CN112782466A - 数字辅助校准rms功率检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数字辅助校准RMS功率检测方法及系统,包括：步骤S1：在RMS功率检测器基础上，断开输入对管连接的两个PMOS管之间的漏极连接；步骤S2：在输出级加入校准负载和充电电容，获取电压输出信息、抵抗电源噪声对检测结果的影响输出信息；步骤S3：根据电压输出信息、抵抗电源噪声对检测结果的影响输出信息，加入PMOS电流镜，偏置校准输出级，获取数字辅助校准RMS功率检测结果信息。本发明通过功率检测器的检测结果与参考电压对比，运用数字逻辑控制电流比特来稳定输出电压，消除PVT变化带来的检测误差。

Description

数字辅助校准RMS功率检测方法及系统

技术领域

本发明涉及功率检测技术领域，具体地，涉及一种数字辅助校准RMS功率检测方法及系统。

背景技术

在无线收发机的接收链路中，要满足大的动态范围需求，无论在是射频前端还是在基带部分都需要使用多个AGC来调节整体增益；而在AGC模块中，功率检测器负责检测信号的功率，配合VGA控制其增益。功率检测器的精度对射频前端的增益分配有直接的影响。精度不够导致增益偏大时，会降低射频前端的线性度；增益偏小时，会增加后级模块的噪声贡献。因而需要高精度的功率检测器来控制AGC的增益变化，以此提高射频前端的性能。

目前，射频功率检测器分为二极管功率检测器，SDLA功率检测器和RMS功率检测器三种类型来实现。

第一类是如图2所示的二极管功率检测器，该功率检测器由一对三极管源极跟随器，一对电流源，两个电阻和两个电容组成。射频信号从一路的三极管基极输入，另一路保证无射频输入时，两路的检测器输出的差值作为输出电压，为0。射频信号输入的三极管连接的电容用于控制电压变化速率，另一路的电容则用于抑制电源电压噪声对输出电压的影响。这种结构的优点是消除了工艺变化引起的检测误差，但它仍然存在以下缺点：(1)和温度相关，不同温度下误差很大；(2)输入射频功率减小时检测误差增大；(3)不适合CMOS工艺集成。

第二类是SDLA功率检测器，结构如图3所示。该类型的检测器包括多级限幅放大器，若干个全波整流器和一个RC低通滤波器。射频输入信号输入进来，逐个通过这一系列的限幅放大器被逐渐放大。在此过程中，限幅放大器的输出达到输出摆幅上限，则之后会进入限幅状态，之后的限幅放大器的输出电压被限制在一个固定的电平，射频信号变成方波。全波整流器将每一级限幅放大器的输入和输出电压转化为电流，流向后面的LPF，产生最终的功率检测器输出电压。但是受工艺、电压、温度以及频率变化的影响，功率检测器的输入输出曲线会发生偏移，它的绝对检测精度非常有限。

第三类是传统的RMS功率检测器，如图4所示，处于饱和状态的伪差分对将射频信号的电压转化为电流；伪差分对上方的PMOS管对检测器提供偏置电流用于消除直流偏置有关的分量和放大射频信号有关的有用分量。LPF将与射频信号有关的电流中交流成分滤除，只留下与射频信号功率的RMS值成正比的电流成分。这样就得到了一个与射频信号幅度平方成正比的输出电流，从而检测出射频功率的RMS值。和其他功率检测器一样，RMS功率检测器的输入输出曲线也会受PVT变化以及器件失配的影响而产生偏移。

对比三类功率检测器可知，二极管功率检测器需要使用二极管或者三极管，在射频功率减小时，检测结果的误差会变大且仍受温度影响。再者，CMOS工艺无法兼容纵向的NPN管，也不能做出性能优越的三极管。SDLA功率检测器的检测结果可以通过控制单个限幅放大器的增益来改变检测精度和检测动态范围。但是受PVT变化的影响，功率检测器的输出会带有偏移，因此绝对检测精度的限度是十分狭窄的。RMS功率检测器虽然对射频信号的PAPR不敏感，但是输入范围受到检测器自身的噪声和输入对管工作区域的限制，以及检测结果仍受PVT变化影响。所以这些检测器的检测结果因存在明显的外界干扰引入了偏移。很有必要对功率检测器进行改进，以消除PVT变化带来的误差。

