendet, um die Verstärkung der ersten variablen Verstärkungsstufe 220 zu regeln. In Fachkreisen versteht sich von selbst, dass Zwischenkomponenten in dieser Rückführung 250 verwendet sein können, welche das Feedbacksignal modifizieren, bevor schließlich die Verstärkung der ersten variablen Verstärkungsstufe 220 gesteuert wird. Beispiele für derartige Komponenten sind an späterer Stelle in dieser Patentanmeldung zu erörtern. Unter Verwendung dieses Feedbacksignals wird eine erste Verstärkungsanpassung 255 erzeugt, welche die Verstärkung der ersten variablen Verstärkungsstufe 220 modifiziert, um zu versuchen, das Ausgangssignal 225 dazu zu bringen, konstant zu bleiben. Anders ausgedrückt, antwortet das Feedbacksignal wenn die Eingangsspannung 210 sich ändert, mit einem entsprechenden Ändern eines ersten Verstärkungs-Anpassungssignals 255, wobei versucht wird, das Ausgangssignal 225 der ersten variablen Verstärkungsstufe auf einen konstanten Pegel zu bringen.
• Eine zweite variable Verstärkungsstufe 270 wird durch eine zweite Verstärkungsanpassung 260 gesteuert, welche ebenfalls von Feedbacksignal 250 hergeleitet ist. Ähnlich der ersten Verstärkungsanpassung 255 ändert sich diese zweite Verstärkungsanpassung 260 ebenfalls, in Beziehung zu Spannungsänderungen an dem Eingangssignal 210. Wegen der Beziehung zwischen der zweiten Spannungsanpassung 260 und dem Eingangssignal 210 schwanken die Änderungen der Verstärkung über die zweite variable Verstärkungsstufe 270 in Beziehung zu Spannungs- oder Stromänderungen in dem Eingangssignal 210. Insbesondere werden Änderungen in der zweiten variablen Verstärkungsstufe 270 in Beziehung zu den gemittelten und quadrierten Änderungen in dem Eingangssignal 210 erzeugt. Unter Verwendung dieser Beziehung erzeugt die zweite variable Verstärkungsstufe 270 ein Ausgangssignal 275, welches in Beziehung steht zu einem RMS-Wert eines Eingangssignals 210. Dieses Ausgangssignal 275 kann in weiterer Folge skaliert oder auf andere Weise modifiziert werden, zum Beispiel durch einen Verstärkungsblock, um einen genauen RMS-Wert für das Eingangssignal 210 bereitzustellen.
• In Fachkreisen versteht sich von selbst, dass zahlreiche unterschiedliche Schaltungsimplementierungen verwendet sein können, wobei ein internes Feedbacksignal einer Verstärkungsregelung verwendet wird, um die Verstärkung über mehrere variable Verstärkungsstufen in Beziehung zu Änderungen in einem Eingangssignal zu steuern, und, unter Verwendung dieser Beziehung, einen RMS-Wert für das Eingangssignal zu erzeugen. 3A und 3B zeigen Beispiele von RMS-Detektoren auf Spannungsbasis gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
• Mit Bezug auf 3A wird ein Eingangssignal 310 an einem ersten Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 320 empfangen, welcher eine variable Verstärkung des Eingangssignals 310 bewirkt, was ein Ausgangssignal (V₁) 325 dazu bringt, konstant zu bleiben. Wenn der Spannungspegel an dem Eingangssignal 310 sich ändert, wird sich die Verstärkung des ersten Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor 320 in Antwort auf dieselbe ebenfalls ändern. Dieses konstante Ausgangssignal 325 wird an einem Quadrierer 330 empfangen, welcher einen Quadriervorgang ausführt. Da das Ausgangssignal (V₁) 325 an dem ersten Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 320 konstant oder annähernd konstant ist, sind die Spannungsänderungen an dem Ausgang (V₂) 335 des Quadrierers 330, welche durch Änderungen in dem HF-Eingangssignal verursacht sind, signifikant reduziert, was ermöglicht, dass der Quadrierer innerhalb des Quadrierbereichs arbeitet. Entsprechend ist das Ausgangssignal (V₂) an dem Quadrierer 330 gleich: $${\text{V}}_2={\text{KV}}_{\text{i}}^2={\text{KG}}_{\text{V}}{}^2{\text{V}}_{\text{i}}^2$$

  

  wobei G^V die Verstärkung des HF-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor ist.
• Das quadrierte Ausgangssignal (V₂) 335 wird für eine RC-Schaltung 340 bereitgestellt, welche nämlich das quadrierte Ausgangssignal 335 über einen bestimmten Zeitraum mittelt. In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung erfolgt dieses Mitteln über eine ganze Wellenlänge des Eingangssignals 310. Ein gemitteltes quadriertes Ausgangssignal (V₃) 345 wird aus der RC-Schaltung 340 erzeugt und ist definiert als: $${\text{V}}_3=\overline{{\text{V}}_2}={\text{KV}}_{\text{i}}^2={\text{KG}}_{\text{V}}{}^2\overline{{\text{V}}_{\text{i}}^2}$$

  

  und daher: $${\text{G}}_{\text{v}}=\left(\frac{\sqrt{{\text{V}}_3}}{\sqrt{\text{K}}}\right)\left(\frac{1}{\sqrt{\overline{{\text{V}}_{\text{i}}^2}}}\right)$$

  
• Dieses gemittelte, quadrierte Ausgangssignal (V₃) 345 wird für einen ersten Eingang an einem Verstärkungsblock 355 bereitgestellt. Dieser Verstärkungsblock 355 empfängt ebenfalls eine Referenzspannung 350 an einem zweiten Eingang 350. Diese Referenzspannung 350 kann chipintern erzeugt sein oder von einer externen Quelle. Der Verstärkungsblock 355 erzeugt ein Ausgangs-Feedbacksignal 360, welches versucht, die Referenzspannung 350 und das gemittelte, quadrierte Ausgangssignal 345 dazu zu bringen, gleich oder annähernd gleich zu sein. Daher: $${\text{V}}_3={\text{V}}_4={\text{V}}_{\text{ref1}}$$

  

  und: $${\text{G}}_{\text{v}}=\left(\frac{\sqrt{{\text{V}}_{\text{ref1}}}}{\sqrt{\text{K}}}\right)\left(\frac{1}{\sqrt{\overline{{\text{V}}_{\text{i}}^2}}}\right)$$

  
• Das Feedbacksignal wird verwendet, um eine erste Verstärkungsanpassung 365 an dem ersten Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 320 zu erzeugen. Entsprechend durchlaufen nämlich Spannungsänderungen in dem Eingangssignal 310 den Quadrierer 330, die RC-Schaltung 340 und den Verstärkungsblock 355, derart, dass keine großen Spannungsausschläge in diesen Komponenten erzeugt werden, sondern dass Änderungen in dem Eingangssignal 310 innerhalb des Feedbacksignals 360 berücksichtigt und schließlich verwendet werden, um einen zugeordneten RMS-Wert zu extrahieren.
• Ein zweiter Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 375 wird verwendet, um diesen RMS-Wert derart zu extrahieren, dass eine zweite Verstärkungsanpassung 370 von dem Feedbacksignal 360 hergeleitet wird, und er steuert die Verstärkung über diesen zweiten Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 375. Dieser zweite Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 375 erzeugt ein Ausgangssignal (V₆) 380, welches an einem ersten Eingang eines zweiten Verstärkungsblocks 385 bereitgestellt wird, und, wenn der erste und der zweite Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor aufeinander abgestimmt sind, dann: $${\text{V}}_6={\text{G}}_{\text{v}}{\text{V}}_{\text{o}}$$

  
• Das gemittelte, quadrierte Ausgangssignal (V₃) 345 wird an einem zweiten Eingang des zweiten Verstärkungsblocks 385 bereitgestellt, was das Ausgangssignal des zweiten Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor (V₆) 380 dazu bringt, gleich oder annähernd gleich dem gemittelten, quadrierten Ausgangssignals (V₃) 345 zu sein. Daher: V₆ = V₃ = V_ref1. Dabei gibt der zweite Verstärkerblock 385 ein Signal (V_o) 390 aus, welches repräsentativ ist für den RMS-Wert des Eingangssignals 310, und welches als ein Eingangssignal an dem zweiten Verstärker 375 mit variablem Verstärkungsfaktor bereitgestellt wird. Das Ausgangssignal V_o ist gegeben durch: $${\text{V}}_{\text{o}}=\frac{{\text{V}}_6}{{\text{G}}_{\text{v}}}=\frac{{\text{V}}_{\text{ref1}}}{{\text{G}}_{\text{v}}}=\sqrt{{\text{KV}}_{\text{ref1}}}\sqrt{\overline{{\text{V}}_{\text{i}}^2}}$$

