专利名称：Rms和包络检测器的制作方法
技术领域：
本申请总体上涉及均方根(RMS)检测器和包络检测器。
背景技术：
存在许多其中期望测量射频(RF)信号的平均功率电平的应用。例如，在现代无线通信系统(如蜂窝电话网络)的传送链和接收链二者中对RF信号的功率测量和控制可能是必要的。为了高效使用可用带宽，使用复合调制方案(如码分多址(CDMA)、宽带码分多址 (WCDMA)或全球微波接入互操作性(WiMAX))来对在这些系统中传送的信号进行调制。这些复合调制的信号具有随时间变化的波峰因数，该波峰因数被定义为信号的峰值功率与平均功率比。如果使用二极管检测或连续放大的传统功率检测器被用来测量信号功率，则可能造成不可容忍的误差。现代无线通信系统中的另一项挑战是改进传送链中所使用的功率放大器的功率效率。对功率放大器的高效使用在移动通信系统中是重要的。改进的功率效率可以提供显著的优点，包括较低的总体操作成本。改进功率放大器的功率效率在传送高波峰因数信号 (具有比平均功率更多10+dB的峰值功率)时尤其困难，这是由于应当将发射机置于深回退模式(非常低的平均功率输出)以便应对对峰值信号电平的线性需求。为了改进功率效率， 已知将包络跟踪应用于功率放大器输入信号并使用检测到的包络来改变放大器操作。为了将功率供给功率放大器，在包络跟踪系统中利用可变电源。使用包络检测器来监控输入信号包络功率电平，并且基于所监控的包络电平来改变供给功率放大器的功率。具体地，改变供给功率放大器的供电电压以便恰好足以在给定时刻再产生放大器所需的功率电平。相应地，在低包络功率电平下，向放大器提供较低供电电压，并且，仅当需要最大输出包络功率时(即，在输出功率峰值下)才提供全部供电电压。RMS功率检测器可以精确测量RF功率而不依赖于调制类型(信号形状或波峰因数)。这些复合调制方案的准确RMS计算需要长的积分时间来将随时间变化的包络包括在测量中。因此，商业上可用的RMS功率检测器一般不能提供经过调制的信号的包络电平。因此，对于发射机系统，期望具有提供平均功率信息和输入电压包络信息二者的功率检测器。
发明内容
根据一个或多个实施例的功率检测器包括对数RMS检测器、增益或衰减元件和线性包络检测器。对数RMS检测器接收RF输入信号并检测RF输入信号的平均功率电平。增益或衰减元件也接收所述RF输入信号并产生RF输入信号的放大或衰减型式。线性包络检测器接收RF输入信号的放大或衰减型式并检测RF输入信号的电压包络，其中，增益或衰减元件可以产生RF输入信号的所选放大或衰减型式，以将包络检测器的操作范围移位至更高或更低功率电平。根据一个或多个实施例的检测RF输入信号的功率的方法包括以下步骤使用对数RMS检测器来检测RF输入信号的平均功率电平；产生RF输入信号的放大或衰减型式；以及使用RF输入信号的放大或衰减型式来检测RF输入信号的电压包络，其中，RF输入信号的放大或衰减型式被选择性地产生以将包络检测器的操作范围移位至更高或更低功率电平。根据一个或多个实施例的功率检测器包括对数RMS检测器和线性包络检测器。对数RMS检测器接收RF输入信号并检测RF输入信号的平均功率电平。对数RMS检测器包括渐进地放大或衰减RF输入信号的一系列增益或衰减级。对数RMS检测器还包括多个均方 (mean square)检测器，所述均方检测器中的至少一些是利用来自该系列增益或衰减级的 RF输入信号的放大或衰减型式来驱动的。线性包络检测器检测RF输入信号的电压包络。 该包络检测器选择性地耦合至RF输入以接收RF输入信号，或者耦合至RMS检测器的该系列增益或衰减级的多个增益或衰减抽头(tap)的其中之一以接收RF输入信号的放大或衰减型式，以便对包络检测器的操作范围进行移位。根据一个或多个实施例的检测功率的方法包括以下步骤渐进地放大或衰减RF 输入信号以产生RF输入信号的多个放大或衰减型式；使用包括多个均方检测器的对数RMS 检测器来检测RF输入信号的平均功率电平，所述均方检测器中的至少一些是利用RF输入信号的多个放大或衰减型式来驱动的；以及使用线性包络检测器来检测RF输入信号的电压包络，所述线性包络检测器接收RF输入信号或者接收RF输入信号的多个放大或衰减型式中的被选择用来移位包络检测器的操作范围的一个放大或衰减型式。