TWI532999B - 功率檢測器、檢測rf輸入信號之功率之方法、及檢測功率之方法 - Google Patents

功率檢測器、檢測rf輸入信號之功率之方法、及檢測功率之方法 Download PDF

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Description

功率檢測器、檢測RF輸入信號之功率之方法、及檢測功率之方法 參考相關申請案
本案請求美國臨時專利申請案第61/383,820號，申請日2010年9月17日，名稱均方根及波封檢測器之優先權，該案係以引用方式併入此處。
發明領域
本案大致上係有關於均方根(RMS)檢測器及波封檢測器。
有多種應用其中期望測量射頻(RF)信號之平均功率位準。舉例言之，在近代無線通訊系統諸如小區式電話網絡的發射與接收鏈二者中RF信號之功率測量及控制乃必要者。為了有效地使用可用頻寬，此等系統中之發射信號係使用複合調變方案，諸如劃碼多向近接(CDMA)、寬帶劃碼多向近接(WCDMA)、或微波接取全球互通服務(WiMAX)而予調變。此等複合調變信號具有時間變異性波峰因數，該因素係定義為信號之峰值對平均功率比。若使用二極體檢測或接續放大的習知功率檢測器係用來測量該信號功率，則可能導致無法容許的誤差。
近代無線通訊系統的另一項挑戰為改良用在發射鏈的功率放大器之功率效率。功率放大器的有效運用對行動通訊系統相當要緊。功率效率改良可提供顯著效益包括降低總操作成本。當發射高波峰因數信號(具有比平均功率高10+dB之峰值功率)時，改良功率放大器之功率效率尤為困難，原因在於發射器須置於深後移模式(極低平均功率輸出)來處理峰值信號位準之線性度要求。為了改良功率效率，已知對功率放大器輸入信號施加波封追蹤，及使用檢測得之波封來改變放大器操作。為了供應電力給功率放大器，可變電源供應器係用在波封追蹤系統。輸入信號波封功率位準係使用波封檢測器監測，而供給功率放大器之電力係基於監測得之波封位準而改變。更明確言之，供應器供給電壓給功率放大器係變更因而恰足以複製在一給定時間瞬間該放大器所要求的功率位準。據此，於低波封功率位準，低電源電壓供給放大器，而唯有在要求最大輸出波封功率時，亦即在輸出功率峰值時才供給完整電源電壓。
RMS功率檢測器可精準地測量RF功率而與調變型別(信號形狀或波峰因數)無關。此等複合調變方案之準確RMS計算要求長整合時間來含括隨時間變化之波封於測量值。如此，市售RMS功率檢測器通常無法提供調變信號之波封位準。
因此針對發射器系統，期望有一種功率檢測器其可提供平均功率資訊及輸入電壓波封資訊二者。
 發明概要
依據一或多個實施例之功率檢測器包括對數RMS檢測器、增益或衰減元件、及線性波封檢測器。對數RMS檢測器接收RF輸入信號及檢測該RF輸入信號之平均功率位準。增益或衰減元件也接收RF輸入信號及產生該RF輸入信號之放大或衰減版本。線性波封檢測器接收該RF輸入信號之放大或衰減版本及檢測該RF輸入信號之電壓波封，其中該增益或衰減元件可產生該RF輸入信號之一擇定的放大或衰減版本來遷移該波封檢測器之操作範圍至更高或更低功率位準。
依據一或多個實施例之檢測RF輸入信號之功率之方法包含下列步驟：使用對數RMS檢測器檢測RF輸入信號之平均功率位準；產生該RF輸入信號之放大或衰減版本；及使用該RF輸入信號之放大或衰減版本檢測該RF輸入信號之電壓波封，其中該RF輸入信號之放大或衰減版本係選擇性地產生來遷移該波封檢測器之操作範圍至更高或更低功率位準。
