TWI438444B - 功率量測電路 - Google Patents

Description

功率量測電路

此申請案係描述一種平均功率量測電路，且尤指一種電路，該種電路係構成以提供代表在其輸入所提供的平均功率之一訊號。

於訊號處理，提供訊號功率之一指示係經常為合意且有時候甚至為必要。舉例而言，於高頻RF無線應用，RF載波係可為以其具有一高波頂(crest)因數之一訊號所波封(envelope)調變；且於此等與類似的情況，提出由此訊號所提供的平均功率之一指示係可為合意。一種技術係施加該訊號至一功率量測電路，該電路係設計以提供其代表輸入之平方的一訊號作為其平均功率之一指示，其為一準確的測量而無關該訊號的波頂因數。該種方式係描述於西元2008年6月12日之美國公開申請案第2008/0136491號，其基於Min Z. Zou的名義所提出申請於西元2006年12月6日的一件申請案且為讓渡給本案的受讓人，其中，一平方單元(x² )係耦接至一平均RC濾波器，藉以提供輸入訊號之一平均功率量測。其他的電路功率量測實施係顯示且描述於西元1987年1月27日所頒發給Pullen之美國專利第4639623號、及於西元2001年1月9日所頒發給Gilbert之美國專利第6172549號(“Gilbert”專利)。

於一些RF應用，路由於一電路板的RF訊號係單端，且必須透過其形式為一平衡-不平衡(balun)變壓器之一介面而介面連接於一功率量測電路之差動輸入，該平衡-不平衡變壓器係提高電路的成本與複雜度。提出其為提供一單端輸入且免除需要平衡-不平衡變壓器之一種功率量測電路係合意。

一種功率量測電路係包含：一跨導整流器配置，包括一輸入且構成以接收其具有約50%工作週期的一週期性變化輸入電壓訊號；及，一平均濾波器，用於產生一時間平均DC輸出訊號，其正比於在該跨導整流器配置之輸入的電壓均方值且代表在該輸入之一電壓範圍內的輸入電壓訊號之平均功率。最佳結果係針對於輸入電壓為具有一50%工作週期之應用而達成，雖然應為理解的是：針對於工作週期為可變化自50%之某些應用，較不準確的結果係可接受。是以，術語“約50%工作週期”係意圖包括所有該等應用。

一種量測功率之方法係藉著其包含一跨導整流器配置之一種電路，該跨導整流器配置係包括一輸入且為構成以接收其具有約50%工作週期的一週期性變化輸入電壓訊號，該種方法係包含：產生一時間平均DC輸出訊號，其正比於在該跨導整流器配置之輸入的電壓均方值且代表在該輸入之一電壓範圍內的輸入電壓訊號之平均功率。

於圖式，圖1係顯示功率量測電路30的較佳實施例之概括方塊圖。如圖所示，一輸入電壓V_in 係施加至其具有一特定跨導整流器函數F(x)的一跨導整流器配置32之輸入。配置32之輸出係接著為施加至一平均濾波器34之輸入，用於產生一時間平均DC輸出訊號，其正比於在該配置32之輸入的電壓V_in 均方值。

該種跨導整流器配置係可採取多個形式且一者係顯示於圖2。於圖2，電晶體40係接收一偏壓電流I_o 且提供一整流電流I_x ，作為施加至該電晶體之基極(其中：V_cm 係一偏壓電壓)的輸入正弦電壓V_in 之一函數。此係造成電流為流通過其耦接於電晶體40的射極與系統接地之間的電阻器42。此配置係提供一單端的跨導整流器電路，其排除對於外部平衡-不平衡變壓器之需要。當電晶體40的集極係耦接至一平均濾波器(未顯示於圖2)，所造成的電路係產生在該濾波器輸出之一電壓，其為正比於輸入正弦電壓V_in 之平均功率。此關係係由下式而進一步瞭解：

其中：I_C40 係通過電晶體40的集極電流(安培)；R₄₂ 係射極退化電阻(歐姆)；V_T 係針對於電晶體的熱電壓(伏特)；I_S 係電晶體的基極-射極二極體之反向飽和電流(安培)；V_in 係於電晶體40的基極之輸入訊號電壓(伏特)；且 V_cm 係施加於電晶體40的基極之偏壓電壓(伏特)。

若假設V_in 係週期性且時間對稱為具有50%工作週期，諸如：一調變正弦RF載波，則該載波之振幅係於稍後一個半週期為實際相同，假定該調變之頻寬係相較於載波頻率ω_c 為小。