根据一个或多个实施例的用于检测RF输入信号的电压包络的线性包络检测器包括多个双极型三尾单元(bipolar triple-tail cell)。每个三尾单元包括两个差分晶体管和一个中央晶体管。在每个三尾单元中，每一个晶体管都具有耦合至产生尾电流的电流源的共发射极节点。每个三尾单元的差分晶体管的集电极耦合在一起，从而形成包络检测器的输出。在每个三尾单元中，在各差分晶体管的基极之间施加具有DC电压分量的差分输入电压，并且对中央晶体管的基极施加仅具有DC电压分量的输入电压。根据一个或多个实施例的用于检测RF输入信号的电压包络的线性包络检测器包括多个双极型三尾单元。每个三尾单元包括两个差分晶体管和一个中央晶体管。在每个三尾单元中，每一个晶体管都具有耦合至产生尾电流的电流源的共发射极节点。每个三尾单元的差分晶体管的集电极耦合在一起，从而形成包络检测器的输出。在每个三尾单元中，在所述两个差分晶体管中的第一差分晶体管的基极与所述中央晶体管的基极之间施加第一信号，并且在所述差分晶体管中的第二差分晶体管的基极与所述中央晶体管的基极之间施加第二信号，其中，第一信号和第二信号形成差分信号。根据一个或多个实施例的用于检测RF输入信号的电压包络的线性包络检测器包括多个双极型三尾单元。每个三尾单元包括两个差分晶体管和一个中央晶体管。在每个三尾单元中，每一个晶体管都具有耦合至产生尾电流的电流源的共发射极节点。每个三尾单元的差分晶体管的集电极耦合在一起，从而形成包络检测器的输出。在每个三尾单元中，在各差分晶体管的基极之间施加具有DC电压分量的差分输入电压，并且对中央晶体管的基极施加具有寄生RF分量的输入电压。在以下具体实施方式
中提供了本发明的各个实施例。如将认识到的那样，本发明能具有其他且不同的实施例，并且其若干细节可能能够在各个方面得以修改，所有都不脱离本发明。相应地，附图和描述应视为本质上说明性的，而不具有约束或限制意义，其中在权利要求中指定本申请的范围。
图1是一个现有技术RMS和包络检测器的示意图。图2是另一现有技术RMS和包络检测器的示意图。图3是另一现有技术RMS和包络检测器的示意图。图4是根据一个或多个实施例的RMS和包络检测器的示意图。图5是根据一个或多个其他实施例的RMS和包络检测器的示意图。图6是根据一个或多个其他实施例的RMS和包络检测器的示意图。图7是根据一个或多个实施例的包络检测器核心结构的示意图。图8是图示三尾单元的示例性输出-输入特性的曲线图。使用相似或相同的参考标记来标识公用或类似的元件。
具体实施例方式图1是图示一个现有技术RMS和包络检测器100的示意框图，该RMS和包络检测器100使用两个分离的芯片102、104来并行检测感兴趣的信号的平均功率和包络。不利的是，该并行处理RF检测器技术在输入处需要RF耦合器来驱动平均功率检测信道和包络检测信道二者。此外，这种多芯片实施方式可能遭受部件间变化(part-to-part variation), 其可能发生在集成电路中并导致RMS检测器102与包络检测器104之间不可容忍的测量失配。RMS和包络检测的分立实施方式一般还需要更大的板面积来容纳芯片和所需的接口电路(诸如输入耦合器)二者。图2是提供包络和RMS功率信息二者的现有技术单个封装功率检测器200的框图。通过DC去耦合电容器206将RF输入提供给分离的RMS检测器和包络检测器块202、 204。RMS检测器202是线性类型的(Vout Sqrt (Mean (Vin2)))，意味着针对输入功率的dB 变化，输出电压按指数规律变化。对于这些类型的检测器，尤其是在较低功率电平(例如小于-IOdBm)下，检测到的电压电平对失配以及环境变化(如温度)非常敏感，并且这将最小可检测信号电平限制在大约-15daii。