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，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。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，該偏移電壓校準了包絡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

【技術領域】
[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】
[0002]在低功率接收器的設計中有幾種限制。主要一種是在達到最佳性能狀態(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。亞微細米CMOS工藝可以用在此種電路 中。
[0007]為了達到高檢測增益，使用主動射頻檢測器。操作這類檢測器的原則依賴于主動 設備的非線性轉移特征。舉例來說，在弱反相架構中M0S晶體管由指數(shù)關系控制。
[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，這也會導致它們受 制于嚴重的電流泄露，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]包絡檢測器，具有輸出電容器，在該輸出電容器上提供包絡檢測信號；
[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。至少在兩個階段， 充電和放電中，執(zhí)行該校準。
[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)行精細的閾值采樣，采取所需的極性信號。
[0027] 包絡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 載阻抗連接到電源軌；以及連接到晶體管和負載電阻之間的節(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，這使得快 速初始放電功能可以提供復位。
[0029] 優(yōu)選的，放電電路可以包括把電流驅動到地的電流源，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。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 放大器響應時間內(nèi)，放大器輸入端的不同的電壓的變化幾乎很小?？梢源_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接通時把電流驅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。快速充電之 后是慢速放電，或者快速放電之后是慢速充電。
[0032] 優(yōu)選的，輸入開關被設置為把電路輸出端連接到地用于校準模式，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的操作時間。 該時間決定了充電和放電操作何時開始和結束，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，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，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，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；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示出了更詳細顯示的部分時間圖；
[0047] 圖4示出了對應于圖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 模式的一個例子中，存在參考儲能電容器的初始復位，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。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。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，該偏移電壓校準了包絡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S1被接收，開關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操作。
[0052] 電路包括射頻包絡檢測器10,該包絡檢測器10向低頻放大器12的反相輸入端提 供檢測包絡信號。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?shù)碾妷旱脑O備和電路。
[0053] 復位電路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S3的形式。
[0054] 第二（受控制）放電電路16被設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S2,其介于非反相輸入端和地之間。
[0055] 充電電路18被設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S4的形式。
[0056] 包絡檢測器電路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的開關決定了輸出（平流）電容器Cm通過負 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，從而提供包絡檢測。電容器Cm上存儲的電壓是包絡信號，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運行射頻檢測器。為了達到這個功能，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。這將轉化成&中的增加的電 壓降。
[0059] 麗1在操作的弱反相結構中被偏置，該操作中柵極電壓和電流之間的指數(shù)關系使 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，其驅動電流80xlo到儲能電容器，當開關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S1-S4控制電路配置，它們是由校準序列發(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的部分，開關S1把電路輸 出耦合到地。晶體管麗1截止，平流電容器通過負載電阻&被Vdd充電。然后開關S2-S4 控制校準操作的不同階段。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S3來對Cref放 電。如同電路復位執(zhí)行這個初始的放電功能。校準操作可以被執(zhí)行多次。舉例來說，響應 于變化的溫度，電路老化，或者其他情況。該第一階段因此復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S4的方式實現(xiàn)。電流 源80xlo通過開關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快速到達翻轉點。放大器，因為其低電流損耗，具有較長的響應時間。
[0068] 在電容器快速充電期間，包絡檢測器的輸出會降低直到它達到放大器的閾值。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。
[0069] 校準序列發(fā)生器檢測輸出的翻轉，輸出的翻轉用于觸發(fā)低速率充電的開始。閾值 應該理想的為零，但是主要由于元件不匹配而產(chǎn)生了一個實際的值。
[0070] 在高速充電的結尾時改變開關配置所需要的時間不是關鍵的，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] 放大器的翻轉點是當產(chǎn)生電壓Vdiff與閾值交叉。然而，依據(jù)互相相關的兩個輸 入信號的改變率，放大器的響應時間（跟隨閾值被交叉的時間點）意味著當輸出翻轉（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)行非常快的充電以使閾值電壓被限度超過，然后執(zhí)行慢速的放電以保證更準確 的閾值電壓?？焖俪潆娍梢员徽J為是粗糙的閾值采樣操作，慢速放電可以被認為是精細的 閾值采樣操作，這個粗糙-精細的方法結合得到閾值電壓準確采樣的時間。
[0073] 在第二放電階段，執(zhí)行更慢的如上的操作，只閉合開關S2。電容器被緩慢的放電以 回到先前的狀態(tài)（即當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到它的閾值，因此它的 輸出翻轉從而結束整個操作。在這種情況下，校準序列發(fā)生器應該在輸出一翻轉的時候就 改變開關配置，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的控制方式。
[0076]

【權利要求】
1. 一種射頻檢測器電路，其特征在于，包括： 包絡檢測器，具有輸出電容器（Cm)，在該輸出電容器（Cm)上提供包絡檢測信號； 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在參考儲能電容器（Cref)上儲存放大器偏移電壓。
2. 如權利要求1所述的射頻檢測器電路，其特征在于，包絡檢測器電路（10)包括晶體 管（MNl)，輸入信號施加到晶體管的柵極，晶體管通過負載阻抗（RL)連接到電源軌；以及連 接到晶體管和負載電阻之間的節(jié)點的輸出濾波電容器（Cm)。
3. 如權利要求1或2所述的射頻檢測器電路，其特征在于，所述復位電路（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（S3)。
5. 如前述任一權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（S2)。
6. 如權利要求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 (S4)接通時把電流驅動到參考儲能電容器（Cref)的電流源。
7. 如權利要求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. 如前述任一權利要求所述的射頻檢測器電路，其特征在于，包括輸入開關（SI)，該 輸入開關（SI)把電路輸出端連接到地用于校準模式，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)的開關的操作時間。
10. 如前述任一權利要求所述的射頻檢測器電路，其特征在于，所述包絡檢測電路連接 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，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，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，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；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動第一電流。
15. 如權利要求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