射頻功率檢測器和檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種射頻檢測器電路，和使用具有連接到差分放大器第一輸入端的輸出端的包絡(luò)檢測器，以及連接到差分放大器第二輸入端的參考儲能電容的方法。在優(yōu)選的校準(zhǔn)模式實施例中，為參考儲能電容器(Cref)初始充電，為參考儲能電容器高速充電直到差分放大器輸出翻轉(zhuǎn)，然后為參考儲能電容器慢速放電直到差分放大器輸出翻轉(zhuǎn)。產(chǎn)生的電壓被儲存到參考儲能電容器上并用于后面的檢測模式。這提供了偏移電壓的存儲，該偏移電壓校準(zhǔn)了包絡(luò)檢測器和差分放大器。
【專利說明】射頻功率檢測器和檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及射頻功率檢測器，尤其涉及低功率射頻接收器。

【背景技術(shù)】
[0002]在低功率接收器的設(shè)計中有幾種限制。主要一種是在達(dá)到最佳性能狀態(tài)的同時消 耗最低的功率。
[0003] 為了保證低功率消耗，設(shè)計必須越簡單越好。直接的檢測（也就是沒有中頻處理， 在單一步驟中基帶轉(zhuǎn)換）是一種最簡單的解調(diào)鏈，也是消耗功率最低的。
[0004]然而，檢測信號一般不會強(qiáng)到能被直接調(diào)制，所以檢測信號需要被放大。
[0005]低功率電路還有第二個主要的限制是有泄露電流。
[0006]舉個例子來說，一種典型的接收器所需要的目標(biāo)電流消耗是在幾個UA的范圍 內(nèi)，并且它操作的溫度范圍可以從_55°C到125°C。亞微細(xì)米CMOS工藝可以用在此種電路 中。
[0007]為了達(dá)到高檢測增益，使用主動射頻檢測器。操作這類檢測器的原則依賴于主動 設(shè)備的非線性轉(zhuǎn)移特征。舉例來說，在弱反相架構(gòu)中M0S晶體管由指數(shù)關(guān)系控制。
[0008] 不同于孤立二極管實現(xiàn)的檢測器，這種主動檢測器并不容易提供補(bǔ)充信號。然而 這些信號對于保證高增益放大（直流偏移取消）來說是非常有用的。因此需要產(chǎn)生參考電 壓，把檢測信號與它進(jìn)行比較，來產(chǎn)生差分輸出，尤其是使用差分放大器的情況。這代表了 電路設(shè)計的第一個問題。
[0009]第二個問題是與差分放大器的直流偏移相關(guān)的，該差分放大器處理檢測信號和它 自己的參考值。該直流偏移取決于工藝參數(shù)和元件之間的不匹配。錯誤的施加到差分放大 器的輸入端的差分電壓會導(dǎo)致輸出被鎖定在一個高或低的值。在這種情況下，信號會丟失。
[0010] 為了保證正確的系統(tǒng)的操作，考慮到工藝和不匹配問題，必須調(diào)整所施加的差分 電壓。
[0011] 通常這些問題會被獨立的解決。為了解決單一輸出端檢測器和差分輸入放大器的 不兼容的問題，可以使用具有兩個輸出端的包絡(luò)檢測器。一個輸出端提供檢測信號，第二個 輸出端提供用于參考的電壓。
[0012] 不幸的是，這種設(shè)計需要兩個相同的檢測器電路，因此會涉及電流損耗問題。
[0013]放大器的直流偏移問題通常通過使用大的元件來減輕，但大元件在實際中不適用 于超低功耗電路。事實上這些元件占據(jù)很大的硅面積。除了成本的考慮，這也會導(dǎo)致它們受 制于嚴(yán)重的電流泄露，該電流泄露的量級可能與它們自己的電流損耗的量級是相同的。這 會影響系統(tǒng)正確的操作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的一個方面提供了一種射頻檢測器電路，包括：