依據一或多個實施例之功率檢測器包括對數RMS檢測器及線性波封檢測器。對數RMS檢測器接收RF輸入信號及檢測該RF輸入信號之平均功率位準。對數RMS檢測器包括一串列增益或衰減階段其係漸進地放大或衰減該RF輸入信號。該對數RMS檢測器也包括多個均方檢測器，其中至少若干者係以來自該串列增益或衰減階段之該RF輸入信號之放大或衰減版本驅動。線性波封檢測器檢測該RF輸入信號之電壓波封。該波封檢測器係選擇性地耦接至用以接收該RF輸入信號之RF輸入端，或耦接至用以接收該RF輸入信號之放大或衰減版本之該RMS檢測器之該串列增益或衰減階段的多個增益或衰減分接頭中之一者來遷移該波封檢測器之操作範圍。
依據一或多個實施例之檢測功率之方法包含下列步驟：漸進地放大或衰減RF輸入信號來產生該RF輸入信號之多個放大或衰減版本；使用對數RMS檢測器檢測該RF輸入信號之平均功率位準，該對數RMS檢測器包括多個均方檢測器，其中至少若干者係以該RF輸入信號之該等多個放大或衰減版本驅動；及使用線性波封檢測器檢測該RF輸入信號之電壓波封，該波封檢測器接收該RF輸入信號或擇定來遷移該波封檢測器之操作範圍的該RF輸入信號之多個放大或衰減版本中之一者。
依據一或多個實施例之用以檢測RF輸入信號之電壓波封的線性波封檢測器包含多個兩極三尾胞元。各個三尾胞元包括兩個差分電晶體及一個中心電晶體。於各個三尾胞元中，該等電晶體各自具有耦接至產生尾電流之電流源之共用射極節點。各個三尾胞元之該等差分電晶體之集極係耦接在一起而形成該波封檢測器之輸出端。於各個三尾胞元中，差分輸入電壓係施加在具有DC電壓成分之該等差分電晶體之基極間，及只有一個DC電壓成分之輸入電壓係施加至該中心電晶體之基極。
依據一或多個實施例之用以檢測RF輸入信號之電壓波封的線性波封檢測器包含包含多個兩極三尾胞元。各個三尾胞元包括兩個差分電晶體及一個中心電晶體。於各個三尾胞元中，該等電晶體各自具有耦接至產生尾電流之電流源之共用射極節點。各個三尾胞元之該等差分電晶體之集極係耦接在一起而形成該波封檢測器之輸出端。於各個三 尾胞元中，第一信號係施加於該等兩個差分電晶體中之第一者與該中心電晶體之基極間，及第二信號係施加於該等兩個差分電晶體中之第二者與該中心電晶體之基極間，其中該等第一及第二信號係形成差分信號。
依據一或多個實施例之用以檢測RF輸入信號之電壓波封的線性波封檢測器包含多個兩極三尾胞元。各個三尾胞元包括兩個差分電晶體及一個中心電晶體。於各個三尾胞元中，該等電晶體各自具有耦接至產生尾電流之電流源之共用射極節點。各個三尾胞元之該等差分電晶體之集極係耦接在一起而形成該波封檢測器之輸出端。於各個三尾胞元中，差分輸入電壓係施加在具有DC電壓成分之該等差分電晶體之基極間，及具有寄生RF成分之輸入電壓係施加至該中心電晶體之基極。
本發明之各個實施例係提供於後文詳細說明部分。如所瞭解本發明可有其它不同的實施例，而其若干細節可於多個構面經修改，全部皆未悖離本發明。據此，圖式及說明部分本質上須視為說明性而非約束或限制性意義，本案範圍係指示於申請專利範圍。
100、500、600‧‧‧均方根(RMS)及波封檢測器
102、202、402、606‧‧‧RMS檢測器
104、204、404‧‧‧波封檢測器
200、400‧‧‧單一封裝體功率檢 測器
202‧‧‧線性RMS檢測器
206‧‧‧直流(DC)解耦電容器
300‧‧‧功率檢測器
402‧‧‧對數RMS檢測器
406‧‧‧單一封裝體
502‧‧‧增益/衰減區塊
602‧‧‧波封檢測器核心
604‧‧‧增益/衰減分接頭
606‧‧‧RMS檢測器
608‧‧‧放大器
610‧‧‧衰減器
700‧‧‧波封檢測器核心結構
第1圖為先前技術RMS及波封檢測器之示意圖。
第2圖為另一個先前技術RMS及波封檢測器之示意圖。
第3圖為另一個先前技術RMS及波封檢測器之示意圖。