专利文献CN104755944A公开了一种能够检测模拟输入信号的真实均方根(RMS)功率电平的创新的器件和方法。例如，电子电路可以包括：平方电路，接收模拟输入信号，并且通过使用平方电路的模拟传输函数来处理该模拟输入信号以便产生模拟输入信号的平方输出；以及平方根电路，接收该平方输出，并且通过使用平方根电路的模拟传输函数来处理该平方输出以便产生模拟RMS输出信号，该模拟RMS输出信号表示模拟输入信号的真实RMS功率电平。该专利在流程构造和技术性能上仍然有待提高的空间。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种数字辅助校准RMS功率检测方法及系统。

根据本发明提供的一种数字辅助校准RMS功率检测方法,包括：

步骤S1：在RMS功率检测器基础上，断开输入对管连接的两个PMOS管之间的漏极连接；步骤S2：在输出级加入校准负载和充电电容，获取电压输出信息、抵抗电源噪声对检测结果的影响输出信息；步骤S3：根据电压输出信息、抵抗电源噪声对检测结果的影响输出信息，加入PMOS电流镜，偏置校准输出级，获取数字辅助校准RMS功率检测结果信息。

优选地，还包括：

步骤S4：将数字辅助校准电流电路与RMS功率检测器相连接；

所述数字辅助校准电流电路包括：PMOS电流源和NMOS电流源。

优选地，所述步骤S3还包括：

步骤S3.1：根据功率检测器检测控制信息，获取功率检测器检测结果信息。

优选地，还包括：

步骤S5：根据参考电压获取控制信息，获取不受PVT变化影响的参考电压信息。

步骤S6：根据功率检测器检测结果信息、不受PVT变化影响的参考电压信息，通过功率检测器检测的结果与不受PVT变化影响的参考电压进行对比，获取对比结果信息。

优选地，还包括：

步骤S7：根据对比结果信息，使用数字逻辑控制输出电流源的种类和电流数值，再将此电流注入校准输出级以确保输出电压稳定在对应输入功率的相应输出电压。

根据本发明提供的一种数字辅助校准RMS功率检测系统,包括：

模块M1：在RMS功率检测器基础上，断开输入对管连接的两个PMOS管之间的漏极连接；

模块M2：在输出级加入校准负载和充电电容，获取电压输出信息、抵抗电源噪声对检测结果的影响输出信息；

模块M3：根据电压输出信息、抵抗电源噪声对检测结果的影响输出信息，加入PMOS电流镜，偏置校准输出级，获取数字辅助校准RMS功率检测结果信息。

优选地，还包括：

模块M4：将数字辅助校准电流电路与RMS功率检测器相连接；

所述数字辅助校准电流电路包括：PMOS电流源和NMOS电流源。

优选地，所述模块M3还包括：

模块M3.1：根据功率检测器检测控制信息，获取功率检测器检测结果信息。

优选地，还包括：

模块M5：根据参考电压获取控制信息，获取不受PVT变化影响的参考电压信息。

模块M6：根据功率检测器检测结果信息、不受PVT变化影响的参考电压信息，通过功率检测器检测的结果与不受PVT变化影响的参考电压进行对比，获取对比结果信息。

优选地，还包括：

模块M7：根据对比结果信息，使用数字逻辑控制输出电流源的种类和电流数值，再将此电流注入校准输出级以确保输出电压稳定在对应输入功率的相应输出电压。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过功率检测器的检测结果与参考电压对比，运用数字逻辑控制电流比特来稳定输出电压，消除PVT变化带来的检测误差。

2、本发明提供一种能够消除PVT变化对功率检测的影响，提高检测精度的新型数字辅助校准RMS功率检测器。传统RMS功率检测器的基础上，加以数字辅助校准方案，旨在消除由PVT变化和器件失配产生的检测误差。新型数字辅助校准RMS功率检测器包括了功率检测器核心电路，校准电流阵列和功率检测器偏置电路；

3、本发明可以消除因PVT变化和器件失配引起的检测结果的误差，以此提高检测器的检测精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的整体流程示意图。

图2为背景技术中的二极管功率检测器示意图。

图3为背景技术中的SDLA功率检测器示意图。

图4为背景技术中的传统的RMS功率检测器示意图。

图5为本发明实施例中的第一功率检测器核心电路和数字校准电流阵列示意图。

图6为本发明实施例中的第二功率检测器核心电路和数字校准电流阵列示意图。

图7为本发明实施例中的功率检测器数字校准流程示意图。

图8为本发明实施例中的继续比较输出检测电压和输出参考电压示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种能够消除PVT变化对功率检测的影响，提高检测精度的新型数字辅助校准RMS功率检测器。传统RMS功率检测器的基础上，加以数字辅助校准方案，旨在消除由PVT变化和器件失配产生的检测误差。新型数字辅助校准RMS功率检测器包括了功率检测器核心电路，校准电流阵列和功率检测器偏置电路。