  

  Abhängig von der Implementierung kann dieses Ausgangssignal (V_o) 390 skaliert oder auf andere Weise modifiziert werden, um eine genaue Messung des RMS-Werts des Eingangssignals 310 zu erhalten.
• In Fachkreisen versteht sich von selbst, dass das zweite Eingangssignal an dem zweiten Verstärkungsblock 385 nicht notwendigerweise das gemittelte, quadrierte Ausgangssignal (V₃) 345 zu sein braucht; vielmehr kann jegliche konstante Spannung an demselben bereitgestellt sein, um das Ausgangssignal (V₆) 380 des zweiten Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor 375 auf einen konstanten Pegel zu bringen. In diesem Szenario kann eine Verstärkung oder ein Skalar an dem Ausgangssignal 390 angewendet werden, um den Pegel desselben anzupassen, im Beziehung zu der angelegten konstanten Spannung an dem zweiten Eingang des zweiten Verstärkungsblocks 385 und zu dem gemittelten quadrierten Ausgangssignal (V₃) 345. 3B illustriert ein Beispiel eines derartigen Szenarios gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
• Mit Bezug auf 3B ist eine zweite Referenzspannung (V₇) 395 an den zweiten Eingang des zweiten Verstärkungsblocks 385 angelegt, an Stelle des gemittelten, quadrierten Ausgangssignals (V₃) 345. Diese zweite Referenzspannung 395 weist einen bekannten Wert auf, und ihre Beziehung zu dem gemittelten, quadrierten Ausgangssignal (V₃) 345 kann bestimmt werden. Das Ausgangssignal 392 aus dem zweiten Verstärkungsblock 385 repräsentiert nach wie vor die RMS-Spannung des Eingangssignals 310, jedoch kann es sich um einen Skalierungsfaktor unterscheiden. Dieser Skalierungsfaktor kann identifiziert werden, auf Basis der Transferfunktion des Quadrierers (K) durch Einführen der Größe V_ref2, definiert als: $$\text{K}=\frac{1}{{\text{V}}_{\text{ref2}}}$$

  

  und daher: $${\text{V}}_{\text{o}}=\sqrt{\frac{{\text{V}}_{\text{ref1}}}{{\text{V}}_{\text{ref2}}}}\sqrt{\overline{{\text{V}}_{\text{i}}^2}}$$

  
• Dieser Skalierungsfaktor kann durch die Beziehung zwischen der zweiten Referenzspannung 395 und dem gemittelten, quadrierten Ausgangssignal (V₃) 345 oder der ersten Referenzspannung (V₄) 350 identifiziert werden. Entsprechend kann eine Verstärkung dieses Ausgangssignals (V_o) 390 durch einen Verstärker 397 bewirkt werden, um einen genauen RMS-Wert 398 für das Eingangssignal 310 zu erzeugen.
• Dieses Ausgangssignal (V_o) enthält weniger Verzerrung und Fehler als an RMS-Detektoren des Standes der Technik zu finden, da es für den Quadrierer möglich gewesen ist, ausschließlich innerhalb seines Quadrierbereichs zu arbeiten und eine Sättigung für große HF-Eingangssignale und Rauschprobleme für kleine HF-Eingangssignale zu vermeiden. Insbesondere ist durch Vermeiden der großen Signalpegelbereiche, die entsprechend dem Stand der Technik erzeugt werden, der oben erörterte RMS-Detektor geeignet, einen RMS-Wert für ein Eingangssignal effizienter und genauer zu erzeugen, insbesondere für jene Eingangssignale, die große Werte des Verhältnisses Spitzenwert zu Mittelwert aufweisen.
• 4 illustriert einen beispielhaften Aufbau eines RMS-Detektors, umfassend einen HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor, einen DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor und weitere Komponenten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Ein HF-Eingang 410 empfängt ein HF-Signal an einem HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 420 über AC-Kopplungskondensatoren 415, 416. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 420 Schaltungen mit Differenzverstärkerpaaren mit variablem Verstärkungsfaktor, die eine variierbare Verstärkung bewirken, um ein Ausgangssignal dazu bringen, konstant zu bleiben. Diese Schaltungen mit Differenzverstärkerpaaren mit variablem Verstärkungsfaktor sind wechselstromgekoppelt über die Kopplungskondensatoren 425, 426 mit einem Ausgang 428, was den Strom aus diesen Pfaden der Differenzverstärkerpaare mit variablem Verstärkungsfaktor summiert.
• In bestimmten Ausführungsformen bewirkt ein HF-Stromverstärker 430 eine feste Verstärkung des Stromausgangssignals 428, und er stellt ein verstärktes Signal für einen Quadrierer 435 über Kopplungskondensator 435 bereit. Diese feste Verstärkung passt den Ausgangsstrom 428 derart an, dass das Signal in einen optimalen Quadrierbereich des Quadrierers 430 fällt. Der Quadrierer 440 quadriert das Signal durch Bewirken einer nicht linearen Verstärkung des Signals, und er stellt das quadrierte Signal für eine RC-Schaltung bereit, die nämlich das Signal über einen bestimmten Zeitraum mittelt.
• Die RC-Schaltung umfasst einen Widerstand 445, welcher mit einer Spannungsquelle (V_cc) gekoppelt ist, und einen Kondensator 450, der mit Masse verbunden ist. Das resultierende gemittelte, quadrierte Signal wird rückgeführt, über eine Rückführschleife, zum Steuern der Verstärkung über den HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 420. Eine Steuerschaltung 466 ist bereitgestellt, um die variable Verstärkung geeignet zu regeln und die Rückführungsinformation zu verarbeiten.
• Ein DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 460 ist ebenfalls mit Steuerschaltung 467 gekoppelt, die innerhalb der Steuerschaltung, welche die Verstärkung des HF-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor 420 regelt, integriert sein kann oder auch nicht. Der DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 460 bringt sein Ausgangssignal dazu, konstant zu bleiben, oder annähernd konstant, und puffert das Ausgangssignal in einem DC-Strompuffer 465. In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung wird ein Ausgangssignal an dem DC-Strompuffer 465 an einer Rückführschleife zu DC-Puffer 455 übertragen, welcher das Feedbacksignal an einem Eingang des DC-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor 460 bereitstellt. Das Ausgangssignal des DC-Puffers 455 kann auch ein Ausgangssignal sein, welches repräsentativ ist für eine RMS-Spannung des HF-Eingangssignals (V_i) 410.
• In verschiedenen weiteren Ausführungsformen kann ein True-RMS-Wert in dB ebenfalls bereitgestellt werden, derart, dass das Ausgangssignal an dem DC-Puffer 455 für einen logarithmischen Verstärker 470 und einen Puffer 475 bereitgestellt wird. Abhängig von der Gestaltung des Detektors kann dieses Ausgangssignal ferner skaliert sein, um einen True-RMS-Wert zu erzeugen, da das Ausgangssignal des Puffers 475 proportional ist zu dem RMS-Wert an einer dB-Skala.
• 5 zeigt einen HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Der HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 510 empfängt ein HF-Signal an Eingang 515 und erzeugt einen Ausgangsstrom 520, der für einen Stromverstärker mit festem Verstärkungsfaktor 610 bereitgestellt wird. Der HF-Eingang 515 ist mittels Kondensator (C₁) 525 mit Widerstand (R₂) 530 chipintegriert wechselstromgekoppelt, und durch Kondensator (C₂) 535 mit Widerstand (R₃) 540. Diese Paare aus Kondensator und Widerstand wandeln nämlich das eingehende HF-Signal in einen ersten Wechselstrom I_i1 und einen zweiten Wechselstrom I_i2 um.
• Der erste Wechselstrom I_i1 ist definiert als: $${\text{I}}_{\text{i1}}=\frac{{\text{V}}_{\text{i}}}{{\text{R}}_2+{\text{Z}}_{\text{i1}}}$$

  
• Der zweite Wechselstrom I_i2 ist definiert als: $${\text{I}}_{\text{i2}}=\frac{{\text{V}}_{\text{i}}}{{\text{R}}_3+{\text{Z}}_{\text{i2}}}$$