然後，針對於一個半週期的I_OUT 係可寫為：

且，針對於下一個半週期的I_OUT 係可寫為：

其中，I_OUT 係整流後的輸出電流。

整合跨於一個週期的此等電流，奇數階的項係刪除，留下：

I_OUT =Io+Ix (6)

運用圖2之整流器，圖1之一特定實施係顯示於圖3。如圖所示，正弦電壓輸入V_in 係施加至其顯示於48之電路的輸入50。輸入50係透過電容器52而施加至電晶體20的基極，使得電容器52係將阻斷其施加至電晶體基極之輸入電壓的任何DC分量。電晶體20的基極係亦連接至電阻器54，其接著為施加至電晶體58的射極、電阻器60、與電容器62之接合點。電阻器60的相對端係連接至電晶體64的基極，且電晶體64的射極係接著連接至電阻器66，而電晶 體64的集極係連接至電流源68。電容器62的另一平板與電阻器66的另一端係連接在一起且至其顯示於70之系統接地，而電晶體58的集極與電流源68係均連接至其顯示於72之供應電壓V_CC 輸入。電晶體58的基極係連接至電晶體64的集極。電晶體20係具有其射極為透過電阻器22而連接至系統接地，而其集極係連接至平均濾波器74。平均濾波器74係包括其彼此為並聯連接於電晶體20的集極與供應電壓輸入72之間的一負載電阻器76與電容器78。顯示於80之一第二電晶體係具有其基極為透過電阻器82而連接至其形成於電晶體58的射極、電阻器54、與電容器62之間的接合點。電晶體80的射極係透過電阻器84而連接至系統接地，而集極係透過負載電阻器86而連接至供應電壓輸入72。該種電路係提供一差動輸出，即：該電路之輸出係包括其提供在平均濾波器74的負載電阻器76與電晶體20的集極之接合點的一個輸出、及其提供在負載電阻器86與電晶體80的集極之間的接合點之一第二輸入92。因此，該電路之輸出係於該二個輸出90與92的訊號位準之間的差異。

於所述的實施例，電晶體58與64係連接形成一電流鏡。若電晶體64、20、與80係相同且具有相同的射極面積，且電阻器66、22、與84之各者的值係相同，隨著供應電壓V_CC 之施加，相同的參考或偏壓電流Iref係將流通於電晶體64、20、與80之各者的集極。一DC偏壓電流係亦將流通於電阻器60、54、與86，且若所有此等電阻器係相同值， 跨於此等電阻器之各者所產生的DC偏壓電壓係將為相同。電阻器54、與AC解耦合電容器62係對於50之輸入而呈現一控制的終端阻抗，其等於電阻器54之電阻值(測量單位為歐姆)。明確而言，該電路係產生其直接正比於遞送至電阻器54之實輸入訊號功率的一差動輸出訊號。應為理解的是：流通於電晶體64、20、與80的集極之參考電流係可相對於彼此而調整比例，藉由調整電晶體58、64、20、與80的射極面積之比例及/或調整電阻器66、22、與84的值之比例。同理，施加為跨於電阻器60、54、與86的DC偏壓電壓係亦可藉由調整該等電阻器的值之比例而調整比例。重要的是，DC偏壓電壓係係應設定以確保的是：施加在輸入的整個正弦訊號係將於其整個循環而恆為處理為單一極性的訊號，以確保其為由電晶體20所適當整流。亦應為注意的是：電晶體58之存在係以電晶體64與電阻器60所形成之一反饋迴路的部分者，作用係保持其出現在整流器(電晶體20)的DC偏壓電壓V_cm 為穩定且控制於製程與溫度變化期間。

平均濾波器74係時間平均其施加為跨於濾波器之正弦電壓。於一個實施例，電阻器76與86係較佳為相等值，電阻器22與84係相等值，且電晶體20與60係完全相同為具有相同的射極面積，使得其通過由電晶體20及電阻器22與76所形成的電路之一段的Iref係將為相等於其通過由電晶體80及電阻器84與86所形成的電路之一段的Iref。同理，跨於電阻器76與86之各者的電壓Vref係將為相同。 通過電阻器86的電流係將僅為此參考電流。然而，因為該濾波器74之電容器78的存在，電流Ix係將亦產生以造成其跨於濾波器元件之附加電壓Vsq，其代表輸入電壓的均方值。因此，藉由比較於輸入90與92的二個電壓之間的差異，各者的Vref分量係刪除而保留其代表Vsq之一訊號。最後，應為注意的是：提供於由電阻器84與86所作成的電路配置部分之電晶體80係亦補償溫度與製程變化。

