专利名称：使用亚阈值晶体管桥接电路的真均方根检测的制作方法
使用亚阈值晶体管桥接电路的真均方根检测本发明一般涉及功率检测器，并且更具体地说，涉及检测射频(RF)信号的功率电 平或真均方根电平。
背景技术：
包括能够感测射频(RF)信号的电压电平、电流电平或功率电平的器件的射频检 测器在无线电应用中用于多种目的。例如，RF检测器可用于测量发送器功率放大器的输出 功率，或者估计接收信号的信号强度。简单的包络检测器可能只包括二极管和电容器或四个二极管桥接整流器。用于功 率检测应用的二极管通常是通过标准CMOS工艺技术制成的结型二极管(例如肖特基二极 管)。这些结型二极管展示了大的前向电压降和差的控制操作参数，从而限制了基于二极管 的检测器的动态范围和准确度。也可通过利用诸如MOSFET等晶体管的二次操作特征构建RF检测器。一种方案利 用之后为低通滤波器的单一软饱和FET的输入电压与输出电流之间的二次关系。基于软饱 和放大器的功率检测器比简单的基于二极管的检测器具有更广的动态范围，但占用更大的 面积。这些功率检测器也具有较低频率上限。另一个熟知方案是使用不平衡的晶体管对作为整流信号检测器。不平衡对功率 检测器相比单二极管或单晶体管设计对温度更不敏感，但具有限制动态范围的基本内置DC 偏移电压。为改进动态范围，接收信号强度指示符(RSSI)电路经常使用耦合到一系列限幅 放大器的不平衡晶体管对。其它电路通过使用具有反馈回路的可变增益放大器扩大检测器 的动态范围，以放大RF信号，使得它落在检测器的受限动态范围内。当然，改进动态范围的 这些方案的任一种需要更大且更复杂的电路，并且对设计细节需要更高要求的考虑，特别 是在符合需要的操作频率接近可用半导体技术的截止频率时。简单的电流或电压整流器检测器电路之后一般是滤波器，用于提供平滑的DC(或 低频)输出。此类滤波器的输出与AC输入信号的平均值成正比。对于已知形状的波形，例 如正弦波，由于平均值与诸如峰值或均方根(RMS)值等其它参数之间的关系是已知的，因 此，此输出提供了需要的所有信息。然而，在一些应用中，甚至对于平均电平与RMS电平之 间的关系未知的复数波形，RMS功率的直接测量可能是符合需要的。依赖晶体管的二次特 征的一些功率检测器电路允许RMS检测。例如，上述不平衡对检测器有效地执行基于感测 的输入电压的平方操作，连同整流操作，由此产生与输入信号的功率成正比的输出。通过取 平均功率的平方根，可获得RMS值。产生与输入信号的RMS电平成正比的输出的检测器称 为真RMS检测器。

发明内容
可在扩大范围真RMS检测器电路中使用的亚阈值晶体管桥接电路包括四个分支， 每个分支包括配置用于在输入信号电平的预确定范围内在亚阈值区域中操作的晶体管。在 一些实施例中，晶体管具有低或可忽略的阈值电压，并且每个晶体管的栅极DC耦合到相对分支上晶体管的栅极。在其它实施例中，晶体管被有效偏置以在输入信号电平的符合需要 的范围的亚阈值区域中的符合需要的操作点操作，并且每个晶体管的栅极AC耦合到相对 分支上晶体管的栅极。在每个这些实施例中，应用到桥接电路的第一对相对角的输入射频 信号在其余对相对角产生具有与输入射频信号的包络的平方振幅大致成正比的低频分量 的桥输出信号。在一些实施例中，包括亚阈值晶体管桥接电路的检测器电路还包括DC到射频转 换器电路和大致线性射频放大器，DC到射频转换器电路配置用于将桥输出信号转换为具有 与桥输出信号电平成正比的振幅的第二射频信号，大致线性射频放大器配置用于通过预确 定增益放大第二射频信号。这些实施例还包括整流器电路，整流器电路配置用于将放大的 第二射频信号转换为与放大的第二射频信号的包络成正比的低频检测信号。在各种这些实施例中，DC到射频转换器电路包括配置用于混合桥输出信号和本地 振荡器信号以获得第二射频信号的频率混合器电路，本地振荡器信号具有与输入射频信号 的中心频率不同的中心频率。其它实施例包括配置用于放大输入射频信号以获得振幅受限 射频信号的限幅放大器，并且DC到射频转换器电路包括配置用于混合桥输出信号和振幅 受限射频信号以获得第二射频信号的频率混合器电路。包括亚阈值晶体管桥接电路的检测 器电路的一些实施例还包括配置用于将低频检测信号转换为采样功率电平信号的模数转 换器，以及配置用于计算采样功率电平信号的平方根以获得采样真均方根信号的数字处理 电路。