本发明所述的功率检测器核心电路用于提取与射频输入功率的RMS值成正比的直流电流，流经电阻产生输出电压信号。所述功率检测器核心电路包括偏置部分，输入级，LPF和校准输出级。所述的输入级为NMOS差分输入对管，一对隔直电阻，一对直流偏置电阻。相等的直流偏置电压通过所述直流偏置电阻连接至NMOS差分输入对管，差分形式的射频输入信号通过所述的隔直电容输入NMOS差分输入对管，叠加在一起转化为电流。NMOS差分输入对管和所述偏置部分中的NMOS管成比例关系，均工作在饱和区，因此可检测的射频信号功率存在一个上限。与NMOS管连接的PMOS电流镜成相同的比例关系，用于偏置检测器。所述的偏置部分既消除了由偏置电压产生的直流电流，又放大了射频输入信号有关的交流电流成分。这个交流电流流过LPF，只剩下与射频输入信号的RMS功率成正比的直流分量。镜像之后得到的电流流经校准输出级的电阻，产生输出电压。

校准电流阵列包括两部分的电流，NMOS电流和PMOS电流向校准负载提供电流。六个二进制权重比特控制了电流镜开启的路数，输出处的开关由那个最高控制位决定。根据功率检测器的输出电压与参考电压的大小比较，数字逻辑电路改变电流的控制比特，决定校准电流从校准负载中注入或者抽取的值。控制比特初始默认为全设为0，所述新型数字辅助校准RMS功率检测器切换至检测模式。最高控制位根据比较结果，需要向所述功率检测器核心电路的校准输出级注入电流则变为1，则变为0。然后再采用二分法改变校准电流。经过七个周期后，输出电压稳定的控制在参考电压附近。校准完毕。

功率检测器偏置电路为功率检测器核心电路中的NMOS管提供带隙基准电压经分压电阻产生所需的不同直流偏置电压，以及输入校准RMS电压和输出参考电压。由此得来的电压在PVT变化下保持恒定。

一种改进之后的RMS功率检测器核心电路。对比传统的RMS功率检测器，断开了输入对管连接的两个PMOS管之间的漏极连接，并在输出级加入校准负载和充电电容，输出电压，抵抗电源噪声对检测结果的影响。还加入了PMOS电流镜，偏置校准输出级。

一种数字辅助校准电流电路。包含PMOS电流源和NMOS电流源。通过功率检测器检测的结果与不受PVT变化影响的参考电压进行对比。使用数字逻辑控制输出电流源的种类和电流的大小，再将此电流注入校准输出级以确保输出电压稳定在对应输入功率的相应输出电压。

比如：针对传统的RMS功率检测器，加入一种数字辅助校准的方法，对其加以改进。改进后的RMS功率检测器有工作模式和校准模式。工作模式下正常地检测射频信号的功率；校准模式下输入一个已知功率的直流电压，功率检测器的输出电压会因PVT影响而变化较大。通过数字校准的电流阵列注入或者抽取电流，将输出电压稳定在某个参考电压值。此参考电压值为参考功率输入时，功率检测器在典型情况下的输出电压。所以本发明可以消除因PVT变化和器件失配引起的检测结果的误差，以此提高检测器的检测精度。

图5和图6是本发明的功率检测器核心电路和数字校准电流阵列。R3和R4是大的直流偏置电阻，接入直流偏置电压，C3和C4是隔直电容。功率检测器进入工作模式时，M2～M4处于饱和区，接相同的偏置电压；射频信号从C3和C4耦合到M3和M4的栅极，转化为与射频信号功率的RMS值成正比的直流电流和二倍频的交流电流。由于器件失配还可能存在射频信号频率的交流电流。接着经过电流镜的M7，经过LPF滤波，只留下与射频信号电压的直流分量驱动M8。功率检测器进入检测模式时，不输入射频信号，将已知信号功率对应的RMS电压输入到M3和M4的栅极，在PVT变化的影响下，输出检测电压偏离典型情况下的输出参考电压。