[0015]包絡(luò)檢測器，具有輸出電容器，在該輸出電容器上提供包絡(luò)檢測信號；
[0016] 參考儲能電容器，用于存儲參考電壓；
[0017] 差分放大器，具有耦合到輸出電容器的第一輸入端和耦合到參考儲能電容器的第 二輸入端；
[0018] 復(fù)位電路；
[0019] 充電電路，用于以第一速率為參考儲能電容器充電；和
[0020] 放電電路，用于以不同的第二速率為參考儲能電容器放電；和
[0021] 控制器，用于控制為參考儲能電容器（充電和放電的順序，基于在充電或更低速 率的放電操作期間放大器的輸出的翻轉(zhuǎn)在參考儲能電容器上儲存放大器偏移電壓。
[0022] 該電路可提供直接接收器包絡(luò)檢測器形式的接收器鏈和電壓參考產(chǎn)生電路，它們 合在一起供給給差分放大器。
[0023] 該電路適應(yīng)于存儲直流電壓?？梢杂脜⒖純δ茈娙萜鲗崿F(xiàn)這個目的。電路以讓其 適應(yīng)于放大器的特性的方式來調(diào)整電壓水平。該電壓隨后被用作施加到放大器其中一個輸 入端的參考電壓。電路以這種方式提供檢測器和放大器的聯(lián)合的校準(zhǔn)。至少在兩個階段， 充電和放電中，執(zhí)行該校準(zhǔn)。
[0024] 電容器可以被快速充電然后慢速放電，來實施粗糙的然后精細(xì)的放大器的閾值采 樣，以使第一速率比第二速率大。
[0025] 優(yōu)選的，所述復(fù)位電路包括初始放電電路，用于為參考儲能電容器放電。
[0026] 電路可以在三個階段操作：初始放電，高速充電和低速放電。通過在降壓（放電） 執(zhí)行精細(xì)的閾值采樣，采取所需的極性信號。
[0027] 包絡(luò)檢測器電路可以包括晶體管，輸入信號施加到晶體管的柵極，晶體管通過負(fù) 載阻抗連接到電源軌；以及連接到晶體管和負(fù)載電阻之間的節(jié)點的輸出濾波電容器。
[0028] 優(yōu)選的，初始放電電路可以包括位于參考儲能電容器和地之間的開關(guān)，這使得快 速初始放電功能可以提供復(fù)位。
[0029] 優(yōu)選的，放電電路可以包括把電流驅(qū)動到地的電流源，和能使電流源選擇性地耦 合到參考儲能電容器的隔離開關(guān)。在該優(yōu)選的例子中，電路執(zhí)行相對低速的放電，以使得在 放大器響應(yīng)時間內(nèi)，放大器輸入端的不同的電壓的變化幾乎很小。可以確定合適的偏移電 壓并把它存儲到參考儲能電容器上。
[0030] 優(yōu)選的，充電電路可以包括在開關(guān)接通時把電流驅(qū)動到參考儲能電容器的電流 源。在該優(yōu)選的例子中，這個實現(xiàn)了高速充電。舉個例子，充電電路電流源的電流傳送速率 是放電電路的電流源的電流傳送速率的至少50倍。
[0031] 更通常的，一個電流源的電流傳送速率是另一個電流源的至少50被?？焖俪潆娭?后是慢速放電，或者快速放電之后是慢速充電。
[0032] 優(yōu)選的，輸入開關(guān)被設(shè)置為把電路輸出端連接到地用于校準(zhǔn)模式，或者把電路輸 出端連接到射頻輸入端用于接收模式。
[0033] 優(yōu)選的，控制器用于控制那些控制每個放電電路和充電電路的開關(guān)的操作時間。 該時間決定了充電和放電操作何時開始和結(jié)束，并且使得所需的偏移被存儲在參考儲能電 容器上。
[0034] 包絡(luò)檢測電路連接至差分放大器的反相輸入端，參考儲能電容器連接至差分放大 器的非反相輸入端。