  
• Der erste Wechselstrom I_i1 wird für den gemeinsamen Emitterpunkt der parallelen Transistoren Q₁ 565 und Q₂ 566 bereitgestellt. Die Impedanz an diesem gemeinsamen Emitterpunkt ist relativ gering, und sie ist definiert als Z_i1. Der zweite Wechselstrom I_i2 wird für den gemeinsamen Emitterpunkt der parallelen Transistoren Q₃ 567 und Q₄ 568 bereitgestellt. Die Impedanz an diesem Emitterpunkt ist ebenfalls relativ gering, und sie ist definiert als Z_i2. Diese beiden Sätze von Transistoren definieren parallele Schaltungen mit Differenzverstärkerpaaren mit variablem Verstärkungsfaktor, wobei der erste Wechselstrom I_i1 und der zweite Wechselstrom I_i2 einer Verstärkungsregelung durch Transistorenpaare Q₁-Q₂ und Q₃-Q₄ unterliegen. Die Ausgangs-Wechselströme der Schaltungen mit Differenzverstärkerpaaren mit variablem Verstärkungsfaktor sind mit dem Ausgang 520 mittels Kondensatoren C₃ 575 und C₄ 580 wechselstromgekoppelt.
• Für große HF-Eingangssignale ist V_z 585 niedrig, der Transistor Q₄ 568 ist ausgeschaltet. Die große HF-Eingangsspannung bewirkt einen großen Strom durch Widerstand R₂ 530. Bei diesem Eingangspegel schaltet V_y 590 Transistor Q₂ 566 teilweise ein, und Q₂ 566 liefert HF-Strom für den Ausgang 520.
• Wenn die Spannung an dem Eingang V_i 515 sinkt, lenkt V_y 590 mehr Strom durch Transistor Q₂ 566, bis dieser vollständig eingeschaltet ist, und Transistor Q₁ 565 ausgeschaltet ist. Wenn der Eingangspegel bei V_i 515 weiter sinkt, schaltet V_z 585 Transistor Q₄ 568 nach und nach ein, um den Ausgangswechselstrom konstant zu halten, wenn die Spitze der Eingangsspannung sinkt. Die Ausgänge aus beiden variablen Verstärkungsstufen werden als Ströme summiert, über eine kapazitive Kopplung mit dem Ausgang 520 der ersten Stufe 510, und, in bestimmten Ausführungsformen, einem Stromverstärker mit festem Verstärkungsfaktor zugeführt.
• Die Verstärkungswerte der variablen Verstärkungsstufen sind durch Steuerschaltungen für die variable Verstärkung geregelt, welche diese Verstärkungswerte relativ zu Spannungsänderungen in dem Eingangssignal (V_i) 515 anpassen. Diese Steuerschaltungen und die Rückführschleife sind ausführlicher in der Offenbarung dieser Erfindung zu erläutern.
• 6 zeigt einen Stromverstärker mit festem Verstärkungsfaktor 610 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Ein Eingang 615 empfängt einen Strom mit konstanter Amplitude von dem Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 510. Dieser Strom wird mit einem bestimmten konstanten Verstärkungsfaktor derart verstärkt, dass er in einen optimalen Quadrierbereich fällt, wenn er für den Quadrierer bereitgestellt wird.
• In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist der Verstärker in 2 Stufen gestaltet, mit einem Stromrückkopplungspaar mit einer bestimmten Verstärkung, gefolgt von einer einfachen Stromspiegel-Verstärkung. Die Bandmitten-Stromverstärkung des Stromrückkopplungspaares aus dem Transistor Q₅ 620 und dem Transistor Q₆ 625 ist definiert als: $$\frac{{\text{i}}_{\text{c6}}}{{\text{i}}_{\text{i}}}=1+\frac{{\text{R}}_5}{{\text{R}}_6}$$

  
• Die Eingangsimpedanz an der Basis des Transistors Q₅ 620 ist sehr niedrig, aufgrund der Parallelrückkopplung, derart, dass: $$\left|{\text{Z}}_{\text{i}}\right|\approx \frac{{\text{R}}_5+\frac{1}{{\text{G}}_{\text{m6}}}\Vert {\text{R}}_6}{{\text{G}}_{\text{m5}}{\text{Z}}_{\text{I5}}}$$

  

  wobei Z_I5 die Lastimpedanz ist, die Q₅ begegnet.
• Die Rückkopplung kann derart gestaltet sein, dass die Kapazität von dem Kollektor des Q₅ zu Masse klein ist, was zu einer Rückkopplungsverstärkung A₁ um den Verstärker führt, und zwar: $${\text{A}}_1\approx {\text{G}}_{\text{m5}}{\text{Z}}_{\text{I5}}\frac{{\text{G}}_{\text{m6}}{\text{R}}_{\text{e6}}}{1+{\text{G}}_{\text{m6}}{\text{R}}_{\text{e6}}}=1$$

  

  bei der Transitfrequenz der Schleifenverstärkung.
• Die Verstärkung (i_c6/i_i) weist eine -3dB-Frequenz auf, was die Transitfrequenz der Schleifenverstärkung ist. Der Ausgangsstrom aus Transistor Q₆ 625 ist wechselstromgekoppelt mit dem Stromspiegel, welcher aus Transistor Q₇ 630 und Transistor Q₈ 635 besteht. Der Ausgangsstrom 650 aus Transistor Q8 635 ist über Kopplungskondensator C9 640 mit dem Quadrierer wechselstromgekoppelt. Dieser Ausgangsstrom 650 weist eine feste Verstärkung auf, in Beziehung zu dem Strom 615 des Verstärkers.
• 7 zeigt einen Quadrierer 710 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Ein Eingang 715 an dem Quadrierer 710 empfängt einen Ausgangsstrom 650 aus dem Stromverstärker, quadriert dieses Signal und überträgt das quadrierte Signal an einen Ausgang 720, welcher einen AC-Parallelkondensator 725 aufweist.
• Der Quadrierer 710 weist einen bevorzugten oder optimalen Quadrierbereich auf, der einen Signalbereich definiert, in welchem er am besten funktioniert. Wenn das Eingangssignal aus diesem Bereich hinausfällt, dann kann es sein, dass die Quadrierfunktion das Signal nicht genau quadriert, oder dass eine Verzerrung des quadrierten Ausgangssignals erzeugt wird. Wenn, zum Beispiel, das Eingangs-Stromsignal größer ist als eine Obergrenze dieses optimalen Quadrierbereichs, dann kann es sein, dass der Quadrierer die Sättigung erreicht, und dass ein verstärktes Signal darin abgeschnitten wird.
• Die Quadrierfunktion des Quadrierers 710 ist definiert als: $${\text{I}}_{\text{c9}}{\text{I}}_{\text{c10}}={\text{I}}_{\text{c11}}{\text{I}}_{\text{c12}}$$

  

  derart, dass: $${\text{I}}_{\text{c12}}=\frac{{\text{I}}_{\text{c9}}^2}{{\text{I}}_7}=\frac{{\left({\text{I}}_6+{\text{i}}_{\text{c8}}\right)}^2}{{\text{I}}_7}$$

  

  wobei i_c8 der HF-Strom in Q₈ und der Ausgangsstrom 650 aus dem Verstärker 610 ist. Dieser Ausgangsstrom 650 kann definiert sein als: $${\text{i}}_{\text{c8}}={\text{l}}_{\text{m}}\text{ sin }\mathrm{\omega }\text{t}$$

  
• Rein zu illustrativen Zwecken sei angenommen, dass der Ausgangsstrom 650 100 µA Spitzenamplitude für ein Sinus-Eingangssignal aufweist, derart, dass I_m = 100 µA, und dass I₆ = I₇ = 200 µA. Entsprechend kann I_c12 definiert sein als: $${\text{I}}_{\text{c12}}=200\mathrm{\mu }\text{A }+2{\text{i}}_{\text{c8}}+\frac{{\text{i}}_{\text{c8}}^2}{200\mathrm{\mu }\text{A}}$$

  

  $${\text{I}}_{\text{c12}}=200\mathrm{\mu }\text{A}+200\mathrm{\mu }\text{A sin }\mathrm{\omega }\text{t}+50\mathrm{\mu }{\text{A sin}}^2\mathrm{\omega }\text{t}$$

  

  $${\text{I}}_{\text{c12}}=200\mathrm{\mu }\text{A}+200\mathrm{\mu }\text{A sin }\mathrm{\omega }\text{t}+25\mathrm{\mu }\text{A}-25\mathrm{\mu }\text{A cos }2\mathrm{\omega }\text{t}$$