第4圖為依據一或多個實施例RMS及波封檢測器之示意圖。
第5圖為依據一或多個額外實施例RMS及波封檢測器之示意圖。
第6圖為依據一或多個額外實施例RMS及波封檢測器之示意圖。
第7圖為依據一或多個實施例波封檢測器核心結構之示意圖。
第8圖為線圖顯示三尾胞元之輸出-輸入特性實例。
相似或相同的元件符號係用以識別共通或類似的元件。
較佳實施例之詳細說明
第1圖為示意方塊圖例示說明先前技術RMS及波封檢測器100，使用兩個分開晶片來並列檢測關注信號之平均功率及波封。此項並列處理RF檢測器技術之缺點為要求在輸入端有RF耦接器來驅動平均功率檢測通道及波封檢測通道二者。此外，此種多晶片體現可能有部分對部分變異的缺點，該變異可能發生在積體電路，及造成RMS檢測器102與波封檢測器104間無法容許的測量值不匹配。RMS檢測及波封檢測的分開體現通常也要求較大的電路板面積來容納兩個晶片及所需介面電路諸如輸入耦接器。
第2圖為提供波封及RMS功率資訊二者之先前技術單一封裝體功率檢測器200之方塊圖。RF輸入信號係透過DC解耦電容器206供給分開RMS檢測器202及波封檢測器204區塊。RMS檢測器202係屬線性型別(Vout~Sqrt(Mean(Vin2)))，表示輸出電壓係隨輸入功率之dB而指數式地改變。針對此等型別之檢測器，尤其係在較低功率位準(例如低於-10dBm)，檢測電壓位準對不匹配及環境變化諸如溫度極其敏感，如此將最低可檢測信號位準限於約-15dBm。波封檢測器204也有相似的限制，結果導致針對兩種檢測器約-15dBm至10dBm範圍之可檢測輸入功率範圍。雖然此一辦法的單純可導致較小型封裝體尺寸及較低功率耗散，但先前技術檢測器200只能用於有限的輸入信號位準。又，線性RMS檢測器輸出通常用在功率控制應用上並不佳，原因在於低輸入功率位準之讀取誤差較大之故。
第3圖例示說明提供波封及RMS功率資訊二者之另一先前技術功率檢測器。檢測器300使用伺服回授型RMS檢測架構用於高動態範圍操作。檢測器可檢測低抵-70dBm之信號位準，因而具有比較線性型RMS檢測器顯著更高的動態範圍。
波封檢測通道從伺服回授迴路之內部點接收其輸入信號，而此一經緩衝之內部點提供相對於輸入信號之平均功率位準係經標準化的輸入信號之功率波封。此一架構針對RMS及波封檢測二者提供高動態範圍(波封檢測動態範圍係等於RMS檢測範圍，可能大於70 dB)具有優異重複性(針對溫度及製程變異方面)以及RMS功率讀值與功率波封讀值間優異的匹配。但大部分波封追蹤應用方面要求波封檢測器追蹤輸入信號之電壓波封而非功率波封，因此此型架構因追蹤功率波封故不適合。
第4圖為方塊圖例示說明依據本發明之一或多個實施例提供波封及RMS功率資訊二者之單一封裝體功率檢測器400。RF輸入端耦接至分開RMS檢測器及波封檢測器方塊402、404，二方塊分開處理輸入信號。RMS檢測器402及波封檢測器404係設在單一封裝體406內且較佳設在單一晶粒上。
RMS檢測器402為對數型(Vout~Log(Mean(Vin2)))RMS檢測器，其中輸出電壓隨輸入功率之dB變化而線性地改變。對數RMS檢測器比線性RMS檢測器型別提供顯著更大的輸入動態範圍。對數RMS檢測器特別適用於功率/增益控制應用，原因在於其具有線性dB特性且於低功率位準(例如可能檢測低抵-70dBm)提供較高準確度。
RF輸入信號直接耦接波封檢測器，波封檢測動態範圍較低(限於低功率端約-15dBm及頂端約+10dBm)。