[0035] 本發(fā)明的另一個方面提供了一種射頻檢測方法，使用射頻檢測器電路，所述射頻 檢測器電路包括包絡(luò)檢測器，其具有連接到差分放大器的第一輸入端的輸出端，以及參考 儲能電容，其連接到差分放大器的第二輸入端，所述方法包括：
[0036] 在校準(zhǔn)模式：
[0037] 耦合射頻檢測器電路的輸入端至參考電位；
[0038] 在參考儲能電容器上執(zhí)行復(fù)位操作；
[0039] 以第一速率為參考儲能電容器（Cref)充電直至差分放大器輸出翻轉(zhuǎn)，并以較低 的第二速率為參考儲能電容器（Cref)放電直至差分放大器輸出翻轉(zhuǎn)，或者以第一速率為 參考儲能電容器（Cref)放電直至差分放大器輸出翻轉(zhuǎn)，并以較低的第二速率為參考儲能 電容器（Cref)充電直至差分放大器輸出翻轉(zhuǎn)；以及
[0040] 在參考儲能電容器上存儲產(chǎn)生的電壓，和
[0041] 在檢測模式：
[0042] 耦合射頻檢測器電路的輸入端至需檢測的信號。
[0043] 優(yōu)選的，復(fù)位操作是初始放電，存在高速充電然后慢速放電。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0044] 圖1示出了本發(fā)明的電路的一個例子；
[0045] 圖2示出了解釋電路操作的時間圖；
[0046] 圖3示出了更詳細(xì)顯示的部分時間圖；
[0047] 圖4示出了對應(yīng)于圖2的沒有溫度范圍的時間圖；
[0048] 圖5示出了差分電壓隨溫度變化的圖。

【具體實施方式】
[0049] 本發(fā)明提供了一種射頻檢測器電路，和使用具有連接到差分放大器第一輸入端的 輸出端的包絡(luò)檢測器，以及連接到差分放大器第二輸入端的參考儲能電容的方法。在校準(zhǔn) 模式的一個例子中，存在參考儲能電容器的初始復(fù)位，然后參考儲能電容器高速充電或放 電直到差分放大器輸出翻轉(zhuǎn)。然后存在參考儲能電容器較慢速放電或充電直到差分放大器 輸出翻轉(zhuǎn)。產(chǎn)生電壓被儲存到參考儲能電容器上并用于后面的檢測模式。這就提供了偏移 電壓的存儲，該偏移電壓校準(zhǔn)了包絡(luò)檢測器和差分放大器函數(shù)。
[0050] 圖1示出了本發(fā)明的電路的一個例子。該優(yōu)選的例子使用了高速充電然后慢速放 電。
[0051] 射頻輸入通過開關(guān)S1被接收，開關(guān)S1接通射頻輸入或者把該輸入接地。尤其是 在電路被用于射頻接收之前用于校準(zhǔn)操作。
[0052] 電路包括射頻包絡(luò)檢測器10,該包絡(luò)檢測器10向低頻放大器12的反相輸入端提 供檢測包絡(luò)信號。存在施加到低頻放大器12的非反相輸入端的參考電壓，被保持在參考儲 能電容器Cref。本發(fā)明尤其涉及在參考儲能電容器Cref上提供適當(dāng)?shù)碾妷旱脑O(shè)備和電路。
[0053] 復(fù)位電路14表現(xiàn)為用于盡快地為參考儲能電容器Cref放電的第一放電電路14 的形式，表現(xiàn)為接地的開關(guān)S3的形式。
[0054] 第二（受控制）放電電路16被設(shè)置為提供儲能電容器的受控制的放電，如下所解 釋。它包括串聯(lián)連接的傳送電流Io的電流源和開關(guān)S2,其介于非反相輸入端和地之間。
[0055] 充電電路18被設(shè)置為從高電壓軌向儲能充電器Cref充電，表現(xiàn)為串聯(lián)連接的電 流源與開關(guān)S4的形式。
