TWI410036B - 低功率寬度動態範圍rms至dc之轉換器與用於將ㄧ輸入交流訊號轉換為ㄧ輸出直流訊號之方法 - Google Patents

低功率寬度動態範圍rms至dc之轉換器與用於將ㄧ輸入交流訊號轉換為ㄧ輸出直流訊號之方法 Download PDF

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Description

低功率寬度動態範圍RMS至DC之轉換器與用於將一輸入交流訊號轉換為一輸出直流訊號之方法
本發明係關於RMS至DC轉換器，更具體而言，係關於具有以下特性之轉換器，該等轉換器所產生電壓之變化與一交流電壓訊號之RMS電壓之對數變化成線性比例。
在無線通信系統中經常需要量測高頻訊號強度。為在此等系統中進行寬動態範圍之偵測，希望在輸出直流電壓/電流與輸入訊號功率(單位為分貝m)之間保持線性關係。即使在波峰因數(crest factor)，即峰值除以RMS值很大時，輸出量測也應當對輸入波形遲鈍。
最佳操作取決於若干因素。最重要之考慮因素是，無論輸入波形如何，均能在寬動態輸入訊號功率範圍內準確量測輸入訊號。已調變輸入訊號之快速包封(envelope)檢測有利於獲得與輸入訊號波形無關之輸出。輸入阻抗與輸入功率間之線性關係是必需的，以避免對訊號源之失真。由於系統經常會遭受非常嚴重之溫度變化，所以應當在該溫度範圍內保持穩定輸出。當然，低直流功率消耗係一重要目的。
一習知RMS至DC電壓轉換器示於第1圖中之方塊圖中。一交流訊號VIN 被施加於平方單元(cell)20之X輸入及Y輸入。該平方單元輸出被施加於電容器22，該電容器作為將施加至其上之電壓求平均。運算放大器24接收在電容器22處之電壓，且提供輸出電壓VOUT 。當不存在反饋至Z輸入之訊號時，該平方單元之輸出應當是該輸入訊號之平方的函數。在此裝置內，為了獲得直接對應於VIN 之rms值，需要輸出級來執行一平方根功能。由於被施加於此級之平方電壓會在寬擴展動態幅度範圍內變化，該轉換器將被嚴格受限於有限動態範圍之輸入訊號。因此，為擴展該輸入之動態範圍，將輸出電壓VOUT 反饋至該平均單元之Z輸入，該平方單元將施加於X、Y輸入之訊號的乘積除以該輸出電壓，以在求平均之前執行平方根功能。在除以該輸出位準之均值後，該平均訊號現在隨該輸入之rms位準線性變化，如第2圖所示。
高頻操作要求該平方單元被偏壓於一直流靜態電流，該直流靜態電流對於所有作用中電晶體均為合理。該偏壓電流之縮放比例(透過Z因數)將顯著降低該平方單元(或乘法器XY)之高頻性能。但是，該平方單元之後的直流輸入訊號幅度以指數形式增大。舉例而言，從10mV至1V之輸入訊號可在該平方單元之輸出處被縮小或擴展至2mV至10V。換言之，一40分貝範圍之輸入訊號被轉換為一80分貝範圍之輸出訊號。由於平方單元之餘裕空間(headroom)以及後續輸出訊號處理之故，該供應電壓將限制該平方單元之峰值輸入訊號。因此，該轉換器對於大的輸入訊號擁有非常有限之處理能力。由於裝置失配(mismatch)所導致之直流偏移將會限制該輸出電壓之最小可分辨偵測位準。
第3圖係第1圖之轉換之一已知變化的方塊圖，其中平衡平方單元21及23之電流輸出被求和電路26相加。VIN被施加於單元21之輸入。求和電路26之輸出被電容器26求平均，被放大器24放大，以產生輸出電壓VOUT ，該輸出電壓被施加於單元23之輸入端。求和電路26產生一訊號，其等於該等平方單元的電流之差。
總而言之，第1圖與第3圖之轉換器具有以下缺點。由於被應用於該平方單元之縮放比例因數，操作被限制於低頻。由於閉合反饋迴路(其中，該平均迴路濾波器之大Cave 設定該迴路頻寬)之原因，可獲得因應該輸入訊號變化之一緩慢輸出。此外，由於該輸出與該輸入呈線性對應關係，所以相較於一其變化與交流電壓訊號RMS電壓之對數變化成線性比例之輸出，該轉換器之動態範圍是受限的。