包络检测器204也具有类似的限制，导致对于这两个检测器，可检测输入功率范围为大约-15daii至lOcffim。尽管该方法的简单性可以导致更小的封装尺寸和更低的功率耗散，但是现有技术检测器200仅有益于有限的输入信号电平。此外，由于对于低输入功率电平来说具有较大的读取误差，因此线性RMS检测器输出在功率控制应用中通常不是优选的。图3图示提供包络和RMS功率信息二者的另一现有技术功率检测器300。检测器300针对高动态范围操作使用伺服反馈类型的RMS检测架构。该检测器可以检测低至-70dBm的信号电平，从而与线性类型的RMS检测器相比给予它明显更高的动态范围。包络检测信道从伺服反馈回路的内部点接收其输入，并且该缓冲的内部点提供归一化至输入信号的平均功率电平的输入信号的功率包络。该架构提供用于RMS和包络检测二者的高动态范围(包络检测动态范围等同于RMS检测范围——可能多于70dB)，具有优越的可重复性(随着温度和过程变化)以及在RMS功率读取与功率包络读取之间优越的匹配。 然而，大多数包络跟踪应用需要包络检测器跟踪输入信号的电压包络而不是功率包络，并且相应地，这种类型的架构由于其跟踪功率包络而可能不适合。图4是图示根据本发明一个或多个实施例的提供包络和RMS功率信息二者的单个封装功率检测器400的框图。RF输入耦合至单独处理输入信号的分离的RMS检测器和包络检测器块402、404。RMS检测器402和包络检测器104提供在单个封装406中，优选地提供在单个管芯上。RMS检测器402是对数类型(Vout Log (Mean (Vin2)))的RMS检测器，其中，针对输入功率的dB变化，输出电压线性变化。与线性RMS检测器类型相比，对数RMS检测器提供了明显更大的输入动态范围。由于对数RMS检测器具有以dB为线性的特性并且在低功率电平(例如，降至_70dBm的检测是可能的)下提供较高精确度，因此它们特别有益于功率/ 增益控制应用。在将RF输入信号直接耦合至包络检测器的情况下，包络检测动态范围较低(在低功率端被限制在大约-15dBm，并且在高端被限制在+IOdBm)。图5是根据一个或多个其他实施例的RMS和包络检测器500的框图。检测器500 与图4所示的检测器400类似，并且还包括增益/衰减块502。在图5的实施例中，RF输入耦合至增益/衰减块502以提供对输入信号的放大/衰减。增益/衰减块的输出耦合至包络检测器404。包络检测器404的操作范围(该包络检测器对其进行精确响应的输入信号的范围)可以被移位至更低或更高的功率电平。例如，针对增益/衰减块502中20dB的增益，包络检测器404可以检测从大约_35dBm至-IOdBm的RF信号。图6是根据本发明一个或多个其他实施例的RMS和包络检测器600的框图。在该实施例中，包络检测器核心602耦合至RMS检测器606的多个增益/衰减抽头(tap)604的其中之一。在该实施例中，RMS检测器606包括多个均方检测器，所述均方检测器中的一些利用RF输入信号的放大或衰减型式而被驱动，以获得比单个均方检测器更宽范围的均方功率检测。通过使用以下一系列增益或衰减操作来获得RF输入信号的放大或衰减型式，该系列增益或衰减操作使用放大器608或衰减器610来渐进地放大或衰减RF输入信号。与图5的实施例类似，可以将包络检测器602的操作范围(包络检测器对其进行精确响应的输入信号的范围)移位至更低或更高的功率电平。然而，在图6的实施例中，不存在对附加放大/衰减的需要，这是由于RMS检测器606的放大/衰减抽头可以用于供给所需的增益/衰减。针对7dB的增益/衰减间隔，可以以7dB为步长来对包络检测器的操作范围进行移位。例如，如果包络检测器602耦合至该架构的第3增益抽头(从输入起的 21dB增益)，假定该包络检测器具有25dB检测范围，那么包络检测器602可以检测从-36dBm 至-IldBm的RF信号。图7示意性地图示根据一个或多个实施例的可以用于包络检测(例如在这里描述的各种RMS和包络检测器中)的包络检测器核心结构700。