数字校准电流阵列输出连接至R2和R3之间。输出检测电压与输出参考电压比较，若偏大则数字校准电流阵列启动NMOS电流源，从校准输出级抽取电流；若偏小则应数字校准电流阵列启动PMOS电流源，向校准输出级注入电流。数字校准电流阵列的七个控制比特中，第一位为最高位决定电流源种类，其余为二进制电流权重，校准周期为七个时钟周期。第二位权重为25，采用二分法加快收敛速度。如图8为本发明的功率检测器数字校准流程图，第N个周期，改变第N位控制比特来改变校准电流，再继续比较输出检测电压和输出参考电压如图7，如此七个时钟周期后，功率检测器的输出电压将稳定在输出参考电压附近。改变时钟频率可以调整校准时间。

在传统的RMS功率检测器的基础上，提出一种数字辅助校准方法，消除由PVT变化带来的检测误差，提高检测精度，还能消耗更小的面积和更低的功耗。在功率检测器刚启动或者电路温度有很大变化时，可以启动数字校准，消除PVT变化带来的检测误差。该检测器具有极小的检测误差，因使用数字校准，需要的面积和功耗也控制在较好的水平。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种数字辅助校准RMS功率检测方法,其特征在于，包括：

步骤S1：在RMS功率检测器基础上，断开输入对管连接的两个PMOS管之间的漏极连接；

步骤S2：在输出级加入校准负载和充电电容，获取电压输出信息、抵抗电源噪声对检测结果的影响输出信息；

步骤S3：根据电压输出信息、抵抗电源噪声对检测结果的影响输出信息，加入PMOS电流镜，偏置校准输出级，获取数字辅助校准RMS功率检测结果信息。

2.根据权利要求1所述的数字辅助校准RMS功率检测方法,其特征在于，还包括：

步骤S4：将数字辅助校准电流电路与RMS功率检测器相连接；

所述数字辅助校准电流电路包括：PMOS电流源和NMOS电流源。

3.根据权利要求1所述的数字辅助校准RMS功率检测方法,其特征在于，所述步骤S3还包括：

步骤S3.1：根据功率检测器检测控制信息，获取功率检测器检测结果信息。

4.根据权利要求3所述的数字辅助校准RMS功率检测方法,其特征在于，还包括：

步骤S5：根据参考电压获取控制信息，获取不受PVT变化影响的参考电压信息；

步骤S6：根据功率检测器检测结果信息、不受PVT变化影响的参考电压信息，通过功率检测器检测的结果与不受PVT变化影响的参考电压进行对比，获取对比结果信息。

5.根据权利要求4所述的数字辅助校准RMS功率检测方法,其特征在于，还包括：

步骤S7：根据对比结果信息，使用数字逻辑控制输出电流源的种类和电流数值，再将此电流注入校准输出级以确保输出电压稳定在对应输入功率的相应输出电压。

6.一种数字辅助校准RMS功率检测系统,其特征在于，包括：

模块M1：在RMS功率检测器基础上，断开输入对管连接的两个PMOS管之间的漏极连接；

模块M2：在输出级加入校准负载和充电电容，获取电压输出信息、抵抗电源噪声对检测结果的影响输出信息；

模块M3：根据电压输出信息、抵抗电源噪声对检测结果的影响输出信息，加入PMOS电流镜，偏置校准输出级，获取数字辅助校准RMS功率检测结果信息。

7.根据权利要求6所述的数字辅助校准RMS功率检测系统,其特征在于，还包括：

模块M4：将数字辅助校准电流电路与RMS功率检测器相连接；

所述数字辅助校准电流电路包括：PMOS电流源和NMOS电流源。

8.根据权利要求7所述的数字辅助校准RMS功率检测系统,其特征在于，所述模块M3还包括：

模块M3.1：根据功率检测器检测控制信息，获取功率检测器检测结果信息。

9.根据权利要求8所述的数字辅助校准RMS功率检测系统,其特征在于，还包括：

模块M5：根据参考电压获取控制信息，获取不受PVT变化影响的参考电压信息；

模块M6：根据功率检测器检测结果信息、不受PVT变化影响的参考电压信息，通过功率检测器检测的结果与不受PVT变化影响的参考电压进行对比，获取对比结果信息。

10.根据权利要求9所述的数字辅助校准RMS功率检测系统,其特征在于，还包括：

模块M7：根据对比结果信息，使用数字逻辑控制输出电流源的种类和电流数值，再将此电流注入校准输出级以确保输出电压稳定在对应输入功率的相应输出电压。

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