[0056] 包絡(luò)檢測器電路10可以是傳統(tǒng)的。在圖1的例子中顯示的包絡(luò)檢測器10,輸入射 頻信號被提供到NM0S晶體管麗1，晶體管麗1的開關(guān)決定了輸出（平流）電容器Cm通過負(fù) 載電阻器&充電或者通過晶體管放電。以這樣的方式，電容器Cm提供平流（即低通濾波） 功能，從而提供包絡(luò)檢測。電容器Cm上存儲的電壓是包絡(luò)信號，并且它被提供到低頻放大 器12。
[0057] 差分放大器12的非反相輸入端通過電阻器Rflt連接到晶體管MN1的柵極。
[0058] 晶體管MN1運(yùn)行射頻檢測器。為了達(dá)到這個功能，它的柵極被加上射頻信號。射 頻信號的存在修改了（特別是增加）流入麗1的平均電流。這將轉(zhuǎn)化成&中的增加的電 壓降。
[0059] 麗1在操作的弱反相結(jié)構(gòu)中被偏置，該操作中柵極電壓和電流之間的指數(shù)關(guān)系使 得檢測過程可以發(fā)生。
[0060] 保證弱反相操作的偏置電壓存儲在電容器Cref上。用于Cref的為了高效的存儲 該電壓所需的值導(dǎo)致了低的射頻阻抗（幾個歐姆），該低射頻阻抗會"縮短"射頻信號。為 了防止這個情況發(fā)生，高值電阻Rflt被設(shè)置在參考儲能電容器Cref和施加射頻電壓的晶 體管MN1的柵極之間。沒有直流電流通過該電阻，不會對偏置產(chǎn)生影響。
[0061] 充電電路包括更大的電流源，其驅(qū)動電流80xlo到儲能電容器，當(dāng)開關(guān)S4接通的 時候。更大的電流源傳送的電流可能是更小的電流源傳送電流的至少50倍。
[0062] 四個開關(guān)S1-S4控制電路配置，它們是由校準(zhǔn)序列發(fā)生器20所控制的。
[0063] 低頻放大器12的輸出被施加到提供電路輸出的限制器22。如圖所示，校準(zhǔn)序列發(fā) 生器具有依靠電流輸出控制的時序。
[0064] 電路的操作中四個不同的階段。前三個階段是初始橋準(zhǔn)的部分，開關(guān)S1把電路輸 出耦合到地。晶體管麗1截止，平流電容器通過負(fù)載電阻&被Vdd充電。然后開關(guān)S2-S4 控制校準(zhǔn)操作的不同階段。最后的，第四階段存在耦合到射頻輸入的電路輸入。
[0065] 第一階段包括參考儲能電容器Cref的放電。這涉及僅閉合開關(guān)S3來對Cref放 電。如同電路復(fù)位執(zhí)行這個初始的放電功能。校準(zhǔn)操作可以被執(zhí)行多次。舉例來說，響應(yīng) 于變化的溫度，電路老化，或者其他情況。該第一階段因此復(fù)位電路至一個固定的狀態(tài)。 [0066] 第二階段包括儲能電容器Cref的快速充電，通過僅閉合開關(guān)S4的方式實現(xiàn)。電流 源80xlo通過開關(guān)S4向儲能電容器Cref充電。放大器12的非反相輸入端連接到儲能電 容器Cref的產(chǎn)生電壓Vref，反相輸入端連接到晶體管麗1的漏極上的電壓。電壓Vdetect 等于VdcH^xIu。
[0067] 該充電步驟的目的是減小Vref和Vdetect之間的差分電壓。最后充電階段時的 電壓Vref快速到達(dá)翻轉(zhuǎn)點。放大器，因為其低電流損耗，具有較長的響應(yīng)時間。
[0068] 在電容器快速充電期間，包絡(luò)檢測器的輸出會降低直到它達(dá)到放大器的閾值。這 個降低的發(fā)生是由于Cref上的電壓增加從而逐漸接通MN1，從而增加晶體管漏極電流，從 而減少Vdetect值。在輸入之間的差異等于放大器閾值的時候，放大器的輸出翻轉(zhuǎn)。