该检测器包括多个双极型三尾单元(在图7的示例中被指示为第1级和第2级)。每个三尾单元包括三个发射极耦合npn双极型晶体管(第一级中为Q1、Q2、Q3，第二级中为Q4、Q5、Q6)以及耦合至共发射极的用于产生尾电流Idcl、Idc2的电流源。第一级的晶体管Ql和Q3形成发射极面积彼此相等的差分对(Ae)。第二级的晶体管Q4和Q6形成发射极面积彼此相等的差分对(Ce)。晶体管Q2 和Q5可以具有与其相应的差分对不同的发射极面积(分别为Be和De)。比值B/A或D/C可以为1 (unity)，或者可以大于或小于1。第一级的晶体管Ql和Q3的集电极耦合在一起， 从而形成包络检测器核心级的输出端子，而Q2的集电极耦合至AC接地。类似地，第二级的晶体管Q4和Q6的集电极耦合在一起，从而形成包络检测器核心级的输出端子，而Q5的集电极耦合至AC接地。在该配置中，在晶体管Ql、Q3以及Q4、Q6的基极之间施加具有dc电压分量(被表示为“DC”)的差分输入电压Vinp=INP-INN。中央晶体管Q2和Q5的基极仅接收dc分量 “DC”。在备选实施例中，中央晶体管可以接收寄生RF分量。在另一实施例中，差分对Q1、 Q3或Q4、Q6中的一个晶体管可以在其基极处接收DC电压，并且其他两个晶体管(Q1、Q3中的一个以及还有Q2，或者Q4、Q6中的一个以及还有Q5)可以接收在基极输入上有效地产生差分电压 Q1-Q2=Q4-Q5 (=Vinp/2)和 Q3_Q2=Q6_Q5 (=_Vinp/2)的输入信号。在图7所示的实施例中，在包络检测器核心中使用两种类型的三尾单元(第1级 =类型-1，第2级=类型-2)。类型-2级使用两个发射极负反馈电阻器R2，这两个发射极负反馈电阻器R2耦合在差分对晶体管Q4、Q6的发射极与共发射极节点(其耦合至电流源) 之间。负反馈电阻器针对当与合适的D/C比值(在当前实施例中，优选地，D/C 1) 一起使用时的中和高电平输入信号来对该级的输出-输入转移曲线进行线性化。另一方面，类型-1级使用单个发射极负反馈电阻器R1，该发射极负反馈电阻器Rl耦合在中央晶体管Q2 的发射极与共发射极节点之间。负反馈电阻器针对具有合适的B/A比值(在当前实施例中， 优选地，B/A < 1)的较低输入信号电平来对组合结构(包括类型-1级和类型-2级二者)的输出-输入转移曲线进行线性化。总而言之，发射极负反馈电阻器Rl和R2扩大了包络检测器核心的线性操作输入电压范围。图8示出了类型-1级和类型-2级以及组合结构的输出-输入特性的示例。如图所示，类型-2级针对Vinp > 150mV的输入信号电平提供近似线性特性，而组合结构针对Vinp > 50mV的输入信号电平提供近似线性特性，从而导致动态范围的显著改进。应当注意，可以与不同的负反馈值和D/C比值并行提供附加的类型-2级，以便针对更高信号电平进一步增大动态范围。需要理解，尽管以上凭借具体实施例描述了本发明，但是上述实施例仅作为说明而提供，而并不限制或限定本发明的范围。各个其他实施例(包括但不限于以下实施例)也落在权利要求的范围内。例如，还可以将这里描述的元件和组件划分为附加的组件或拼接在一起，以形成用于执行相同功能的更少的组件。
权利要求
1.一种功率检测器，包括对数RMS检测器，其接收RF输入信号并检测所述RF输入信号的平均功率电平；以及线性包络检测器，其也接收所述RF输入信号并检测所述RF输入信号的电压包络； 其中，所述对数RMS检测器和包络检测器集成在单个封装中。
2.根据权利要求1所述的功率检测器，其中，所述RMS检测器和包络检测器集成在单个管芯上。
3.—种检测RF输入信号的功率的方法，包括以下步骤 使用对数RMS检测器来检测RF输入信号的平均功率电平； 使用线性包络检测器来检测所述RF输入信号的电压包络； 其中，所述对数RMS检测器和包络检测器集成在单个封装中。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述RMS检测器和包络检测器集成在单个管芯上。