  
• In Fachkreisen versteht sich von selbst, dass der Mittelwert des quadrierten Signals in I_c12 auf Grund des HF-Eingangssignals 25 µA für i_c8 = 100 µA sin ωt beträgt, und dass die DC-Vorspannung 200 µA beträgt. Die HF-Anteile des quadrierten Signals werden durch einen großen externen Kondensator 725 entfernt, um eine konstante Ausgangsgleichspannung bereitzustellen. Diese Ausgangsspannung 720 wird dazu gebracht, einer bekannten Referenzspannung gleich zu sein, mittels der Gesamt-Rückführschleife, welche den HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor, den HF-Stromverstärker und den Quadrierer einbezieht.
• In Fachkreisen versteht sich von selbst, dass bei I₆ = I₇ = 200 µA der Wert des I_c12 von i_c8 = 100 µA sin ωt zwischen 450 µA und 50 µA beträgt. Ferner beträgt der Wert von I_c9 = I_c10 zwischen 300 µA und 100 µA. Der Wert des i_c8 kann bis zu ±200 µA erreichen, bevor es zu einer Übersteuerung kommt, und Transistor Q₁₂ 740 in die Sättigung geht. Das erlaubt eine True-Square-Law-Operation, bis 2 mal die Spitzen-Sinusspannung oder 2,8 mal die RMS-Sinusspannung des Eingangssignals erreicht ist, was 9dB über dem RMS-Wert gleichkommt. Hier ist wichtig, anzumerken, dass I₆ angepasst werden kann, um das Ergebnis an dem Quadrierer zu verbessern.
• 8 ist eine beispielhafte Regelschleife für eine variable Verstärkung gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Die Regelschleife für die variable Verstärkung 810 stellt Feedback-Information für den Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor bereit, zum Regeln der Verstärkung, die an dem HF-Eingangssignal bewirkt wird, um das Ausgangssignal dazu zu bringen, konstant zu bleiben. In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung empfängt ein Eingang 815 in die Regelschleife 810 das gemittelte, quadrierte Signal aus der RC-Schaltung, derart, dass eine Verstärkungsanpassung oder Verstärkungsanpassungen durch die Regelschleife erzeugt werden können.
• Die Spannung an dem Eingang 815 wird mit einer Referenzspannung 820 an Transistor Q₁₆ 822 verglichen. Dieser Vergleich erzeugt eine erste Steuerspannung 825 an einem Ausgang eines ersten Verstärkers 827. Der Vergleich erzeugt auch eine zweite Steuerspannung 830 an einem Ausgang eines zweiten Verstärkers 833. Eine Referenz-Gleichspannung 836 an einem Ausgang eines dritten Verstärkers 838 ist an die Basis des Transistors Q₁ 565 in dem Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 510 angelegt. Diese Referenz-Gleichspannung 835 ist auch an die Basis des Transistors Q₃ 567 in dem Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 510 angelegt.
• Die erste Steuerspannung 825 beträgt zwischen null Volt, wenn der Transistor Q₂ 566 in dem Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 510 ausgeschaltet ist, und einem oberen Spannungswert, wenn Q₂ 566 vollständig eingeschaltet und Q₁ 565 ausgeschaltet ist. Die zweite Steuerspannung 830 steuert die Basis des Transistors Q₄ 568 an, und sie ist durch die Regelschleife gesteuert, mit einer Verzögerung, bewirkt durch I₃₅ 835, bis die erste Steuerspannung 825 hoch ist.
• Der Wert der ersten Steuerspannung 825 und der Wert der zweiten Steuerspannung 830 werden sich also in Beziehung zu Amplitudenänderungen des HF-Signals ändern, welche nämlich durch den HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 510 und den Quadrierer 710 übertragen werden. Diese Steuerspannungen sind mit dem Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 510 gekoppelt, um die variable Verstärkung 510 desselben zu ändern, in einem fortlaufenden Bemühen, das Ausgangssignal des HF-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor dazu zu bringen, auf einem konstanten Wert zu bleiben. Diese Rückführ-Regelschleife arbeitet wie folgt:
• Wenn die Ausgangsgleichspannung 815 des Quadrierers nicht gleich der Referenzspannung 820 ist, erzeugt die Schaltung in 8 geeignete Steuerspannungen V_y 825 und V_z 830, welche die Verstärkung des HF-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor derart variieren, dass das HF-Signal, welches für den Quadrierer geliefert wird, die korrekte Amplitude aufweist, um die Spannung 815 dazu zu bringen, der Spannung 820 gleich zu sein. Anzumerken ist, dass ein 2-stufiger Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor beschrieben ist, um die Schaltungsanordnung für Eingangssignale mit sehr hoher Frequenz zu erleichtern. Allerdings könnte ebenso ein einstufiger Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor in weiteren Ausführungsformen der Erfindung verwendet sein.
• In verschiedenen weiteren Ausführungsformen der Erfindung sind die erste Steuerspannung 825, die zweite Steuerspannung 830 und die Referenz-Gleichspannung 835 ebenfalls für den zweiten Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 270 bereitgestellt, wie etwa für den übereinstimmenden DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor, wie im Folgenden zu erläutern.
• 9A und 9B zeigen beispielhafte Schaltungsanordnungen für Stromquellen, welche innerhalb des HF-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor implementiert sein können, der in 5 erläutert ist. Mit Bezug auf 9A ist eine Spannungsquelle (V_cc) 915 mit mehreren MOS-Transistoren (M₁₀ bis M₁₅) gekoppelt, welche durch einen weiteren Satz von MOS-Transistoren (M₁₆ bis M₁₈) angeschlossen sind. Ein erster Verstärker 920 ist mit einem Ausgang dieses Satzes von MOS-Transistoren (M₁₆ bis M₁₈) gekoppelt, und er empfängt Strom I₁₁ 925 derart, dass er einen Ausgang 930 an dem Operationsverstärker 920 ansteuert.
• Dieser Ausgang 930 ist mit der Basis des Transistors Q₁₈ 940 gekoppelt, welche einen Strom in dem Kollektor 950 des Transistors erzeugt. Dieser Kollektor 950 ist mit den Emittern an Transistor Q₃ 567 und Transistor Q₄ 568 gekoppelt, zum Bereitstellen einer Stromquelle für dieselben, wobei Stromquelle I₁ 545 entsteht. Die Menge an Strom, die für diese Transistoren geliefert wird, ist durch einen ersten Widerstand R₂₀ 946 und einen zweiten Widerstand R₂₁ 947 bestimmt, welche nämlich die Spannung an den Eingängen des ersten Verstärkers 920 bestimmen. Der Strom, der zu dem Kollektor des Transistors Q₁₈ 940 geliefert wird, ist bestimmt durch den Strom I₁₁ 925 und die zwei Widerstände 946, 947.
• 9B illustriert eine feste Stromquelle 955 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. In bestimmten Ausführungsformen spannt diese Stromquelle 955 den Pfad mit niedriger Verstärkung des Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor vor. Wie in dieser Figur gezeigt, kann die Menge an Strom, die durch diese Stromquelle geliefert wird, durch Anpassen der Widerstände geändert werden, was wiederum die Menge an Strom ändert, die in den Verstärker geliefert wird.
• In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung definiert der Widerstand R₂₂ 965 die Spannung, die an Verstärker (OA1) 970 angelegt ist. Der Verstärker 970 gibt ein Signal an die Basis des Transistors Q₁₉ 975 aus, wobei der Emitter desselben mit Widerstand R₂₃ 985 gekoppelt ist. Ein Ausgangsstrom 980 wird an dem Kollektor des Transistors Q₁₉ 975 bereitgestellt und an den Emitter des Transistors Q₁ 565 und den Emitter des Transistors Q₂ 566 geliefert, wobei die Stromquelle I₂ 550 entsteht.
• Wenn die Menge des Stroms an I₂ 550 größer ist als I₁ 545, dann wird eine Zunahme der Linearitätsreserve in dem Pfad mit hoher Verstärkung erreicht, wobei die Ansteuerimpedanz an den Emittern an Transistor Q₃ 567 und an Transistor Q₄ 568 für I₂ kleiner ist, verglichen mit der Impedanz an den Emittern an Transistor Q₁ 565 und Transistor Q₂ 566 für I₁.
• 10 zeigt einen DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Der DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 1005 empfängt ein Verstärkungsanpassungs-Signal aus der bereits erörterten Rückführschleife. Dieses Verstärkungs-Anpassungssignal passt die Verstärkung über den DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 1005 in Beziehung zu der Spannung an dem HF-Signal, das am Detektor hereinkommt, an.
• Der DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 1005 empfängt Gleichstrom aus Transistor Q₂₄ 1140 und Transistor Q₂₆ 1145, welche beide in der Beschreibung des DC-Puffers 1110 zu erörtern sind. Diese Ströme aus Q₂₄ 1140 und Q₂₆ 1145 sind durch V_X, V_Y und V_Z gesteuert, wie bereits beschrieben, und sie stimmen überein mit den Stromquellen des HF-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor, mit Ausnahme der Tatsache, dass es keine DC-Vorspannung an dem Strom in dem DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 1005 gibt.
• Ein erstes Differenzverstärker-Transistorpaar, umfassend Q₃₁ 1010 und Q₃₂ 1015 und ein zweites Differenzverstärker-Transistorpaar, Q₄₀ 1020 und Q₄₁ 1025, lenken das empfangene Signal zu einem Stromspiegel. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung umfasst der Stromspiegel Q₃₃ 1030, Q₃₄ 1035, Q₃₅ 1040 und Q₃₆ 1045, wie gezeigt in 10. Das Stromsignal geht dann zu einem weiteren Spiegel Q₃₈ 1070, Q₃₇ 1065 und Q₃₉ 1060, was eine Verstärkung des Stroms bereitstellt.
• Das verstärkte Signal an dem Kollektor-Anschlusspunkt 1050 von Q₃₉ 1060 wird danach zu einem DC-Puffer geführt. Das bildet eine Rückkopplungsschleife, die Q₃₉ 1060 dazu bringt, bei einem konstanten Strom zu arbeiten, welcher mit dem gleichgerichteten DC-Ausgangssignal 720 des Quadrierers 710 übereinstimmt.
• 11 ist ein DC-Puffer 1110 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung arbeitet der DC-Puffer wenigstens teilweise als der erste Verstärkungsblock 355, und er ist innerhalb der Rückkopplungsschleife zu dem DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 375 positioniert.
• Eine Gleichspannung 1115 wird an der Basis des Transistors Q₂₃ 1130 durch Verbinden des Kollektors des Transistors Q₃₉ 1050 mit einem Widerstand erzeugt, welcher wiederum mit Vcc verbunden ist. Ein Differenzverstärker mit hoher Verstärkung, bestehend aus Transistoren Q₂₂ 1135 und Q₂₃ 1130, vergleicht die Spannung 1115 und die Spannung an der Basis 1120 des Transistors Q₂₂ 1135, welcher mit dem Ausgang 720 des Quadrierers verbunden ist. Der Differenzverstärker mit hoher Verstärkung bringt diese beiden Spannungen dazu, gleich zu sein, durch Rückführen des Stroms zur Basis des Transistors Q₂₃ 1130 über den DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 1005. Wenn ein Gleichgewicht erreicht ist, dann ist die Spannung, die zur Basis des Transistors Q₂₂ 1130 zurückgeführt wird, gleich der Höhe der Spannung aus dem Quadrierer, welche zur Basis des Transistors Q₂₂ 1135 geliefert wird.
• Das Ausgangssignal aus dem Differenzverstärker steuert den Strom, der aus dem Kollektor 1150 des Transistors Q₂₄ 1140 und dem Kollektor 1155 des Transistors Q₂₆ 1145 kommt. Diese Ströme werden als Eingangssignale in den DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 1005 verwendet, und sie stimmen mit den HF-Eingangsströmen in den HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 510 überein. Entsprechend wird, in bestimmten Ausführungsformen der Erfindung, der Strom in Transistor Q₂₄ 1140 ein Bruchteil des Stroms in Transistor Q₂₆ 1145 sein, der durch Transistor-Flächenverhältnisse zwischen Q₂₄ und Q₂₆ bestimmt ist.
• Transistor Q₃₀ 1160 zweigt das True-RMS-Signal ab und führt dieses abgezweigte Signal an Ausgang 1165 einem Logarithmierverstärker zu, der im Folgenden zu erörtern ist. Dieser abgezweigte Strom befindet sich innerhalb eines Strombereichs, welcher dem Spannungsbereich an dem HF-Eingang V_i 515 entspricht.
• 12 ist ein Schaltplan eines Logarithmierverstärkers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Der Logarithmierverstärker 1205 stellt ein Ausgangssignal auf einer linearen dB-Skala in Beziehung zu dem Strom an dem Kollektor des Transistors Q₃₀ 1160 bereit.
• Der Strom aus dem Kollektor des Transistors Q₃₀ 1160 wird an Anschlusspunkt 1210 bereitgestellt, welcher Transistor Q₄₂ 1215 speist, der als eine Diode arbeitet. Ein erster Referenzstrom I₁₄ 1220 wird an dem Kollektor des Transistors Q₄₃ 1235 bereitgestellt, der als eine Diode arbeitet. Ein zweiter Referenzstrom I₁₅ 1225 wird für den Kollektor des Transistors Q₄₄ 1240 bereitgestellt, und ein dritter Referenzstrom I₁₆ 1230 wird für den Kollektor des Transistors Q₄₅ 1245 bereitgestellt.
• Ein Differenzausgang (V) 1250 wird als die Differenz der Spannung über Q₄₂ 1215 und Q₄₃ 1235 erzeugt. Diese Spannung ist gegeben durch: $$\text{Differenzspannung}=\text{VT}*\text{In}\left({\text{I}}_{\text{C42}}/{\text{I}}_{\text{C43}}\right)$$