也公开了一般对应于本文中公开电路的各种方法。在一个示范实施例中，检测射 频信号的信号电平的方法包括将输入射频信号应用到亚阈值晶体管桥接电路的第一对相 对角，桥的四个分支的每个分支包括配置用于在输入信号电平的预确定范围内在亚阈值区 域中操作的晶体管。方法还包括基于在桥接电路的其余对相对角所取的桥输出信号，检测 输入射频信号的信号电平，桥输出信号具有与输入射频信号的包络的平方振幅大致成正比 的低频分量。当然，本发明并不限于上述特性和优点。本领域的技术人员在阅读以下具体实施 方式并查看附图时将认识到附加特性和优点。


图1是根据本发明的一些实施例，包括亚阈值晶体管桥接电路的检测器电路的示 意图。图2是示出亚阈值晶体管桥接电路的另一实施例的示意图。图3是示范功率检测器电路的框图。图4是根据本发明的一些实施例，示出真RMS检测器电路的一个实施例的框图。图5是示出DC-RF转换器电路的一个示范实施例的示意图。图6是示出示范RF整流器电路的示意图。图7是示出用于检测射频信号的信号电平的示范方法的进程流程图。图8示出在亚阈值晶体管桥接电路的模型中的电流。
具体实施例方式图1是根据本发明的一些实施例的亚阈值晶体管桥接电路100的示意图。桥接电 路100包括四个分支，每个分支包括配置用于在输入信号电平的预确定范围内在亚阈值区 域中操作的晶体管。每个晶体管T101-T104的栅极DC耦合到相对分支上晶体管的栅极。因 此，栅极GlOl耦合到G104，并且栅极G102耦合到G103。如下面将更详细解释的一样，在端 子VIN+和VIN_处应用到桥接电路100的第一对相对角的输入射频(RF)信号在其余对相对角 处产生具有与输入RF信号的包络的平方振幅大致成正比的低频分量的桥输出信号。射频电路设计的技术人员将认识到，亚阈值晶体管桥接电路具有稍微类似于无源 混合器的拓扑，但没有互补对。然而，如下面将详细描述的一样，此电路的操作原理大不相 同。亚阈值晶体管桥接电路有效地将输入射频(RF)信号整流，并生成与输入信号的平方成 正比的输出时变DC信号。(“DC信号”在此上下文中使用时只表示跟踪输入RF信号的电 平的低频信号。因此，在此上下文中，“DC”包括近似DC信号，并且不指示信号绝对恒定和 不变。)因此，执行获得输入RF信号的RMS值所必需操作的最具挑战的部分，即^Ws2 =^I.(1)如果在图1的亚阈值晶体管桥接电路的VIN+与VIN_端子之间应用的输入电压为正， 则场效应晶体管TlOl和T104导通，并且电流通过负载ZlOO流经桥输出。如果输入电压更 改符号，则开启晶体管T102和T103。因此，有整流进程，其中，负载ZlOO响应于输入射频信 号而接收电流，其方式使得通过电路负载的电流是单向的。在图1的电路用作检测器电路 时，晶体管T101-104在输入信号电平的预确定范围内在亚阈值区域中操作，从而产生与应 用到VIN+和VIN_的输入RF信号的包络的平方振幅成正比的输出电流。在一些实施例中，通过使用在任何现代CMOS工艺中可用的低或零阈值电压晶体 管，可确保在输入信号电平的预期范围内从亚阈值桥接电路获得适当的电流响应。在图2 的电路中示出一个备选解决方案，其中，使用电阻器R201-R208，有效地偏置亚阈值晶体管 桥接电路200的每个晶体管。在图1的电路中，每个晶体管的栅极DC耦合到桥的相对分支 上晶体管的栅极。在图2的电路中，每个晶体管的栅极通过耦合电容器C201-C208AC耦合 到桥的相对分支上晶体管的栅极。图2所示的偏置方案使得在优化符合需要的亚阈值操作的范围的同时，使用带有 标准阈值电压的晶体管成为可能。本领域技术人员将理解的是，可采用各种偏置配置在符 合需要的亚阈值操作点偏置亚阈值晶体管桥的晶体管；因此，图2所示的电路要视为只是 说明而不是限制。此外，虽然图1和图2的示意图示出增强模式η沟道M0SFET，但本领域技 术人员将理解的是，通过使用不同类型的晶体管，可组装带有等效操作的类似电路。任何情况下，在图2的电路中，晶体管TlOl和Τ103及Τ102和Τ104将同时导通。 然而，通过负载Ζ200的电流保持单向，带有与输入射频信号的包络的平方振幅大致成正比 的低频(即，近似DC)分量。这能够通过图8的电路的分析看到，该分析利用图1和2的电 路的对称性，为亚阈值晶体管桥接电路的电流建模。一般而言，MOS场效应晶体管的亚阈值电流能够描述为