5.一种功率检测器，包括对数RMS检测器，其接收RF输入信号并检测所述RF输入信号的平均功率电平； 增益或衰减元件，其也接收所述RF输入信号并产生所述RF输入信号的放大或衰减型式；以及线性包络检测器，其用于接收所述RF输入信号的放大或衰减型式并检测所述RF输入信号的电压包络，其中，所述增益或衰减元件能够产生所述RF输入信号的所选放大或衰减型式，以将包络检测器的操作范围移位至更高或更低功率电平。
6.根据权利要求5所述的功率检测器，其中，所述对数RMS检测器、包络检测器以及增益或衰减元件集成在单个封装中。
7.根据权利要求5所述的功率检测器，其中，所述RMS检测器、包络检测器以及增益或衰减元件集成在单个管芯上。
8.—种检测RF输入信号的功率的方法，包括以下步骤 使用对数RMS检测器来检测RF输入信号的平均功率电平； 产生所述RF输入信号的放大或衰减型式；以及使用所述RF输入信号的放大或衰减型式来检测所述RF输入信号的电压包络，其中，所述RF输入信号的放大或衰减型式被选择性地产生以将包络检测器的操作范围移位至更高或更低功率电平。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，使用增益或衰减元件来产生所述RF输入信号的放大或衰减型式，以及其中使用线性包络检测器来检测所述RF输入信号的电压包络。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述对数RMS检测器、包络检测器以及增益或衰减元件集成在单个封装中。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述对数RMS检测器、包络检测器以及增益或衰减元件集成在单个管芯上。
12.—种功率检测器，包括对数RMS检测器，其接收RF输入信号并检测所述RF输入信号的平均功率电平，所述对数RMS检测器包括渐进地放大或衰减所述RF输入信号的一系列增益或衰减级，所述对数 RMS检测器还包括多个均方检测器，所述均方检测器的至少一些是利用来自该系列增益或衰减级的RF输入信号的放大或衰减型式而被驱动的；以及线性包络检测器，其用于检测所述RF输入信号的电压包络，所述包络检测器选择性地耦合至RF输入以接收所述RF输入信号，或者耦合至RMS检测器的该系列增益或衰减级的多个增益或衰减抽头的其中之一以接收用于对包络检测器的操作范围进行移位的所述RF 输入信号的放大或衰减型式。
13.根据权利要求12所述的功率检测器，其中，所述对数RMS检测器和包络检测器集成在单个封装中。
14.根据权利要求12所述的功率检测器，其中，所述对数RMS检测器和包络检测器集成在单个管芯上。
15.一种检测功率的方法，包括以下步骤渐进地放大或衰减RF输入信号以产生所述RF输入信号的多个放大或衰减型式； 使用包括多个均方检测器的对数RMS检测器来检测所述RF输入信号的平均功率电平， 所述均方检测器中的至少一些是利用所述RF输入信号的多个放大或衰减型式来驱动的； 以及使用线性包络检测器来检测所述RF输入信号的电压包络，所述线性包络检测器接收所述RF输入信号或者接收所述RF输入信号的多个放大或衰减型式中的被选择用来对包络检测器的操作范围进行移位的一个放大或衰减型式。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述对数RMS检测器和包络检测器集成在单个封装中。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述对数RMS检测器和包络检测器集成在单个管芯上。
18.一种用于检测RF输入信号的电压包络的线性包络检测器，包括多个双极型三尾单元，每个三尾单元包括两个差分晶体管和一个中央晶体管，其中，在每个三尾单元中，每一个晶体管都具有耦合至产生尾电流的电流源的共发射极节点，其中，每个三尾单元的差分晶体管的集电极耦合在一起，从而形成包络检测器的输出，以及其中，在每个三尾单元中，在各差分晶体管的基极之间施加具有DC电压分量的差分输入电压，并且对中央晶体管的基极施加仅具有DC电压分量的输入电压。