本揭示案克服先前技術之上述缺陷。一RMS功率至直流轉換器包括一耦接至一交流電壓輸入之平方單元。一偵測單元被耦接於該平方單元之一輸入與該轉換器之一電壓輸出節點之間。該偵測電路包括複數個偵測單元，每一單元具有一共同耦接至該電壓輸出節點之輸出。複數個增益單元之輸出被耦接至該等偵測器單元之各別單元之輸入端。該等複數個偵測器單元可以均具有實質相同之輸入電壓偵測範圍，該等增益單元可以均具有實質相同之增益。該等增益單元被串聯耦接。該等增益單元中之至少一增益單元被串聯耦接於另一增益單元與該等偵測器單元之一的輸入端之間。該轉換器之輸出節點提供一位準，其對應於該後續偵測級輸出之和，該位準隨著該輸入電壓之RMS值的分貝變化而線性變化。
一衰減電路可被耦接於該平方單元之輸入與一參考電位之間。該等增益單元之一第一增益單元的輸入被耦接至該平方單元之輸出。該等偵測器單元之一第一偵測器單元之輸入被耦接至該衰減電路之一衰減節點。可串接(cascaded)一衰減級，以擴展該轉換器之偵測範圍，用於更大之輸入訊號。該衰減電路可包括複數個串聯排列之阻抗，該衰減節點作為該等阻抗之一第一阻抗與一第二阻抗之間的第一衰減節點，一第二衰減節點形成於該等阻抗之第二阻抗與該等阻抗之一第三阻抗之間。偵測器單元在其輸入端被耦接至各別衰減節點。該第一阻抗被耦接於該平方單元輸出與該第一衰減節點之間，且可與一電壓箝位電路並聯耦接。一第二箝位電路可被耦接橫跨於該第二阻抗。
在操作中，該轉換器對該交流訊號求平方，以獲得一平方直流電壓訊號。該平方直流電壓訊號被施加至後續級，每一級放大其接收訊號，且偵測一限定範圍內之訊號的經放大位準。將該等後續級中所偵測之被偵測位準添加，以產生一輸出直流訊號，其變化與該輸入訊號之RMS電壓的對數變化成線性比例。該平方直流電壓訊號之電壓位準可被箝位至一預定最大電壓。為擴展該偵測範圍，在一或多級中，在偵測之前衰減該平方直流電壓訊號。
熟習此項技術者根據以下詳盡描述易於理解本發明之額外優點，在該詳盡描述中，僅藉由說明能夠實現本發明之最佳方式來示出及描述本發明之較佳具體實施例。將會認識到，本發明可有其他不同具體實施例，並且可在各個其他態樣對本發明之幾處細節進行修改，所有這些均不會脫離本發明。因此，該等圖式及說明在實質上應被看作說明性，而非限制性。
第4圖係根據本發明之一開放迴路功率偵測器的方塊圖，若採用分貝表示，則該偵測器為線性的。一交流訊號VIN 被輸入到平方單元20。該平方單元產生一對應於該輸入訊號之電流輸出Ix 。此輸出被施加於一電壓平均電路，該電路以示意方式表示為並聯耦接之電容器22及電阻器28。利用此平均過濾器，無論輸入訊號如何，該電壓Vx 實質為一直流分量。電壓Vx 被施加於對數至線性(Log－to－Linear)轉換器30。
第5圖係第4圖之裝置的更詳盡方塊圖。串接偵測器34至44之輸出被共同耦接至VOUT 輸出節點。增益級50至56被串聯耦接於平方單元20與偵測器44的輸入之間。可根據習知放大器及偵測電路來設置該等各增益級及偵測器。電阻衰減電路28包括串聯連接之電阻器60、62及64，被耦接於該平方單元20之輸入與接地之間。偵測器32之輸入被耦接至電阻器62與64之間一衰減節點。偵測器34之輸入被耦接至電阻器60與62之間一衰減節點。偵測器36之輸入被耦接於平方單元20之輸出端。增益級50之輸出被耦接至偵測器38之輸入。增益級52之輸出被耦接至偵測器40之輸入。增益級54之輸出被耦接至偵測器42之輸入。增益級56之輸出被耦接至偵測器44之輸入。所有偵測器產生之電流被求和，以產生一輸出電流IOUT 。施加於輸出電阻器69之電流產生輸出電壓VOUT 。
在施加輸入訊號VIN 之前，可藉由量測放大器56之輸出電壓校準Vx 處之直流偏壓。偵測器44可被設計用於偵測Vx 處之直流偏壓的極性，以進行直流偏壓調整。
在操作中，每一增益級及其偵測器負責量測該輸入訊號之一特定範圍。每一級可具有相同增益。每一偵測器具有一有限偵測範圍，例如，從30mV至100mV大約為9.5分貝。在此實例中，當其輸入電壓低於30mV時，該偵測器將對輸出電流IOUT 無貢獻。當30mV至100mV之間的電壓被施加於其輸入時，該偵測器將產生一輸出電流，該電流隨該輸入電壓之變化而成比例變化。當電壓高於100mV時，該偵測器將不再增大其對輸出電流之貢獻。