[0069] 校準(zhǔn)序列發(fā)生器檢測輸出的翻轉(zhuǎn)，輸出的翻轉(zhuǎn)用于觸發(fā)低速率充電的開始。閾值 應(yīng)該理想的為零，但是主要由于元件不匹配而產(chǎn)生了一個實際的值。
[0070] 在高速充電的結(jié)尾時改變開關(guān)配置所需要的時間不是關(guān)鍵的，但最好保持較短， 因為它會影響后續(xù)低速放電步驟的持續(xù)時間，以及整個操作的持續(xù)時間。
[0071] 放大器的翻轉(zhuǎn)點是當(dāng)產(chǎn)生電壓Vdiff與閾值交叉。然而，依據(jù)互相相關(guān)的兩個輸 入信號的改變率，放大器的響應(yīng)時間（跟隨閾值被交叉的時間點）意味著當(dāng)輸出翻轉(zhuǎn)（更 晚）時輸入端之間存在的電壓差異是依據(jù)輸入的變化率的。
[0072] 執(zhí)行非?？斓某潆娨允归撝惦妷罕幌薅瘸^，然后執(zhí)行慢速的放電以保證更準(zhǔn)確 的閾值電壓?？焖俪潆娍梢员徽J(rèn)為是粗糙的閾值采樣操作，慢速放電可以被認(rèn)為是精細(xì)的 閾值采樣操作，這個粗糙-精細(xì)的方法結(jié)合得到閾值電壓準(zhǔn)確采樣的時間。
[0073] 在第二放電階段，執(zhí)行更慢的如上的操作，只閉合開關(guān)S2。電容器被緩慢的放電以 回到先前的狀態(tài)（即當(dāng)放大器的輸出重新變低）。慢速放電允許差分電壓的漂移，原因是他 的響應(yīng)時間是有限制的。這保證了較小的和好控制的輸入偏移，該輸入偏移保證了檢測器 的良好的敏感性。尤其是，參考儲能電壓上的電壓Vref被保持在一個點，使得偏移是小的， 并且有對的極性。
[0074] 放大器的輸出電壓被保持在Vdd直到它的輸入差分電壓達(dá)到它的閾值，因此它的 輸出翻轉(zhuǎn)從而結(jié)束整個操作。在這種情況下，校準(zhǔn)序列發(fā)生器應(yīng)該在輸出一翻轉(zhuǎn)的時候就 改變開關(guān)配置，為的是保持電容器Cref上所需的電壓。
[0075] 下表顯示了用于不同順序方法的開關(guān)的控制方式。
[0076]

【權(quán)利要求】
1. 一種射頻檢測器電路，其特征在于，包括： 包絡(luò)檢測器，具有輸出電容器（Cm)，在該輸出電容器（Cm)上提供包絡(luò)檢測信號； 參考儲能電容器（Cref)，用于存儲參考電壓； 差分放大器，具有稱合到輸出電容器（Cm)的第一輸入端和稱合到參考儲能電容器 (Cref)的第二輸入端； 復(fù)位電路（14); 充電電路（18)，用于以第一速率為參考儲能電容器（Cref)充電；和 放電電路（16)，用于以不同的第二速率為參考儲能電容器（Cref)放電；和控制器 (20)，用于控制為參考儲能電容器（Cref)充電和放電的順序，基于在充電或更低速率的放 電操作期間放大器的輸出的翻轉(zhuǎn)在參考儲能電容器（Cref)上儲存放大器偏移電壓。
2. 如權(quán)利要求1所述的射頻檢測器電路，其特征在于，包絡(luò)檢測器電路（10)包括晶體 管（MNl)，輸入信號施加到晶體管的柵極，晶體管通過負(fù)載阻抗（RL)連接到電源軌；以及連 接到晶體管和負(fù)載電阻之間的節(jié)點的輸出濾波電容器（Cm)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的射頻檢測器電路，其特征在于，所述復(fù)位電路（14)包括初 始放電電路（14)，用于為參考儲能電容器（Cref)放電，其中第一速率比第二速率快。