19.根据权利要求18所述的线性包络检测器，其中，所述各三尾单元中的至少一个三尾单元还包括发射极负反馈电阻器，其耦合在所述两个差分晶体管中的每一个的发射极与所述共发射极节点之间。
20.根据权利要求19所述的线性包络检测器，其中，所述各三尾单元中的与在差分晶体管上具有发射极负反馈电阻器的三尾单元不同的至少一个三尾单元还包括发射极负反馈电阻器，其耦合在所述中央晶体管的发射极与所述共发射极节点之间。
21.根据权利要求18所述的线性包络检测器，其中，所述各三尾单元中的至少一个三尾单元还包括耦合在所述中央晶体管的发射极与所述共发射极节点之间的发射极负反馈电阻器。
22.一种用于检测RF输入信号的电压包络的线性包络检测器，包括多个双极型三尾单元，每个三尾单元包括两个差分晶体管和一个中央晶体管，其中，在每个三尾单元中，每一个晶体管都具有耦合至产生尾电流的电流源的共发射极节点，其中，每个三尾单元的差分晶体管的集电极耦合在一起，从而形成包络检测器的输出，以及其中，在每个三尾单元中，在所述两个差分晶体管中的第一差分晶体管的基极与所述中央晶体管的基极之间施加第一信号，并且在所述差分晶体管中的第二差分晶体管的基极与所述中央晶体管的基极之间施加第二信号，其中，所述第一信号和所述第二信号形成差分信号。
23.根据权利要求22所述的线性包络检测器，其中，所述各三尾单元中的至少一个三尾单元还包括发射极负反馈电阻器，其耦合在所述两个差分晶体管中的每一个的发射极与所述共发射极节点之间。
24.根据权利要求23所述的线性包络检测器，其中，所述各三尾单元中的与在差分晶体管上具有发射极负反馈电阻器的三尾单元不同的至少一个三尾单元还包括发射极负反馈电阻器，其耦合在所述中央晶体管的发射极与所述共发射极节点之间。
25.根据权利要求22所述的线性包络检测器，其中，所述各三尾单元中的至少一个三尾单元还包括耦合在所述中央晶体管的发射极与所述共发射极节点之间的发射极负反馈电阻器。
26.一种用于检测RF输入信号的电压包络的线性包络检测器，包括多个双极型三尾单元，每个三尾单元包括两个差分晶体管和一个中央晶体管，其中，在每个三尾单元中，每一个晶体管都具有耦合至产生尾电流的电流源的共发射极节点，其中，每个三尾单元的差分晶体管的集电极耦合在一起，从而形成包络检测器的输出，以及其中，在每个三尾单元中，在各差分晶体管的基极之间施加具有DC电压分量的差分输入电压，并且对中央晶体管的基极施加具有寄生RF分量的输入电压。
27.根据权利要求沈所述的线性包络检测器，其中，所述各三尾单元中的至少一个三尾单元还包括发射极负反馈电阻器，其耦合在所述两个差分晶体管中的每一个的发射极与所述共发射极节点之间。
28.根据权利要求27所述的线性包络检测器，其中，所述各三尾单元中的与在差分晶体管上具有发射极负反馈电阻器的三尾单元不同的至少一个三尾单元还包括发射极负反馈电阻器，其耦合在所述中央晶体管的发射极与所述共发射极节点之间。
29.根据权利要求沈所述的线性包络检测器，其中，所述各三尾单元中的至少一个三尾单元还包括耦合在所述中央晶体管的发射极与所述共发射极节点之间的发射极负反馈电阻器。
全文摘要
本发明涉及RMS和包络检测器。本文公开了用于检测RF输入信号的平均功率电平和RF输入信号的电压包络的功率检测器和方法。本文还公开了用于检测RF输入信号的电压包络的线性包络检测器和方法。
文档编号G01R21/00GK102435835SQ20111027521
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月16日 优先权日2010年9月17日
发明者塞利克 A., 托克马克 S., A. �？� Y. 申请人:希泰特微波公司
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