當輸入訊號VIN 之強度從零增大時，偵測器44將是第一個產生訊號之偵測器，因為其已經接收一以最大增益施加之輸入。即，該最後增益級56將該輸入訊號(其已經由增益級50至54所放大)放大至一位準，該位準足以使偵測器44開始偵測。此時，在增益級50至54輸出處之訊號的大小不足以使偵測器38至42產生偵測輸出。此時，偵測器32、34及36之輸出(其或者直接從平方單元20之輸出位準接收，或者由其一衰減部分接收)也不足以影響偵測。因此，該最小輸入訊號僅由偵測器44偵測。
當輸入訊號增大時，將達到一點，在該點，增益級56之輸出訊號將被限制於一固定輸出位準，偵測器44之輸出也被限制。增益級50至54之輸出訊號也將增大到足以使偵測器42開始產生大幅輸出電流。然後在輸出節點對偵測器42及44之輸出電流求和。隨著輸入訊號進一步增大，由其各別增益級施加至剩餘偵測器之訊號繼續增大，直到所有偵測器達到其受限輸出，且達到一最大輸出。因此，該最大輸入訊號由所有偵測器32至44偵測。藉由此等偵測器之後續偵測且對其輸出求和，對數轉換得以實現。如第6圖所示，在一寬輸入功率範圍內，該總輸出電流與輸入電壓(單位為分貝)為線性關係。
第7圖係第5圖之裝置之變化的方塊圖。電壓箝位70與電阻器60並聯耦接。從該平方單元之輸出將電容器22耦接至接地。電壓箝位72與電阻器62並聯耦接。電容器73被耦接至接地。電容器74與電阻器64並聯耦接。單增益緩衝放大器51被各別耦接於衰減電路28之一節點與偵測器32至36之一的輸入之間。
電壓箝位70至72之最簡單形式可包括一二極體。電壓箝位壓縮該電壓Vx ，而不壓縮輸出電流且不影響其輸入電壓高於最大偵測範圍(在上例中為100mV)之偵測器的偵測準確度。第一衰減級之電壓箝位70及電阻器60中之電流被合併，且施加於下一衰減級，該衰減級包括電阻器62及電壓箝位72。
與負載電阻器60、62及64相對應之電容器22、73及74形成一漣波(rippling)過濾器，以去除該高頻載波。此功能不同於對一被調變訊號(其頻率低很多)之平均功能。因此，電容器60、62及64之電容可以低得多。電容器60、62及64可被按比例增大，以形成一固定RC過濾器，用以去除高頻漣波，且在該VOUT 節點處準確偵測一高速被調變訊號。緩衝放大器51防止該高頻平方訊號被耦接至該等偵測器。從而避免了由於產生寄生直流輸出而使偵測器之準確度惡化。
當輸入電壓超出一最大值時，一偵測器不再提高其輸出電流，偵測器34之電壓輸入被箝位至(在此實例中)100mV，因此，一非常小之訊號被傳送至該等先前級，而不影響偵測準確度。藉由將已經產生最大輸出之偵測器的輸入電壓正確限制於100mV，且將所有電流重新合併至該等衰減器之輸入，該最大電壓Vx 可以被壓縮，而偵測準確度保持不變。因此，能節省該電壓餘裕空間，用於處理一更高輸入訊號。因此，RMS至DC轉換器之動態範圍可得以改進。
下面將結合以下實施實例更全面地解釋該等操作。電壓箝位70及72分別可被簡單地組態為一二極體。增益級50及51之輸入阻抗在Vx 處實質高於負載電阻(k＋1)2 *R(該負載電阻為電容器60、62及64之和)。當直流輸出電流Ix 很小時，該電流Ix 將流向電阻器60、62及64。當Ix 增大時，經增益級50至56放大後，該輸出直流訊號之大小足以使偵測器44開始產生偵測輸出電流。其餘增益級/衰減級之輸出訊號仍然夠小，使偵測器32至45不會產生偵測輸出電流。當電流Ix 增大時，其他偵測器開始偵測。
一旦Vx 之輸出直流電壓大於一特定位準(例如，大於150mV)，更高之電壓將不會使偵測器36至44產生更多輸出偵測電流。因此，在Vx 處之電壓可被理想地限制於150mV。但是，對於其他衰減級，所有輸入直流電流Ix 必須傳遞至電容器62及64，使得節點Vy 之電壓仍然不受箝位電路70之影響。利用實施該電壓藉位70之二極體，該正向二極體開始導通，將橫跨於電容器60之電壓箝位至0.7V(Vx －Vy )。由於一偵測器僅偵測一低於150mV之輸入電壓，所以該箝位二極體對於偵測器單元36至44之偵測準確度沒有影響。輸出電流Ix 之直流分量被分至電阻器60及電壓箝位70，且重新合併，以流至電阻器62。偵測器32及34將開始偵測輸入電流Ix 之增大。當Ix 進一步增大時，橫跨於電阻器62之電壓變得足夠高，使電壓箝位72中之二極體能夠導通。該電壓被再次箝位至0.7V(Vy －Vz )。