第5圖為依據一或多個額外實施例RMS及波封檢測器500之方塊圖。檢測器500係類似第4圖所示檢測器400，及進一步包括增益/衰減方塊502。於第5圖實施例中，RF輸入端係耦接增益/衰減方塊502來對輸入信號提供放大/衰減。增益/衰減方塊之輸出端係耦接波封檢測器404。波封檢測器404之操作範圍(波封檢測器精確響應的輸入信號範圍)可遷移至較低或較高功率位準。舉例言之，針對增益/衰減方塊502中的20dB增益，波封檢測器404可檢測約-35dBm至-10dBm之RF信號。
第6圖為依據一或多個額外實施例RMS及波封檢測器600之方塊圖。於此一實施例中，波封檢測器核心602係耦接至RMS檢測器606之多個增益/衰減分接頭604中之一者。
於此一實施例中，RMS檢測器606包括多個均方檢測器，其中若干者係以RF輸入信號之放大或衰減版本驅動來獲得比單一均方檢測器更寬廣的均方功率檢測範圍。RF輸入信號之放大或衰減版本係藉使用放大器608或衰減器610，運用一串列增益或衰減操作漸進地放大或衰減RF輸入信號而得。
類似第5圖之實施例，波封檢測器602之操作範圍(波封檢測器精確響應的輸入信號範圍)可遷移至較低或較高功率位準。但於第6圖之實施例中，無需額外放大/衰減，原因在於RMS檢測器606之增益/衰減分接頭可用來供應所需增益/衰減。針對7dB之增益/衰減分隔，波封檢測器之操作範圍可以7dB步階移位。舉例言之，若波封檢測器602係耦接至該架構的第三增益分接頭(距輸入信號21dB)，假定波封檢測器具25dB檢測範圍，則波封檢測器602可檢測-36dBm至-11dBm之RF信號。
第7圖示意地例示說明依據一或多個實施例之波封檢測器核心結構700，該結構可用於波封檢測，例如用在此處所述各個RMS及波封檢測器。檢測器包含多個兩極三尾胞元(於第7圖實例指示為第一階段及第二階段)。各個三尾胞元包括三個射極耦接npn兩極電晶體(Q1、Q2、Q3於第一階段，Q4、Q5、Q6於第二階段)及產生尾電流Idc1、Idc2的耦接共用射極之電流源。第一階段的電晶體Q1與Q3形成差分對，射極面積彼此相等(Ae)。第二階段的電晶體Q4與Q6形 成差分對，射極面積彼此相等(Ce)。電晶體Q2與Q5可具有與其個別差分對不同的射極面積(分別為Be及De)。B/A或D/C比可以是1，或可以大於或小於1。第一階段的電晶體Q1與Q3集極可一起耦接形成波封檢測器核心階段的輸出終端，而Q2集極係耦接至交流電(AC)地電位。同理，第二階段的電晶體Q4與Q6集極可一起耦接形成波封檢測器核心階段的輸出終端，而Q5集極係耦接至AC地電位。
於此一組態中，差分輸入電壓Vinp=INP-INN係施加在電晶體Q1、Q3及Q4、Q6的基極間，直流電壓成分標示為「DC」。中心電晶體Q2及Q5之基極只接收直流成分「DC」。於另一個實施例中，中心電晶體可接收寄生RF成分。於又一個實施例中，電晶體Q1、Q3或Q4、Q6差分對中之一者可在其基極接收DC電壓，而另二電晶體(Q1、Q3中之一者及亦Q2，或者Q4、Q6中之一者及亦Q5)可接收輸入信號，該輸入信號有效地產生橫過Q1-Q2=Q4-Q5(=Vinp/2)及Q3-Q2=Q6-Q5(=-Vinp/2)基極輸入端之差分電壓。
於第7圖例示說明之實施例中，兩型三尾胞元用在波封檢測器核心(第一階段=第一型，第二階段=第二型)。第二型階段使用耦接至差分對電晶體Q4、Q6之該射極與共用射極節點(其係耦接至電流源)間之兩個射極簡併(degeneration)電阻器R2。簡併電阻器當用於適當D/C比(於本實施例中較佳地D/C>>1)時，針對中及高位準輸入信號，線性化該階段的輸出-輸入轉移曲線。另一方面，第一階段使用耦接在中心電晶體Q2之射極與共用射極節點間的單一 射極簡併電阻器R1。針對具有適當B/A比(於本實施例中較佳地B/A<1)的較低輸入信號位準，簡併電阻器線性化該組合結構(包括第一型及第二型階段)的輸出-輸入轉移曲線。摘要言之，射極簡併電阻器R1及R2擴展波封檢測器核心之線性操作輸入電壓範圍。第8圖顯示第一型及第二型階段及組合結構之輸出-輸入特性實例。如圖所示，第二型階段針對輸入信號位準提供Vinp>150mV的約略線性特性，而組合結構針對輸入信號位準提供Vinp>50mV的約略線性特性，結果導致動態範圍之顯著改良。