4. 如權(quán)利要求3所述的射頻檢測器電路，其特征在于，所述初始放電電路包括位于參 考儲能電容器（Cref)和地之間的開關(guān)（S3)。
5. 如前述任一權(quán)利要求所述的射頻檢測器電路，其特征在于，所述放電電路（16)包括 把電流驅(qū)動到地的電流源，和能使電流源選擇性地耦合到參考儲能電容器（Cref)的隔離 開關(guān)（S2)。
6. 如權(quán)利要求5所述的射頻檢測器電路，其特征在于，所述充電電路（18)包括在開關(guān) (S4)接通時把電流驅(qū)動到參考儲能電容器（Cref)的電流源。
7. 如權(quán)利要求6所述的射頻檢測器電路，其特征在于，充電電路和放電電路中較快者 的電流源的電流傳送速率是充電電路（18)和放電電路（16)中的較慢者的電流源的電流傳 送速率的至少50倍。
8. 如前述任一權(quán)利要求所述的射頻檢測器電路，其特征在于，包括輸入開關(guān)（SI)，該 輸入開關(guān)（SI)把電路輸出端連接到地用于校準(zhǔn)模式，或者把電路輸出端連接到射頻輸入 端用于接收模式。
9. 如前述任一權(quán)利要求所述的射頻檢測器電路，其特征在于，所述控制器用于控制那 些控制每個放電電路（14,16)和充電電路（18)的開關(guān)的操作時間。
10. 如前述任一權(quán)利要求所述的射頻檢測器電路，其特征在于，所述包絡(luò)檢測電路連接 至差分放大器（12)的反相輸入端，參考儲能電容器（Cref)連接至差分放大器（12)的非反 相輸入端。
11. 如前述任一權(quán)利要求所述的射頻檢測器電路，其特征在于，所述電路的輸入端通過 電阻器連接至差分放大器（12)的非反相輸入端。
12. -種射頻檢測方法，使用射頻檢測器電路，所述射頻檢測器電路包括包絡(luò)檢測器， 其具有連接到差分放大器的第一輸入端的輸出端，以及參考儲能電容，其連接到差分放大 器的第二輸入端，其特征在于，所述方法包括： 在校準(zhǔn)模式： 耦合射頻檢測器電路的輸入端至參考電位； 在參考儲能電容器上執(zhí)行復(fù)位操作； 以第一速率為參考儲能電容器（Cref)充電直至差分放大器輸出翻轉(zhuǎn)，并以較低的第 二速率為參考儲能電容器（Cref)放電直至差分放大器輸出翻轉(zhuǎn)，或者以第一速率為參考 儲能電容器（Cref)放電直至差分放大器輸出翻轉(zhuǎn)，并以較低的第二速率為參考儲能電容 器（Cref)充電直至差分放大器輸出翻轉(zhuǎn)；以及 在參考儲能電容器上存儲產(chǎn)生的電壓，和 在檢測模式： 耦合射頻檢測器電路的輸入端至需檢測的信號。
13. 如權(quán)利要求12所述的射頻檢測方法，其特征在于，所述在參考儲能電容器（Cref) 上執(zhí)行復(fù)位操作的步驟包括為參考儲能電容器（Cref)充分放電，其中充電比放電早，充電 的速率比放電的速率更快。
14. 如權(quán)利要求12或13所述的射頻檢測方法，其特征在于，所述為參考儲能電容器 (Cref)充電的步驟包括從電流源向參考儲能電容器驅(qū)動第一電流。
15. 如權(quán)利要求14所述的射頻檢測方法，其特征在于，所述為參考儲能電容器（Cref) 放電的步驟包括從參考儲能電容器向第二電流源驅(qū)動第二電流，其中所述一個電流源的電 流至少是另一個電流源的電流的50倍。
【文檔編號】H04B17/13GK104518838SQ201410521133
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】呂西·錢德納格爾, 呂西·讓 申請人:恩智浦有限公司