第8圖至第10圖係以圖式方式說明此示例實施例之圖表。第8圖表示對於輸入範圍為1mV至1V之電壓而言，來自該平方單元20之直流輸出電流，該直流輸出電流被乘以一負載電阻。第9圖表示在該平方單元20之輸出處的直流電壓Vx ，電路中具有電壓箝位70及72，用於相同輸入電壓範圍。第10圖表示該輸出電壓與輸入電壓(對數尺度)之關係。
在此例中。要偵測一1V輸入訊號，節點Vx 之電壓可以為(例如)37.4V，其等於輸出電流Ix 乘以該負載電阻器(k＋1)2 *R。Vx 隨輸入電壓變化之特性示於第8圖中。利用該二極體進行箝位時，如第9圖中所示，該特性隨著每一箝位電路變為作用中而變化，Vx 達到一最大值2.25V。對於高達500mV之輸入電壓VIN ，Vx 正比於Ix ，於是其被二極體電壓箝位器箝位於0.7V。如第10圖所示，對於一可被限制於3V之電源電壓，可以很好地執行對數至線性電壓轉換，而不會影響偵測準確度。
在本揭示案中，僅示出及描述本發明之較佳具體實施例，以及幾個通用性實例。應理解本發明能夠用於各種其他組合及環境中，且能夠在本文所述之發明概念範圍內改變或修改。例如，可根據需要調整各種級中之增益及偵測範圍，以獲得所需要之特性。亦可在衰減元件及箝位電路之數目及類型方面進行設計變更。
20．．．平方單元
21．．．平衡平方單元
22．．．電容器
23．．．平衡平方單元
24．．．運算放大器
26．．．求和電路
28．．．電阻器
30．．．對數至線性轉換器
32．．．偵測器
34．．．偵測器
36．．．偵測器
38．．．偵測器
40．．．偵測器
42．．．偵測器
44．．．偵測器
50．．．增益級
51．．．單增益緩衝放大器
52．．．增益級
54．．．增益級
56．．．增益級
60．．．電阻器
62．．．電阻器
64．．．電阻器
69．．．輸出電阻器
70．．．電壓箝位
72．．．電壓箝位
73．．．電容器
74．．．電容器
本發明以實例說明之，而不是以限制方式進行說明，在附圖之數字中，類似之參考數字表示類似之元件，其中：第1圖係一習知RMS至DC電壓轉換器之方塊圖。
第2圖係一圖表，其以圖式方式表示第1圖之轉換器的電壓輸出與輸入之間的關係。
第3圖係第1圖之轉換器的習知變化的方塊圖。
圖4係根據本發明之一功率偵測器的方塊圖。
第5圖係第4圖之裝置的更詳盡方塊圖。
第6圖係一圖表，其以圖式方式表示第5圖之轉換器的總輸出電流與電壓(單位為分貝)之間的關係。
第7圖係第5圖之裝置之變化的方塊圖。
第8圖係一圖表，其表示第5圖之轉換器的平方單元輸出電壓與輸入電壓之間的關係。
第9圖係一圖表，其表示第5圖之轉換器的平方單元輸出電壓與輸入電壓之間的關係。
第10圖係一圖表，表示本發明之輸出電壓與輸入電壓的關係，其採用對數比例尺。
20．．．平方單元
22．．．電容器
30．．．對數至線性轉換器
32．．．偵測器
34．．．偵測器
36．．．偵測器
38．．．偵測器
40．．．偵測器
42．．．偵測器
44．．．偵測器
50．．．增益級
52．．．增益級
54．．．增益級
56．．．增益級
60．．．電阻器
62．．．電阻器
64．．．電阻器
69．．．輸出電阻器

Claims (18)

  1. 一種用於將一輸入交流訊號轉換為一輸出直流訊號之方法，包括以下步驟：對該交流訊號進行平方，以獲得一平方直流電壓訊號；將該平方直流電壓訊號施加於後續級，其中，在每一級，該施加步驟另外包括施加一接收訊號之步驟以及偵測在該放大步驟中所產生訊號的放大位準之步驟；將在該等後續級中所偵測之該等位準添加，以產生一輸出直流訊號，該輸出直流訊號變化與該輸入訊號之RMS電壓的對數變化成線性比例。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中每一級中之該偵測步驟受限於一特定位準範圍。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該特定位準範圍對於每一級均相同。