权利要求
1.一种包括亚阈值晶体管桥接电路的检测器电路，所述桥接电路的四个分支的每个分 支包括配置用于在输入信号电平的预确定范围内在所述亚阈值区域中操作的晶体管，使得 应用到所述桥接电路的第一对相对角的输入射频信号在其余对相对角产生桥输出信号，所 述桥输出信号具有与所述输入射频信号的包络的平方振幅大致成正比的低频分量。
2.如权利要求1所述的检测器电路，其中每个所述晶体管包括具有低或可忽略阈值电 压的场效应晶体管，以及其中每个场效应晶体管的栅极DC耦合到相对分支上所述场效应 晶体管的栅极。
3.如权利要求1所述的检测器电路，其中每个所述晶体管包括为亚阈值操作而DC偏置 的场效应晶体管，以及其中每个场效应晶体管的栅极AC耦合到所述相对分支上所述场效 应晶体管的栅极。
4.如权利要求1所述的检测器电路，还包括DC到射频转换器电路，配置用于将所述桥输出信号转换为具有与所述桥输出信号电平 成正比的振幅的第二射频信号；射频放大器，配置用于通过预确定增益放大所述第二射频信号；以及 整流器电路，配置用于将所述放大的第二射频信号转换为与所述放大的第二射频信号 的包络成正比的低频检测信号。
5.如权利要求4的检测器电路，其中所述DC到射频转换器电路包括配置用于混合所述 桥输出信号和本地振荡器信号以获得所述第二射频信号的频率混合器电路，所述本地振荡 器信号具有与所述输入射频信号的中心频率不同的中心频率。
6.如权利要求4所述的检测器电路，还包括配置用于放大所述输入射频信号以获得振 幅受限射频信号的限幅放大器，其中所述DC到射频转换器电路包括配置用于混合所述桥 输出信号和所述振幅受限射频以获得所述第二射频信号的频率混合器电路。
7.如权利要求4所述的检测器电路，还包括模数转换器，配置用于将所述低频检测信号转换为采样功率电平信号；以及 数字处理电路，配置用于计算所述采样功率电平信号的平方根以获得采样真均方根信号。
8.—种检测射频信号的信号电平的方法，所述方法包括将输入射频信号应用到亚阈值晶体管桥接电路的第一对相对角，所述桥的四个分支的 每个分支包括配置用于在输入信号电平的预确定范围内在所述亚阈值区域中操作的晶体 管，使得在所述桥的其余对相对角处的桥输出信号具有与所述输入射频信号的包络的平方 振幅大致成正比的低频分量；以及基于所述桥输出信号，检测所述输入射频信号的信号电平。
9.如权利要求8所述的方法，其中基于所述桥输出信号检测信号电平包括将所述桥输出信号转换为具有与所述桥输出信号电平成正比的振幅的第二射频信号；根据预确定增益放大所述第二射频信号；以及将所述放大的第二射频信号转换为与所述放大的第二射频信号的包络成正比的低频 检测信号。
10.如权利要求9所述的方法，其中将所述桥输出信号转换为第二射频信号包括混合所述桥输出信号和本地振荡器信号以获得所述第二射频信号，所述本地振荡器信号具有与 所述输入射频信号的中心频率不同的中心频率。
11.如权利要求9所述的方法，还包括使用限幅放大器放大所述输入射频信号，以获得 振幅受限射频信号，其中将所述桥输出信号转换为第二射频信号包括混合所述桥输出信 号与所述振幅受限射频以获得所述第二射频信号。
12.如权利要求9所述的方法，还包括 使用模数转换器将所述低频检测信号转换为采样功率电平信号；以及 计算所述采样功率电平信号的平方根以获得采样真均方根信号。
全文摘要
本文公开了一种在检测输入射频信号(VIN+，VIN-)的信号电平中使用的亚阈值晶体管桥接电路(100)。在一个示范实施例中，亚阈值晶体管桥接电路的每个分支包括配置用于在输入信号电平的预确定范围内在亚阈值区域中操作的晶体管(G101-G104)。应用到桥接电路的第一对相对角的输入射频信号在其余对相对角产生桥输出信号，该桥输出信号具有与输入射频信号的包络的平方振幅大致成正比的低频分量。还公开了包括亚阈值晶体管桥接电路的各种检测器电路及用于使用亚阈值晶体管桥检测射频信号的信号电平的方法。
文档编号G01R21/10GK102124355SQ200980132577
公开日2011年7月13日 申请日期2009年8月17日 优先权日2008年8月18日
发明者T·阿恩博格 申请人:爱立信电话股份有限公司