  

  $$\text{wobei VT}=\text{kT}/\text{q}$$

  
• Diese Differenzspannung 1250 entsteht mit einer PTAT-Abhängigkeit und sie wird durch Transistoren Q₄₄ 1240 und Q₄₅ 1245 gepuffert. Das Ausgangssignal 1260 des Verstärkers ist ein Gleichstrom aus der gepufferten Differenzspannung 1250, und es wird für einen Ausgangspuffer bereitgestellt.
• 13 zeigt eine Schaltung eines Ausgangspuffers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Die PTAT-Abhängigkeit des Ausgangssignals 1260 des Verstärkers wird in dem Ausgangspuffer 1310 entfernt. Der Strom des Ausgangs 1260 aus dem logarithmischen Verstärker 1205 wird an Eingang 1312 eines Verstärkers 1314 bereitgestellt.
• Die Strombeziehungen durch Transistoren Q₄₈ 1315, Q₄₉ 1320, Q₅₀ 1325, Q₅₂ 1340 und der Referenzströme I₁₇ 1330 und I₁₈ 1335 können wie folgt definiert werden: $$\frac{{\text{I}}_{\text{c48}}}{{\text{I}}_{\text{s48}}}\frac{{\text{I}}_{\text{c49}}}{{\text{I}}_{\text{s49}}}=\frac{{\text{I}}_{\text{c50}}}{{\text{I}}_{\text{s50}}}\frac{{\text{I}}_{\text{c52}}}{{\text{I}}_{\text{s52}}}$$

  

  das ergibt: $${\text{I}}_{\text{c52}}=\frac{{\text{I}}_{\text{c48}}{\text{I}}_{17}}{{\text{I}}_{18}}\frac{{\text{I}}_{\text{s50}}{\text{I}}_{\text{s52}}}{{\text{I}}_{\text{s48}}{\text{I}}_{\text{s49}}}$$

  

  und: $${\text{I}}_{\text{c}52}=4{\text{I}}_{\text{c}48}\frac{{\text{I}}_{\text{ref}2}}{{\text{I}}_{\text{PTAT}}}$$

  
• Die Ausgangsspannung (V_o)1360 ist gleich dem Strom an dem Kollektor von Q₅₃ 1350, multipliziert mit dem Widerstand R₃₆, multipliziert mit dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers 1365.
• Die Ausführungsformen des RMS-Detektors, die oben beschrieben sind, verwenden einen Vergleich der Spannungen an dem Ausgang des Quadrierers. Allerdings kann dieser Vergleich auch unter Verwendung von Strömen als die Vergleichsvariablen ausgeführt werden. 14 ist ein Schaltplan eines RMS-Detektors gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Verglichen mit dem RMS-Detektor, der in 3A und 3B illustriert ist, zeigt der RMS-Detektor 1410 in 14 eine Schaltung auf Strombasis, welche ebenfalls ein RMS-Maß eines HF-Eingangssignals als Ausgangsspannung erzeugt.
• Ein Eingangssignal 1415, wird an dem HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 1420 empfangen, welcher eine variable Verstärkung an dem Eingangssignal 1415 bewirkt, was einen Ausgangsstrom (I_o1) 1425 dazu bringt, konstant zu bleiben. Wenn die Spannung (V_i) an dem Eingangssignal 1415 sich ändert, wird sich die Verstärkung an dem HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 1420 in Antwort darauf ändern. Die Verstärkung (K₁) an dem HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor 1420 kann berechnet werden als I_o1/V_i, und sie ändert sich relativ zu V_i, da I_o1 dazu gebracht wird, konstant zu bleiben.
• Dieser Ausgangsstrom (I_o1) 1425 wird an einem Hochfrequenz-Stromverstärker 1430 empfangen, welcher eine Verstärkung des Ausgangsstroms (I_o1) 1425 bewirkt und einen verstärkten Strom (I_O2) 1435 erzeugt. Die Verstärkung (K₂) des HF-Stromverstärkers 1430 kann berechnet werden als I_o2/I_o1.
• Der verstärkte Strom (I_o2) 1435 wird für einen Quadrierer 1440 bereitgestellt, der einen Quadriervorgang ausführt. Da der Ausgangsstrom (I_o1) 1425 des HF-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor 1420 konstant oder annähernd konstant ist, wird der Bereich der Amplituden des verstärkten Stroms (I_o2) 1435 des Quadrierers 1440 über den Bereich der Amplituden der HF-Eingangssignale bei V_i 1415 signifikant verkleinert, was ermöglicht, dass der Quadrierer immer innerhalb seines idealen Quadrierbereichs arbeitet. Der quadrierte Stromausgang (I_o3) wird durch die Umwandlungsverstärkung an dem verstärkten Strom (I_o2) 1435 erzeugt.
• Der Kondensator 1455 mittelt das Signal bei 1454 über einen Zeitraum. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird der gemittelte, quadrierte Strom des Ausgangssignals (I_o3) mittels einer Steuerschaltung eines Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor mit einem Referenzstrom (I₃₆) 1445 verglichen. Dieser Referenzstrom kann chipintern oder extern erzeugt werden. Die Steuerschaltung des Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor gibt ein Signal an eine Rückführschleife aus, welche den gemittelten, quadrierten Ausgangsstrom (I_o3) dazu bringt, gleich oder annähernd gleich einem Referenzstrom (I₃₆) 1445 zu sein. Diese Beziehung kann definiert sein als: $${\text{I}}_{\text{o}3}={\left(\overline{{\text{K}}_1{\text{K}}_2\overline{{\text{V}}_{\text{i}}}}\right)}^2\times {\text{K}}_3={\text{I}}_{\text{ref}1}$$