圖4係圖例，顯示其響應於一10MHz正弦輸入訊號之跨導放大器的一輸出電流波形104之一實例，相較於理想的輸入電壓102平方波形。重要為注意的是：雖然輸出電流波形104係看起來不像輸入電壓平方，一旦其為藉由跨過輸出濾波器(例如：於圖3之濾波器74)所時間平均，結果係正比於輸入訊號電壓平方的平均之一DC電壓。

圖5係於圖3所示之電路配置實施的一實例之圖例，顯示其繪出響應於輸入正弦峰值振幅之該跨導整流器電路配置的時間平均輸出電流I_OUT 之響應曲線200，相較於響應於相同輸入之輸入電壓平方的理想響應曲線202。圖6係顯示自理想響應曲線202之曲線200的偏差曲線300，運用於圖5的圖例所示的資料。如可為看出於此實例，該種電路配置係維持平方律符合為具有約±0.5dB之一典型誤差而直到約250mV之一輸入振幅。藉由選取針對於電阻器66、22、與84(於圖3)之一最佳的偏壓點與射極電阻值，於理想平方律與線性響應之間的過渡係平滑化以提供較廣的動態範圍。

藉由以二或多個電晶體級與一偏置電壓源(諸如：於圖7所示者)代替各個電晶體20與80及對應的射極電阻器22與84係可能延伸該種電路配置之輸入範圍。明確而言，於圖7，電晶體402與404及其對應的射極電阻器406與408係形成一種二級式配置400且將取代各個電晶體20與80及對應的射極電阻器22與84。偏置電壓源410係用以安置不同的V_cm 電壓於各級的電晶體，使得電晶體20係操作於一個範圍且電晶體64係操作於一不同範圍。偏置電壓源410係可為以電流源412(I_OS )與一並聯RC連接(指出於414與416)所實現，如於圖8所示，提供對於各個配置之第二級的一DC路徑與低損失RF路徑。應為明顯的是：任何數目個級係可運用為具有單獨的偏置(offset)。參考圖9，於其運用針對於圖8之整流器配置的各段之二級的一種配置之時間平均輸出電流的一偏差曲線500之一個實例係顯示的是：該種電路係維持平方律(square law)性能為具有±0.5dB之一誤差而直到約500mV之一輸入振幅，顯示其關於圖3之單級整流器的偏差曲線300(顯示於圖6)的6dB改良。原則上，延伸輸入範圍之此種方法係可藉著如於圖10之600所示之具有適當的偏置電壓源與射極退化電阻器的任何數目個跨導整流器級所達成。

該種整流器電路配置之輸入阻抗係極高且具有自運用的電晶體之基極-射極電容之一電容分量。藉由運用一等效的分路50Ω電阻與一LC匹配網路以移除該基極-射極電容電抗，可能得到匹配至極高頻之一50Ω輸入。針對於如圖2所示的共射極整流器電路，輸入阻抗係相當線性，典型為達成+16dBm IIP3(“第三階的互調變截取點”)。如於圖11所示，亦可能以整流器之一種共基極形式以代替圖2的電晶體44、38、20、與60之各者。如圖所示，Vin係施加至整流器700的射極。實際上，該輸入係將具有一DC阻斷電容器，以不干擾其取代電晶體20之電晶體的偏壓點。共基極形式之一個缺點係在於：IIP3係於+2dBm為顯著較低，歸因於低射極輸入阻抗之非線性。

類似於其具有延伸範圍之共射極跨導整流器配置，共基極形式之範圍係亦可延伸於類似方式，藉著其具有適當偏置電壓源(一者為顯示於圖12之706)之二或多個共基極跨導整流器以分別取代其由電晶體20與80及對應的射極電阻器22與84所參照的各段的跨導整流器。圖12係說明一種具有延伸範圍的二級式共基極跨導整流器，包括電晶體702與704。一衰減電阻器708係連接於該二個電阻器的二個射極之間。射極衰減電阻器710與712及衰減電阻器708係選取以同時提供其匹配於高頻之一50歐姆輸入阻抗與輸出電流的適當比例，俾使總電流係維持於一延伸範圍之平方律符合。圖13係顯示圖12的配置之一種實施，其中，電阻器720係連接於電晶體702與704的基極之間，而一電流源722係提供於電晶體702與704的基極及系統接地之間。超過二級(其運用共基極配置)之配置800係亦為可行，如於圖14所示。