須注意額外第二型階段可與不同簡併值及D/C比並列提供來更進一步增加較高信號位準之動態範圍。
須瞭解雖然前文已經就特定實施例說明本發明，但前述實施例僅供舉例說明之用而非限制或界定本發明之範圍。各個其它實施例包括但非限於下列也係落入於申請專利範圍之範圍內。舉例言之，此處所述元件及組件可更進一步劃分成額外組件或接合在一起形成更少組件來執行相同功能。
400‧‧‧單一封裝體功率檢測器
402‧‧‧對數均方根(RMS)檢測器
404‧‧‧波封檢測器
406‧‧‧單一封裝體

Claims (20)

  1. 一種功率檢測器，其係包含：一對數均方根(RMS)檢測器，其組配來接收一射頻(RF)輸入信號及檢測該RF輸入信號之平均功率位準，以提供該RF輸入信號的RMS資訊；及一線性波封檢測器，其組配來接收該RF輸入信號，並檢測該RF輸入信號之電壓波封，以並行於該對數RMS檢測器提供該RF輸入信號的RMS資訊之運作而提供該RF輸入信號的電壓波封資訊；其中該對數RMS檢測器及該波封檢測器係整合於一單一封裝體中。
  2. 如請求項1之功率檢測器，其中該RMS檢測器及該波封檢測器係整合於一單一晶粒上。
  3. 如請求項1之功率檢測器，其中該線性波封檢測器包含多個雙極性三尾胞元，各三尾胞元包括兩個差分電晶體及一中心電晶體，其中在各三尾胞元中，該等電晶體各具有耦接至一產生尾電流的電流源之一共射極節點，其中各三尾胞元中該等差分電晶體的集極係耦接在一起以形成該波封檢測器的一輸出，以及其中在各三尾胞元中，一差分輸入電壓係隨一DC電壓成分施加於該等差分電晶體的基極之間，及僅具有一DC電壓成分的一輸入電壓係施加於該中心電晶體的基極上。
  4. 如請求項1之功率檢測器，其中該線性波封檢測器包含多個雙極性三尾胞元，各三尾胞元包括兩個差分電晶體及一中心電晶體，其中在各三尾胞元中，該等電晶體各具有耦接至一產生尾電流的電流源之一共射極節點，其中各三尾胞元中該等差分電晶體的集極係耦接在一起以形成該波封檢測器的一輸出，以及其中在各三尾胞元中，一第一信號係施加於該等二差分電晶體中的一第一電晶體之基極和該中心電晶體的基極之間，以及一第二信號係施加於該等二差分電晶體中的一第二電晶體之基極和該中心電晶體的基極之間，其中該第一及該第二信號形成一差分信號。
  5. 如請求項1之功率檢測器，其中該線性波封檢測器包含多個雙極性三尾胞元，各三尾胞元包括兩個差分電晶體及一中心電晶體，其中在各三尾胞元中，該等電晶體各具有耦接至一產生尾電流的電流源之一共射極節點，其中各三尾胞元中該等差分電晶體的集極係耦接在一起以形成該波封檢測器的一輸出，以及其中在各三尾胞元中，一差分輸入電壓係隨一DC電壓成分施加於該等差分電晶體之基極之間，以及具一寄生RF成分的一輸入電壓係施加於該中心電晶體之基極上。
  6. 一種檢測RF輸入信號之功率之方法，該方法包含下列步 驟：(a)使用一對數RMS檢測器檢測一RF輸入信號之平均功率位準；及(b)並行於步驟(a)，使用一線性波封檢測器檢測該RF輸入信號之電壓波封，以提供該RF輸入信號的電壓波封資訊；其中該對數RMS檢測器及該波封檢測器係整合於一單一封裝體中。
  7. 如請求項6之方法，其中該RMS檢測器及該波封檢測器係整合於一單一晶粒上。