  

  wobei davon: $${\text{K}}_1=\frac{1}{{\text{K}}_2\sqrt{\overline{{\text{V}}_{\text{i}}^2}}}\sqrt{\frac{{\text{I}}_{\text{ref}1}}{{\text{K}}_3}}$$

  

  wobei I₃₆ = I_ref1, K₁ die Steilheit des Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor ist, K₂ die Stromverstärkung des Stromverstärkers und K₃ die Umwandlungs-Stromverstärkung des Quadrierers.
• Ferner wird die Ausgangs-Gleichspannung 1454 an dem Quadrierer 1440 auf einer Referenzspannung V_ref 1462 gehalten, welche in bestimmten Ausführungsformen gleich V_BE ist. Die Rückführschleife enthält ein erstes Verstärkungs-Anpassungssignal, welches die Verstärkung an dem HF-Verstärker 1420 mit variablem Verstärkungsfaktor derart anpasst, dass der gemittelte, quadrierte Stromausgang (I_o3) dazu gebracht wird, gleich oder annähernd gleich dem Referenzstrom zu sein.
• Ein zweites Verstärkungs-Anpassungssignal ändert die Verstärkung an einem DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor, welcher den Ausgangsstrom (I_o4) erzeugt. Diese zweite Verstärkungsanpassung steht in einer Beziehung zu dem Ausgangssignal der Steuerschaltung des Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor, welche bereits erläutert worden ist, und sie ändert einen Verstärkungswert an dem Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor, welcher wenigstens teilweise in einer Beziehung steht zu Änderungen in dem Eingangssignal (V_i). Der Ausgangsstrom (I_o4) wird für einen DC-Strompuffer bereitgestellt, welcher eine Stromverstärkung aufweist, die auf eins gesetzt ist, und welcher einen gepufferten Ausgangsstrom erzeugt. Der gepufferte Ausgangsstrom (I_o4) 1482 wird dazu gebracht, einem zweiten Referenzstrom gleich zu sein, I_ref2 = I₄₅ 1484, durch Ändern der Verstärkung an dem DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung variiert die Stromverstärkung an dem DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor innerhalb eines bestimmten Bereichs, und sie folgt der HF-Verstärkung (K₁) des HF-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor.
• Das gepufferte Ausgangssignal (I_o4) wird an einem ersten Eingang einer DC-Pufferschaltung bereitgestellt, und eine Referenzspannung wird an einem zweiten Eingang der DC-Pufferschaltung bereitgestellt. Die DC-Pufferschaltung erzeugt einen ersten Ausgang (I_o6), welcher in einer Beziehung steht zu der RMS-Spannung des Eingangssignals (V_i), und einen zweiten Ausgang (I_o5), welcher an einem Eingang des DC-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor bereitgestellt ist. Das zweite Ausgangssignal (I_o5) steht in einer Beziehung zu dem gepufferten Ausgangssignal (I_o4), auf Basis der Verstärkung (K₁) an dem HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor und eines Parameters R_x bestimmt durch das Verhältnis zwischen den Verstärkungsfaktoren des HF-Verstärkers und des DC-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor. $$\frac{{\text{I}}_{\text{o}4}}{{\text{I}}_{\text{o}5}}={\text{K}}_1{\text{R}}_{\text{x}}$$

  
• In bestimmten Ausführungsformen ist R_x gleich 5kΩ, und das erste Ausgangssignal (I_o6) ist definiert als: $${\text{I}}_{\text{o}6}=4{\text{I}}_{\text{o}5}$$

  

  daraus ergibt sich, dass das erste Ausgangssignal (I_o6) gleich: $${\text{I}}_{\text{o}6}=\frac{4{\text{I}}_{\text{o}4}}{{\text{K}}_1{\text{R}}_{\text{x}}}=\frac{4{\text{I}}_{\text{ref}2}}{{\text{K}}_1{\text{R}}_{\text{x}}}$$

  
• Unter Verwendung der obigen Definition der Verstärkung (K₁) an dem HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor steht das erste Ausgangssignal (I_o6) an dem DC-Puffer in einer Beziehung zur RMS-Spannung an (V_i), und es ist gleich: $${\text{I}}_{\text{o}6}=\frac{4{\text{I}}_{\text{ref}2}}{{\text{R}}_{\text{x}}}{\text{K}}_2\sqrt{\frac{{\text{K}}_3}{{\text{I}}_{\text{ref}1}}}\sqrt{\overline{{\text{V}}_{\text{i}}^2}}$$

  
• In bestimmten Ausführungsformen kann die Transferfunktion aus $\sqrt{\overline{{\text{V}}_{\text{i}}^2}}$

  

  in das erste Ausgangssignal (I_o6) angegeben werden, wenn die Koeffizienten in der obigen Gleichung exakte Werte aufweisen. Entsprechend kann die True-RMS-Spannung in dem Eingangssignal (V_i) aus dem ersten Ausgangssignal (I_o6) durch Anwenden eines Skalars extrahiert werden. Das erste Ausgangssignal (I_o6) wird für einen Logarithmierverstärker und einen Ausgangspuffer bereitgestellt.
• In bestimmten Ausführungsformen kann ein HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor, wie gezeigt in 5, innerhalb des RMS-Detektors auf Strombasis verwendet sein. Ferner kann in bestimmten Ausführungsformen ein Verstärker mit festem Verstärkungsfaktor, wie gezeigt in 6, in dem RMS-Detektor auf Strombasis verwendet sein.
• 15 zeigt einen Stromquadrierer gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Ein Eingangssignal wird an Eingang 1505 bereitgestellt. Die Quadrierfunktion des Quadrierers ist durch eine Beziehung zwischen dem Strom durch die Transistoren Q₉ 1520, Q₁₀ 1525, Q₁₁ 1535 und Q₁₂ 1530 bereitgestellt: $${\text{I}}_{\text{c}9}{\text{I}}_{\text{c}10}={\text{I}}_{\text{c}11}{\text{I}}_{\text{c}12}$$

  

  derart, dass: $${\text{I}}_{\text{c}12}=\frac{{\text{I}}_{\text{i}}^2}{{\text{I}}_{\text{c}83}}$$

  

  wobei I_i = I_c79 + i_c83, und i_c83 der HF-Wechselstrom in Q₈ 635 und der Ausgangsstrom 650 aus dem Verstärker mit festem Verstärkungsfaktor 610 ist. Strom I₃₆ 1540 ist ein Referenzstrom. Gleichströme sind definiert durch Q₇₉, Q₈₀ und Q₈₁, wobei die Werte derselben wenigstens teilweise durch die Widerstände R₄₃, R₄₄ und R₄₅ definiert sind.
• Der Strom durch Q₁₂ ist definiert durch das quadrierte Eingangssignal, über den Strom durch Q₈₃, wobei es sich um eine Konstantstromquelle handelt. Der Verstärker 1545 bringt einen exakten DC-Vorspannungsstrom in Q₈₃. Die HF-Anteile des quadrierten Signals werden durch einen großen externen Kondensator 1585 entfernt, um eine konstante Ausgangsgleichspannung bereitzustellen.
• Die vorstehende Beschreibung der Erfindung ist zu Zwecken der Klarheit und des Verständlichmachens abgefasst. Sie soll die Erfindung keinesfalls auf genau die Form einschränken, in der sie offenbart ist. Verschiedenste Modifikationen sind innerhalb des Schutzbereichs und der Äquivalenz der hier folgenden Ansprüche denkbar.