原則上，跨導整流器概念係可延伸至其備有適當偏壓之其他電晶體型式。圖15係顯示一種PNP電晶體，其運用作為一電流源跨導整流器配置900。圖16至19係分別顯示其為以P與N通道增強型MOSFET電晶體1002與1004、及P與N通道增強型JFET或MESFET電晶體1006與1008所實施之整流器。此等元件係具有相關於閘極電壓之汲極電流的約略平方律相依性，且將因此產生其類似於共射極與共基極整流器配置之正比於輸入閘極電壓平方的一時間平均輸出電流。此外，運用其他電晶體型式之跨導整流器配置係可修改以二或多級而延伸針對於各段的單級配置之範圍。對於熟悉此技術人士為顯明的是：其他的跨導元件係可替代於圖3所示的各個NPN電晶體以得到類似功能，包括：具有適當的偏壓電路之空乏(depletion-)模式元件。

前文係提出其設計以提供平均功率之測量、且能夠以一低供應電壓所操作之一種功率量測電路，使得其針對於電池操作式裝置為理想。再一個優點係在於：當一單端的輸入訊號係施加至該種電路的輸入，該種電路係無需一種平衡-不平衡(balun)變壓器。再者，該種電路係不需要輸入電壓之一真正的平方以計算輸入的平均功率，舉例而言，如同於Gilbert專利所述之電路所需要。此外，增加的射極電阻器係改良該種電路的偵測範圍，且多個偵測級之運用係進而增大偵測範圍。

因此，於前述的說明書所描述之方法與系統係根據本發明所構成。於此說明書所描述的示範實施例係已經提出作為舉例而非為限制，且種種的修改、組合與替代係可為熟悉此技術人士所實現而未脫離於其最廣義觀點之本發明的精神或範疇，如於隨附申請專利範圍所陳述。如本文所揭示的系統與方法、及其所有要素係包含於以下申請專利範圍之至少一項的範疇內。目前揭示的方法與系統之任一要素係均無意為放棄主張專利。

20、40、58、64、80‧‧‧電晶體

22、42、54、60、66、82、84‧‧‧電阻器

30‧‧‧功率量測電路

32‧‧‧跨導整流器配置

34‧‧‧平均濾波器

48‧‧‧電路

50‧‧‧輸入

52、62、78‧‧‧電容器

68‧‧‧電流源

70‧‧‧系統接地

72‧‧‧供應電壓輸入

74‧‧‧平均濾波器

76、86‧‧‧負載電阻器

90、92‧‧‧輸出

102‧‧‧輸入電壓

104‧‧‧輸出電流波形

200‧‧‧響應曲線

202‧‧‧理想響應曲線

300‧‧‧偏差曲線

400‧‧‧二級式配置

402、404‧‧‧電晶體

406、408‧‧‧電阻器

410‧‧‧偏置電壓源

412‧‧‧電流源

414‧‧‧電阻器

416‧‧‧電容器

500‧‧‧偏差曲線

600‧‧‧跨導整流器級

700‧‧‧整流器

702、704‧‧‧電晶體

706‧‧‧偏置電壓源

708‧‧‧衰減電阻器

710、712‧‧‧射極衰減電阻器

720‧‧‧電阻器

722‧‧‧電流源

800‧‧‧跨導整流器配置

900‧‧‧跨導整流器配置

1002‧‧‧電晶體

1004‧‧‧電晶體

1006‧‧‧電晶體

1008‧‧‧電晶體

圖1係顯示本文所述之功率量測電路的概括圖，部分於方塊形式且部分於示意形式；

圖2係一種基本的跨導整流器之示意圖；

圖3係跨導整流器配置的一個實施例之示意圖；

圖4係一種跨導整流器的輸出電流之圖例，針對於一10MHz正弦輸入；

圖5係時間平均輸出電流對輸入正弦振幅之圖例；

圖6係自一理想平方於時間平方輸出電流的偏差的一實例之圖例；

圖7係一種具有延伸範圍的跨導整流器組態的一實例之示意圖；

圖8係一種具有延伸範圍的跨導整流器的一實施例之示意圖；

圖9係針對於一種具有延伸範圍的跨導整流器之自一理想平方於時間平方輸出電流的偏差的一實例之示意圖；

圖10係一種運用n級之具有延伸範圍的跨導整流器之示意圖；

圖11係一種共基極跨導整流器之示意圖；圖12係一種具有延伸範圍的共基極跨導整流器之示意圖；圖13係一種延伸範圍的共基極跨導整流器實施之示意圖；圖14係一種多級共基極跨導整流器之示意圖；圖15係一種PNP跨導整流器之示意圖；圖16係一種PNP跨導整流器之示意圖；圖17係一種P通道MOSFET跨導整流器之示意圖；圖18係一種N通道MOSFET跨導整流器之示意圖；及圖19係一種P通道JFET或MOSFET跨導整流器之示意圖。

30．．．功率量測電路

32．．．跨導整流器配置

Claims (19)

