CN112925370A - 新型鲁棒rms功率检测器及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型鲁棒RMS功率检测器及工作方法，包括：输入级电路部件和参考级电路部件；所述输入级电路部件能够将输入信号整流并低通滤波，得到与输出功率成负相关的直流电压；所述参考级电路部件能够得到随PVT变化的输出直流电压，来提供参考电压；本发明通过功率检测器的检测结果与参考电压对比，运用减法器得到一个稳定输出直流电压，消除PVT变化带来的检测误差。本发明针对传统的RMS功率检测器，利用二极管连接的NMOS管进行电压整流，输出电压范围更大。
Description
技术领域
本发明涉及检测器技术领域，具体地，涉及一种新型鲁棒RMS功率检测器及工作方法。
背景技术
在现代通信系统中，无线发射机期望以较低的发射功率以降低功耗，同时发射功率要满足通信标准的要求，提高系统性能，减小通讯用户之间干扰。因此确保上述性能的APC(自动功率控制)模块已经成为发射链路中不可或缺的组成部分。检测功率放大器的高功率输出，并反馈给射频前端或基带以控制发射功率大小和链路增益。
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1所示的三极管功率检测器，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。这种结构利用输入电压与输出电流之间的指数关系来进行检测。Q1作为输入管，Q2作为对比管用来抵消直流偏置电压，电容C1和C2用来滤除高频信号，最终输出直流电压。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)在CMOS电路中加入三极管，不利于CMOS工艺集成；(2)输入射频功率减小时检测误差增大。
第二类是SDLA功率检测器，结构如图2所示。它是由多个相同的线性限幅放大器级联，利用分段线性逼近对数函数来实现对数变换。输入信号越大，处于饱和状态的级数越多，经过逐级放大检波，最终累加输出电压近似对数函数。此结构可以做到很高精度，但是功耗很大并且面积较大，并且受工艺、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3所示，该结构是利用MOS管饱和区I-V特性，得到与输入交流电压幅度的平方成正比的电流，通过电阻负载转化成电压，电容C1用来滤除交流信号。M0a和M0b为输入管，R1和C1组成低通滤波器，滤除高频交流信号，最终直流电压从M4漏极输出。此结构同样受PVT变化的困扰，当PVT变化时，输出DC电压会剧烈变化。
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。SDLA功率检测器与RMS功率检测器都受到PVT变化的影响，这会使得最终生产的芯片结果与仿真结果大相径庭。如何消除PVT带来的影响是很有必要解决的问题。
专利文献CN107994963A公开了一种功率检测器检测范围扩展方法和装置，用于实现有效扩展功率检测器的动态检测范围的上限和下限。检测范围扩展单元对输入的待检测信号的功率进行调整得到调整后待检测信号，并将调整后待检测信号输出至功率检测器；功率检测器对调整后待检测信号的功率进行检测得到功率检测结果；监控单元根据功率检测结果确定调整后待检测信号的功率不在功率检测器的检测范围内，则通过调整衰减单元的第一变化量，调节检测范围扩展单元的预设变化量；预设变化量为第一变化量和第二变化量之间的差值。因此，可以有效扩展功率检测器的动态检测范围的上限和下限。该专利在结构和技术性能上仍然有待完善的空间。
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新型鲁棒RMS功率检测器及工作方法。
根据本发明提供的一种新型鲁棒RMS功率检测器,包括：输入级电路部件和参考级电路部件；
所述输入级电路部件能够将输入信号整流并低通滤波，得到与输出功率成负相关的直流电压；
所述参考级电路部件能够得到随PVT变化的输出直流电压，来提供参考电压。
所述输入级电路部件包括：二极管、NMOS管；
所述二极管连接的NMOS管差分对。
所述输入级电路部件包括：输入电容部件；LPF管偏置部件以及PMOS管偏置部件；
输入电容部件经过串联分压，得到与PA输出功率成比例的电压输入到NMOS管；
所述NMOS管通过二极管连接进行半波整流，整流后的电压经过电阻电容组成的低通滤波器滤除交流部分，剩下直流电压即为输出电压；
所述输入级电路部件包括：LPF管偏置部件以及PMOS管偏置部件；
所述LPF管偏置部件包括：LPF管。
所述输入级电路部件包括：PMOS管偏置部件；
所述PMOS管偏置部件包括：PMOS管。
本发明提供一种能够消除PVT变化对功率检测输出电压的影响，并且输出范围较大，无需数字校准的新型鲁棒RMS功率检测器。在传统二极管功率检测器的基础上，用MOS管替代传统二极管，并借助参考级电路，消除PVT变化带来的影响。新型鲁棒RMS功率检测器包括功率检测器核心电路，减法器以及偏置电路。