Claims (40)

1. RMS-Detektor (1410), umfassend: eine erste variable Verstärkungsstufe (220), gekoppelt zum Empfangen eines Eingangssignals (210), welche eine erste variable Verstärkung des Eingangssignals (210) bewirkt, was ein konstantes erstes Ausgangssignal (225) erzwingt; eine Quadrierstufe (230), gekoppelt zum Empfangen des konstanten ersten Ausgangssignals (225), welche ein quadriertes Ausgangssignal (235) des konstanten ersten Ausgangssignals (225) erzeugt; eine Mittelwertbildungsstufe (240), gekoppelt zum Empfangen des quadrierten Ausgangssignals (235), welche ein gemitteltes, quadriertes Ausgangssignal (245) über einen ersten Zeitraum erzeugt; eine Rückführschleife (250), gekoppelt zum Empfangen des gemittelten, quadrierten Ausgangssignals (245), welche einen ersten Verstärkungswert an der ersten variablen Verstärkungsstufe (220) anpasst; und eine zweite variable Verstärkungsstufe (270), gekoppelt mit der Rückführschleife (250), welche eine zweite variable Verstärkung relativ zu einem zweiten Verstärkungswert anpasst, und welche ein RMS-Ausgangssignal (275) erzeugt, das repräsentativ ist für einen RMS-Effektivwert des Eingangssignals (210).
2. RMS-Detektor (1410) nach Anspruch 1, wobei die Rückführschleife (250) einen Verstärkungsblock (140) umfasst, welcher das gemittelte, quadrierte Ausgangssignal (245) dazu bringt, einer Referenzspannung (1462) gleich zu sein.
3. RMS-Detektor (1410) nach Anspruch 2, wobei der Verstärkungsblock (140) umfasst: einen ersten Eingang, welcher eine Referenzspannung auf einem ersten Spannungspegel empfängt; einen zweiten Eingang (350), welcher das gemittelte, quadrierte Signal (245) empfängt; und einen Ausgang, gekoppelt mit der ersten variablen Verstärkungsstufe (220), welcher wenigstens teilweise eine Verstärkung an der ersten variablen Verstärkungsstufe (220) steuert.
4. RMS-Detektor (1410) nach Anspruch 3, wobei die Rückführschleife (250) ein erstes Verstärkungs-Anpassungssignal (255) umfasst, welches in Beziehung steht zu dem Ausgangssignal (360) an dem Verstärkungsblock (140), und welches die Verstärkung an der ersten variablen Verstärkungsstufe (220) steuert.
5. RMS-Detektor (1410) nach Anspruch 4, wobei die Rückführschleife (250) ein zweites Verstärkungs-Anpassungssignal (370) umfasst, welches in Beziehung steht zu dem Ausgangssignal (360) an dem Verstärkungsblock (140), und welches die Verstärkung an der zweiten variablen Verstärkungsstufe (270) steuert.
6. RMS-Detektor (1410) nach Anspruch 1, wobei das Eingangssignal (210) ein HF-Signal ist.
7. RMS-Detektor (1410) nach Anspruch 1, wobei die Mittelwertbildungsstufe (240) eine RC-Schaltung (130) umfasst, welche ein gemitteltes, quadriertes Ausgangssignal (235) über einen Zeitraum erzeugt.
8. RMS-Detektor (1410) nach Anspruch 1, wobei die Quadrierstufe (230) einen Quadrierer (120) umfasst, welcher das konstante erste Ausgangssignal (225) quadriert.
9. RMS-Detektor (1410) nach Anspruch 1, wobei die erste variable Verstärkungsstufe (220) einen Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (320) umfasst, welcher die erste variable Verstärkung bewirkt, was das erste konstante Ausgangssignal (225) erzwingt.
10. RMS-Detektor (1410) nach Anspruch 1, wobei die zweite variable Verstärkungsstufe (270) eine zweite Verstärkungsanpassung empfängt, welche wenigstens teilweise in einer Beziehung steht zu einem Signal an der Rückführschleife (250), und wobei sie eine weitere Rückführschleife (250) umfasst, von dem RMS-Ausgang zu einem Eingang an der zweiten variablen Verstärkungsstufe (270).
11. RMS-Detektor (1410) nach Anspruch 10, wobei das RMS-Ausgangssignal proportional ist zu einem True-RMS-Wert des Eingangssignals (210).
12. RMS-Detektor (1410) nach Anspruch 11, ferner umfassend einen Skalierungsverstärker, gekoppelt zum Empfangen des RMS-Ausgangssignals, welcher eine Verstärkung des RMS-Ausgangssignals bewirkt, um ein Signal eines True-RMS-Werts zu erzeugen.
13. Verfahren zum Erzeugen eines RMS-Werts, wobei das Verfahren umfasst: Empfangen eines Eingangssignals (210); Anpassen einer ersten Verstärkung an einem HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (510) relativ zu Spannungsausschlägen innerhalb des empfangenen Eingangssignals (210); Anpassen einer zweiten Verstärkung an einem DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (460) relativ zu Spannungsausschlägen innerhalb des empfangenen Eingangssignals (210); und Erzeugen eines Ausgangssignals aus dem DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (460); Bereitstellen eines Feedbacksignals, wenigstens teilweise abgeleitet von dem Ausgangssignal des DC-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor (460), welches proportional ist zu einem RMS-Wert des Eingangssignals (210).
14. Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend den Schritt des Anwendens eines Skalars auf das Ausgangssignal, was den RMS-Wert des Eingangssignals (210) erzeugt.
15. Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend die Schritte: Quadrieren eines Ausgangssignals des HF-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor (510); und Mitteln des quadrierten Ausgangssignals (235) des HF-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor (510) über einen Zeitraum.
16. Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend den Schritt des Erzwingens, dass das gemittelte, quadrierte Ausgangssignal (235) des HF-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor (510) gleich einer Referenzspannung ist.
17. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Feedbacksignal durch Bringen des Ausgangssignals des DC-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor (460) auf eine Referenzspannung erzeugt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Feedbacksignal an einem Eingang an dem DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (460) bereitgestellt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die erste Verstärkung an dem HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (510) und die zweite Verstärkung an dem DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (460) durch eine Rückführschleife (250) bestimmt werden, umfassend einen Quadriervorgang, einen Mittelwertbildungsvorgang und einen Verstärkungs-Blockungsvorgang.
20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei eine erste Verstärkungsanpassung, welche die erste Verstärkung definiert, und eine zweite Verstärkungsanpassung, welche die zweite Verstärkung definiert, wenigstens teilweise durch die Rückführschleife (250) erzeugt werden.
21. Variable DC-Verstärkungsstufe welche einen RMS-Wert erzeugt, der in Beziehung steht zu einem HF-Signal, wobei die variable DC-Verstärkungsstufe umfasst: einen Eingang für die variable Verstärkung, gekoppelt zum Empfangen eines Verstärkungs-Anpassungssignals, welches eine Verstärkung an einem DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (460) anpasst, der innerhalb der variablen DC-Verstärkungsstufe gekoppelt ist, in Beziehung zu gemittelten, quadrierten Werten von Spannungsänderungen an dem HF-Signal; eine Rückführschleife (250), gekoppelt über den DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (460), welche ein Ausgangssignal des DC-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor (460) und eine Referenzspannung dazu bringt, gleich zu sein; und einen Vergleicher, gekoppelt innerhalb der Rückführschleife (250), welcher das Ausgangssignal des DC-Verstärkers mit variablem Verstärkungsfaktor (460) und die Referenzspannung empfängt, und welcher ein RMS-Ausgangssignal erzeugt, das in einer Beziehung steht zu dem RMS-Wert des HF-Signals.
22. Variable DC-Verstärkungsstufe nach Anspruch 21, ferner umfassend einen Verstärker, gekoppelt zum Empfangen des RMS-Ausgangssignals, welcher eine Verstärkung des RMS-Ausgangssignals bewirkt, um einen True-RMS-Wert des HF-Signals zu erzeugen.
23. Variable DC-Verstärkungsstufe nach Anspruch 22, wobei die Rückführschleife (250) ein Eingangssignal an dem DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (460) bereitstellt.