  8. 一種功率檢測器，其係包含：一對數均方根(RMS)檢測器，其組配來接收一射頻(RF)輸入信號及檢測該RF輸入信號之平均功率位準；一增益或衰減元件，其組配來接收該RF輸入信號，並產生該RF輸入信號之一放大或衰減版本；及一線性波封檢測器，其組配來接收該RF輸入信號之該放大或衰減版本，及檢測該RF輸入信號之電壓波封以提供該RF輸入信號的電壓波封資訊，其中該增益或衰減元件可產生該RF輸入信號之一擇定的放大或衰減版本來遷移該波封檢測器之操作範圍至更高或更低功率位準。
  9. 如請求項8之功率檢測器，其中該對數RMS檢測器、該波封檢測器及該增益或衰減元件係整合於一單一封裝體中。
  10. 如請求項8之功率檢測器，其中該對數RMS檢測器、該波封檢測器及該增益或衰減元件係整合於一單一晶粒上。
  11. 一種檢測RF輸入信號之功率之方法，該方法包含下列步驟：使用一對數RMS檢測器檢測一RF輸入信號之平均功率位準；產生該RF輸入信號之一放大或衰減版本；及使用該RF輸入信號之該放大或衰減版本檢測該RF輸入信號之電壓波封，以提供該RF輸入信號的電壓波封資訊，其中該RF輸入信號之該放大或衰減版本係選擇性地產生來遷移該波封檢測器之操作範圍至更高或更低功率位準，其中一線性波封檢測器係用來檢測該RF輸入信號的該電壓波封。
  12. 如請求項11之方法，其中一增益或衰減元件係使用來產生該RF輸入信號之該放大或衰減版本。
  13. 如請求項12之方法，其中該對數RMS檢測器、該波封檢測器及該增益或衰減元件係整合於一單一封裝體中。
  14. 如請求項12之方法，其中該對數RMS檢測器、該波封檢測器及該增益或衰減元件係整合於一單一晶粒上。
  15. 一種功率檢測器，其係包含：一對數均方根(RMS)檢測器，其組配來接收一射頻(RF)輸入信號及檢測該RF輸入信號之平均功率位準，該對數RMS檢測器包括一系列漸進地放大或衰減該RF輸 入信號的增益或衰減階段，該對數RMS檢測器亦包括多個均方檢測器，該等均方檢測器中至少若干者係以來自該系列增益或衰減階段之該RF輸入信號之放大或衰減版本驅動；及一線性波封檢測器，其組配來檢測該RF輸入信號之電壓波封以提供該RF輸入信號的電壓波封資訊，該波封檢測器係選擇性地耦接至用以接收該RF輸入信號之一RF輸入端、或耦接至用以接收該RF輸入信號之一放大或衰減版本之該RMS檢測器中該系列增益或衰減階段的多個增益或衰減分接頭中之一者以遷移該波封檢測器之操作範圍。
  16. 如請求項15之功率檢測器，其中該對數RMS檢測器及該波封檢測器係整合於一單一封裝體中。
  17. 如請求項15之功率檢測器，其中該對數RMS檢測器及該波封檢測器係整合於一單一晶粒上。
  18. 一種檢測功率之方法，該方法包含下列步驟：漸進地放大或衰減一RF輸入信號來產生該RF輸入信號之多個放大或衰減版本；使用一對數RMS檢測器檢測該RF輸入信號之平均功率位準，該對數RMS檢測器包括多個均方檢測器，該等均方檢測器中至少若干者係以該RF輸入信號之該等多個放大或衰減版本驅動；及使用一線性波封檢測器檢測該RF輸入信號之電壓波封以提供該RF輸入信號的電壓波封資訊，該線性波封 檢測器組配來接收該RF輸入信號或擇定來遷移該波封檢測器之操作範圍的該RF輸入信號之多個放大或衰減版本中之一者。
  19. 如請求項18之方法，其中該對數RMS檢測器及該波封檢測器係整合於一單一封裝體中。
  20. 如請求項18之方法，其中該對數RMS檢測器及該波封檢測器係整合於一單一晶粒上。
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