本发明所述的功率检测器核心电路分为输入级和参考级两部分，输入级电路用于将输入信号整流并低通滤波，得到与输出功率成负相关的直流电压；参考级电路用于得到随PVT变化的输出直流电压，来提供参考电压。输入级电路包括二极管连接的NMOS管差分对，输入电容，LPF以及PMOS管偏置。输入电容经过串联分压，得到与PA输出功率成比例的电压输入到NMOS管，NMOS管通过二极管连接进行半波整流，整流后的电压经过电阻电容组成的低通滤波器滤除交流部分，剩下直流电压即为输出电压。PMOS用来提供此支路电流，确定NMOS管偏置电压。直流情况下LPF的输出电压即为输入功率极小时的电压，输入功率越大，输出电压就越小。参考级电路相比于输入级电路不同之处在于NMOS管的输入直接接地，即没有输入功率的输入级。电路参数与输入级电路相同，保证无功率输入时直流工作状态相同，并且参考级的输出电压不需要电容滤波。
本发明所述的减法器包含运放与反馈电阻，为了降低电压相减时带来的误差，运放采用折叠共源共栅结构来提供高增益。输入级输出电压和参考级输出电压通过减法器相减，得到不随PVT变化的电压，此电压作为最终输出电压。减法器反馈环路极大的减小了输出电阻，具有很强的带负载能力。所述的偏置电路为减法器提供可调的共模电压，此电压由带隙基准电流流经不同的电阻数目决定，电阻数目由二比特控制字控制，最终使减法器输出电压范围在合理的范围内。
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，运用减法器得到一个稳定输出直流电压，消除PVT变化带来的检测误差；
2、本发明针对传统的RMS功率检测器，利用二极管连接的NMOS管进行电压整流，输出电压范围更大；
3、本发明加入参考级电路；使参考级输出与输入级输出通过运放相减，得到不随PVT和工艺失配变化的输出电压，提高功率检测器的检测精度。
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为三极管功率检测器结构示意图。
图2为SDLA功率检测器结构示意图。
图3为传统的RMS功率检测器结构示意图。
图4为本发明的功率检测器核心电路结构示意图。
图5为本发明减法器中的折叠共源共栅运放原理示意图。
图6为本发明减法器的结构示意图。
图7为本发明的Vref电压由带隙电路产生原理示意图。
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。
如图1-7所示，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，利用二极管连接的NMOS管对输入功率进行整流，并通过低通滤波器滤波，输出随功率变化的直流电压。加入参考级电路，其输出电压与输入功率为0时的输入级输出电压相同，输入级电压与参考级电压同时输出，供后续减法器处理。
图4本发明的功率检测器核心电路。M1～M3尺寸相同，M1和M2作为输入级对输入功率进行整流。C1，C3，C5电容值相同，C2，C4，C6电容值相同。M3作为参考级电路，整流后的电压经过R1和C7、R2和C8组成的低通滤波器，得到输出电压，同时参考级电路得到输出参考电压。M4～M6作为PMOS电流管为M1～M3提供电压偏置，尺寸相同。
图5是本发明减法器中的折叠共源共栅运放。Vp1，Vp2，Vn1,Vn2均为偏置电压，图中未包含偏置电路。图6为本发明减法器的结构图，R1～R4阻值相同，Vout和Vout_ref为检测器核心电路输出，Vpd_out为最终功率检测器输出电压。Vc为减法器的共模电压，由图7电路产生。图7中Vref电压由带隙电路产生，Vcon<1：0>控制Vc大小，以产生合适的检测器输出电压。
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 (7)
1.一种新型鲁棒RMS功率检测器,其特征在于，包括：输入级电路部件和参考级电路部件；
所述输入级电路部件能够将输入信号整流并低通滤波，得到与输出功率成负相关的直流电压；
所述参考级电路部件能够得到随PVT变化的输出直流电压。
2.根据权利要求1所述的新型鲁棒RMS功率检测器,其特征在于，所述输入级电路部件包括：二极管、NMOS管；
所述二极管连接的NMOS管差分对。
3.根据权利要求2所述的新型鲁棒RMS功率检测器,其特征在于，所述输入级电路部件包括：输入电容部件；LPF管偏置部件以及PMOS管偏置部件；
输入电容部件经过串联分压，得到与PA输出功率成比例的电压输入到NMOS管。
4.根据权利要求2所述的新型鲁棒RMS功率检测器,其特征在于，所述NMOS管通过二极管连接进行半波整流，整流后的电压经过电阻电容组成的低通滤波器滤除交流部分，剩下直流电压即为输出电压。
5.根据权利要求2所述的新型鲁棒RMS功率检测器,其特征在于，所述输入级电路部件包括：LPF管偏置部件以及PMOS管偏置部件；
所述LPF管偏置部件包括：LPF管。
6.根据权利要求2所述的新型鲁棒RMS功率检测器,其特征在于，所述输入级电路部件包括：PMOS管偏置部件；
所述PMOS管偏置部件包括：PMOS管。
7.一种新型鲁棒RMS功率检测器工作方法,其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的新型鲁棒RMS功率检测器，输出能够消除PVT变化对功率检测输出电压影响的结果。
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