24. Variable DC-Verstärkungsstufe nach Anspruch 22, wobei die Verstärkung, welche an dem RMS-Ausgangssignal bewirkt wird, in Beziehung steht zu einem Skalar zwischen der Referenzspannung und den gemittelten, quadrierten Werten von Spannungsänderungen an dem HF-Signal.
25. Variable DC-Verstärkungsstufe nach Anspruch 22, ferner umfassend einen Logarithmierverstärker (470), gekoppelt zum Empfangen des RMS-Ausgangssignals, welcher das RMS-Ausgangssignal in einen dB-Wert umwandelt.
26. RMS-Detektor (1410) auf Strombasis, umfassend: einen HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (510), gekoppelt zum Empfangen eines HF-Eingangssignals, welcher eine erste variable Verstärkung des Eingangssignals (210) bewirkt, was einen konstanten ersten Ausgangsstrom erzwingt; einen Stromquadrierer (1440), gekoppelt zum Empfangen des konstanten ersten Ausgangsstroms, welcher einen quadrierten Ausgangsstrom aus dem konstanten ersten Ausgangsstrom erzeugt; eine Rückführschleife (250), gekoppelt zum Empfangen des quadrierten Ausgangsstroms, welche einen ersten Verstärkungswert an dem HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (510) anpasst; einen DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (460), gekoppelt mit der Rückführschleife (250), welche eine zweite variable Verstärkung an dem DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (460) anpasst, relativ zu einem zweiten Verstärkungswert, in Beziehung zu der Spannungsänderung an dem HF-Eingangssignal, wobei er einen verstärkten Ausgangs-Gleichstrom ausgibt; und einen ersten Verstärkungsblock, gekoppelt zum Empfangen des verstärkten Ausgangs-Gleichstroms, welcher den verstärkten Ausgangs-Gleichstrom dazu bringt, einem ersten Referenzstrom gleich zu sein, und welcher einen RMS-Ausgangsstrom erzeugt, der proportional ist zu einem True-RMS-Wert des HF-Eingangssignals.
27. RMS-Detektor (1410) auf Strombasis nach Anspruch 26, ferner umfassend einen DC-Verstärker mit festem Verstärkungsfaktor (610), gekoppelt zum Empfangen des konstanten ersten Ausgangsstroms, welcher eine Verstärkung des konstanten ersten Ausgangsstroms bewirkt, derart, dass der konstante erste Ausgangsstrom in einen bevorzugten Quadrierbereich des Quadrierers (1440) fällt.
28. RMS-Detektor (1410) auf Strombasis nach Anspruch 26, ferner umfassend einen zweiten Verstärkungsblock, gekoppelt innerhalb der Rückführschleife (250), welcher den quadrierten Ausgangsstrom dazu bringt, einem zweiten Referenzstrom gleich zu sein.
29. RMS-Detektor (1410) auf Strombasis nach Anspruch 26, ferner umfassend einen Mittler (240), gekoppelt zum Empfangen des quadrierten Ausgangsstroms, welcher einen gemittelten Ausgangsstrom erzeugt, gleich einem Mittelwert des quadrierten Ausgangsstroms über einen Zeitraum.
30. RMS-Detektor (1410) auf Strombasis nach Anspruch 26, ferner umfassend einen Verstärker mit festem Verstärkungsfaktor, gekoppelt zum Empfangen des RMS-Ausgangsstroms, welcher eine Verstärkung des RMS-Ausgangsstroms bewirkt, um einen True-RMS-Ausgangsstrom für das HF-Eingangssignal zu erzeugen.
31. RMS-Detektor (1410) auf Strombasis nach Anspruch 30, wobei die Verstärkung, welche an dem RMS-Ausgangssignal bewirkt wird, in einer Beziehung steht zu einem Verhältnis des quadrierten Ausgangsstroms zu einer zweiten Referenzspannung.
32. RMS-Detektor (1410) auf Spannungsbasis, umfassend: einen HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (510), gekoppelt zum Empfangen eines HF-Eingangssignals, welcher eine erste variable Verstärkung des Eingangssignals (210) bewirkt, was eine konstante erste Ausgangsspannung erzwingt; einen ersten Spannungsverstärker mit festem Verstärkungsfaktor, gekoppelt zum Empfangen der konstanten ersten Ausgangsspannung, welcher eine Verstärkung der konstanten ersten Ausgangsspannung bewirkt, was eine verstärkte, konstante erste Ausgangsspannung ergibt, die in einen bevorzugten Quadrierbereich fällt; einen Spannungsquadrierer (330), gekoppelt zum Empfangen der verstärkten, konstanten ersten Ausgangsspannung, welcher eine quadrierte Ausgangsspannung aus der verstärkten konstanten ersten Ausgangsspannung erzeugt; eine Rückführschleife (250), gekoppelt zum Empfangen der quadrierten Ausgangsspannung, welche einen ersten Verstärkungswert an dem HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (510) in Beziehung zu Spannungsänderungen in dem HF-Eingangssignal anpasst; einen DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (460), gekoppelt mit der Rückführschleife (250), welche eine zweite variable Verstärkung an dem DC-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (460) anpasst, relativ zu einem zweiten Verstärkungswert, der teilweise hergeleitet ist aus den Spannungsänderungen in dem HF-Eingangssignal, und wobei er eine verstärkte Ausgangs-Gleichspannung erzeugt; und einen ersten Verstärkungsblock, gekoppelt zum Empfangen der verstärkten Ausgangs-Gleichspannung, welcher die verstärkte Ausgangs-Gleichspannung dazu bringt, einer ersten Referenzspannung gleich zu sein, und welcher eine RMS-Ausgangsspannung erzeugt, die proportional ist zu einem True-RMS-Wert des HF-Eingangssignals.
33. RMS-Detektor (1410) auf Spannungsbasis nach Anspruch 32, ferner umfassend einen zweiten Verstärkungsblock, gekoppelt innerhalb der Rückführschleife (250), welcher die quadrierte Ausgangsspannung dazu bringt, einer zweiten Referenzspannung gleich zu sein.
34. RMS-Detektor (1410) auf Spannungsbasis nach Anspruch 32, ferner umfassend einen Mittler (240), gekoppelt zum Empfangen der quadrierten Ausgangsspannung, welcher eine gemittelte Ausgangsspannung erzeugt, gleich einem Mittelwert der quadrierten Ausgangsspannung über einen Zeitraum.
35. RMS-Detektor (1410) auf Spannungsbasis nach Anspruch 34, wobei die gemittelte Ausgangsspannung dazu gebracht wird, einer zweiten Referenzspannung gleich zu sein.
36. RMS-Detektor (1410) auf Spannungsbasis nach Anspruch 32, ferner umfassend einen Verstärker mit festem Verstärkungsfaktor, gekoppelt zum Empfangen der RMS-Ausgangsspannung, welcher eine Verstärkung der RMS-Ausgangsspannung bewirkt, um eine True-RMS-Ausgangsspannung für das HF-Eingangssignal zu erzeugen.
37. RMS-Detektor (1410) auf Spannungsbasis nach Anspruch 36, wobei die Verstärkung, welche an dem RMS-Ausgangssignal bewirkt wird, in einer Beziehung steht zu einem Verhältnis der quadrierten Ausgangsspannung zu einer zweiten Referenzspannung.
38. HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (510), umfassend: einen Eingang, welcher ein HF-Signal empfängt; eine erste Schaltung mit Differenzverstärkerpaar mit variablem Verstärkungsfaktor, gekoppelt mit dem Eingang, welche einen ersten Verstärkungspfad durch den HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (510) bereitstellt; eine zweite Schaltung mit Differenzverstärkerpaar mit variablem Verstärkungsfaktor, gekoppelt mit dem Eingang, welche einen zweiten Verstärkungspfad durch den HF-Verstärker (510) mit variablem Verstärkungsfaktor bereitstellt; eine Verstärkungs-Schnittstelle, welche ein Verstärkungs-Anpassungssignal empfängt, das eine Gesamtverstärkung über den ersten und den zweiten Verstärkungspfad definiert, wobei das Verstärkungs-Anpassungssignal wenigstens teilweise durch ein gemitteltes, quadriertes Signal erzeugt wird, welches aus dem HF-Signal erzeugt wird; und einen Ausgang, welcher einen konstanten Wert des Ausgangssignals erzwingt, auf Basis des Verstärkungs-Anpassungssignals.
39. HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (510) nach Anspruch 38, wobei der Ausgang mit einem Quadrierer (120) gekoppelt ist, welcher das Ausgangssignal quadriert.
40. HF-Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor (510) nach Anspruch 38, wobei der erste Verstärkungspfad aktiv ist, wenn ein Spannungspegel des HF-Signals niedrig ist, und wobei der zweite Verstärkungspfad aktiv ist, wenn der Spannungspegel des HF-Signals hoch ist.

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