1. 一種單端輸入功率量測電路，用以量測具有約50%工作週期的一週期性變化輸入電壓訊號之功率，該功率量測電路包含：一單端跨導整流器配置，其具有平方律符合性，該整流器配置包括一輸入經構成以接收該週期性變化輸入電壓訊號；及一平均濾波器，經耦合至該單端整流器配置且排置並構成以產生一時間平均DC輸出訊號，其正比於在該跨導整流器配置之輸入的電壓均方值且代表在該輸入之一電壓範圍內的輸入電壓訊號之平均功率。
2. 如申請專利範圍第1項之功率量測電路，其中，該平均濾波器係包括一RC濾波器。
3. 如申請專利範圍第1項之功率量測電路，其中，該平均濾波器係包括一RC濾波器，用於產生一時間平均DC輸出電壓訊號，其作為該跨導整流器配置之輸出電流的一函數且代表在一輸入電壓訊號範圍內的輸入電壓訊號之平均功率。
4. 如申請專利範圍第1項之功率量測電路，更包括：一DC偏壓阻抗配置，構成以施加一DC偏壓至該跨導整流器配置之輸入且構成以防止該週期性變化輸入電壓訊號之短路。
5. 如申請專利範圍第1項之功率量測電路，其中，該跨導整流器配置係包括其耦接至該平均濾波器並且構成的一 第一整流器元件，以便產生代表「(a)在該跨導整流器配置之輸入的均方電壓與(b)一參考電壓」之一第一輸出電壓；及其耦接至一阻抗並且構成的一第二整流器元件，以便產生代表該參考電壓之一第二輸出電壓，該功率量測電路係更包括一輸出，用於提供一輸出訊號，其代表該均方電壓為介於該第一輸出電壓與該第二輸出電壓之間的差異之一函數。
6. 如申請專利範圍第5項之功率量測電路，更包括：(a)一電流鏡，包括經排置以便產生一第一參考電流之一個電晶體元件、與(b)其形成該跨導整流器配置的該第一整流器元件之至少一個其他電晶體元件，使得一參考電流係透過該第一整流器元件所產生且為直接正比於該第一參考電流。
7. 如申請專利範圍第5項之功率量測電路，其中，該第一與該第二整流器元件係各自形成一第一級，並且其中該功率量測電路更包括：耦接至該第一與該第二整流器元件各者之至少一個附加整流器元件，使得各者係形成個別的第二級，藉以延伸輸入電壓訊號之範圍，其中，該時間平均DC輸出訊號係正比於在該跨導整流器配置之輸入的電壓均方值且代表該輸入電壓訊號之平均功率。
8. 如申請專利範圍第7項之功率量測電路，更包括：一偏置電壓源，一方面為耦接於該第一級之該第一與該第二整流器元件的各者之間且另一方面為於該第二級之對應整流器元件的各者之間。
9. 如申請專利範圍第1項之功率量測電路，其中，該跨 導整流器配置係包括一共射極跨導整流器。
10. 如申請專利範圍第1項之功率量測電路，其中，該跨導整流器配置係包括一共基極跨導整流器。
11. 如申請專利範圍第1項之功率量測電路，其中，該跨導整流器配置係包括一npn跨導整流器。
12. 如申請專利範圍第1項之功率量測電路，其中，該跨導整流器配置係包括一pnp跨導整流器。
13. 如申請專利範圍第1項之功率量測電路，其中，該跨導整流器配置係包括一p通道MOSFET跨導整流器。
14. 如申請專利範圍第1項之功率量測電路，其中，該跨導整流器配置係包括一n通道MOSFET跨導整流器。
15. 如申請專利範圍第1項之功率量測電路，其中，該跨導整流器配置係包括一p通道JFET跨導整流器。
16. 如申請專利範圍第1項之功率量測電路，其中，該跨導整流器配置係包括一n通道JFET跨導整流器。
17. 如申請專利範圍第1項之功率量測電路，其中，該跨導整流器配置係包括一p通道MESFET跨導整流器。
18. 如申請專利範圍第1項之功率量測電路，其中，該跨導整流器配置係包括一n通道MESFET跨導整流器。
19. 一種具有約50%工作週期之一週期性變化輸入電壓訊號之量測功率之方法，藉著包含一跨導整流器配置之一種電路，該跨導整流器配置係包括一單端輸入經構成以接收該週期性變化輸入電壓訊號，該種方法係包含：產生一時間平均DC輸出訊號，其正比於在該跨導整流 器配置之輸入的週期性變化輸入電壓訊號均方值，以便該時間平均DC輸出訊號係代表在該輸入之一電壓範圍內的輸入電壓訊號之平均功率。