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，另外包括將該平方直流電壓訊號之電壓位準箝位至一預定電壓的步驟。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該施加步驟另外包括在該級級之一中於偵測之前衰減該平方直流電壓訊號。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中每一級中之該偵測步驟受限於該相同特定位準範圍。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該放大位準在每一後續級中增大。
  8. 一種RMS至DC轉換器，包括：一平方單元，其耦接至一交流電壓輸入節點；一偵測電路，其耦接於該平方單元之一輸出與該轉換器之一電壓輸出節點之間，該偵測電路包括複數個偵測器單元及複數個增益單元，該等偵測器單元之各別輸出與該電壓輸出節點共同耦接，該等增益單元之各別輸出耦接至該等偵測器單元之各別輸入；以及一衰減電路，其耦接於該平方單元之輸入與一參考電位之間；其中該等增益單元之一第一增益單元之一輸入被耦接至該平方單元之輸出，而該等偵測器單元之一第一偵測器單元之一輸入被耦接至該衰減電路之一衰減節點；藉此，該電壓輸出節點之電壓的變化與該交流電壓輸入節點處之RMS電壓之對數變化成線性比例。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之RMS至DC轉換器，其中該等增益單元之一第二增益單元被耦接於該衰減節點與該等偵測器單元之該第一偵測器單元之輸入之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之RMS至DC轉換器，其中該衰減電路包括：複數個串聯排列之阻抗，該衰減節點形成為該等阻抗之一第一阻抗與一第二阻抗之間的第一衰減節點，而一第二衰減節點形成於該等阻抗之第二阻抗與該等阻抗之一第三阻抗之間；以及其中該等偵測器單元之一第二偵測器單元之一輸入被耦接至該第二衰減節點。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之RMS至DC轉換器，其中該等增益單元之一第三增益單元被耦接於該第二衰減節點及該等偵測器單元之該第二偵測器單元之輸入。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之RMS至DC轉換器，其中該等複數個增益單元之至少一增益單元被串聯耦接於該等增益單元之該第一增益單元及該等偵測器單元之一第三偵測器單元之一輸入。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之RMS至DC轉換器，其中該等增益單元之該第一增益單元被直接連接至該平方單元之輸出。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之RMS至DC轉換器，其中該等複數個偵測器單元分別具有實質相同之輸入電壓偵測範圍。
  15. 如申請專利範圍第8項所述之RMS至DC轉換器，其中該等複數個增益單元分別具有實質相同之增益。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之RMS至DC轉換器，其中該第一阻抗被耦接至該平方單元輸出與該第一衰減節點之間，且另外包括一耦接橫跨於該第一阻抗的電壓箝位電路。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之RMS至DC轉換器，另外包括一耦接橫跨於該第二阻抗之第二箝位電路。
  18. 如申請專利範圍第8項所述之RMS至DC轉換器，其中該等複數個增益單元相互串聯耦接。
TW096113376A 2006-07-27 2007-04-16 低功率寬度動態範圍rms至dc之轉換器與用於將ㄧ輸入交流訊號轉換為ㄧ輸出直流訊號之方法 TWI410036B (zh)

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