专利名称：带直流失调消除功能的幅度检测电路的制作方法
带直流失调消除功能的幅度检测电路
背景技术：
近年来随着信息技术领域新技术的不断出现和工艺的不断进步，各种接收机系统的射频前端的输入信号的信号强度变化范围都很大，所以需要在保证误码率的前提下通过检测接收信号的强度来控制可变增益放大器的增益，以便达到控制功率强度，避免接收机饱和，得到稳定的输出信号强度。众所周知，现代系统对系统的集成度要求越来越高，同时直流失调已经成为采用零中频接收机不可避免的问题，而现有技术接收机系统的直流失调消除功能都是需要外部原件来获得好的性能。而同时现有接收机的幅度检测单元一般都是通过吉尔伯特单元整流器的结构，这种结构的幅度检测单元需要四层晶体管堆叠，不适合低压结构。基于以上分析，现有的身寸有技术，OJAS S L. Analysis of switched capacitor common mode feedback circuit. IEEE Transactions on Circuits, 2003， 50 (12) : 906- 917. KIMURA K. A CMOS logarithm IC IF amplifier with unbalanced source coupled pairs [J ]. ((IEEE Journal of Solid-state Circuits, 1981，28 (1) : 78- 83.》，幅度检测电路的射频放大器的电路原理框图如图1所示，信号通过102 105的放大器放大到饱和，再分别由106到 110将每一级放大器的输出幅度检测出转为电流信号，每级的输出电流经由直流相加电路， 最后再经过低通滤波电路输出最终的电压，适用的输入信号动态范围较低。直流失调的消除是通过电阻Rl，R2和电容Cl以及反馈减法器101来实现。由于电容Cl需要容值太大， 必须采用片外电容。现有技术的射频增益放大器存在诸多缺点第一，射频放大器采用的幅度检测单元都不适合低压应用。第二，不能适应于需要高动态范围而且有强信号输入要求的系统。第三，射频放大器为了获得低的截止频率，消除直流失调都需要外接分立元件电路。增加整体方案的成本，增加芯片的输入输出管脚，整体的设计难度加大，而且降低信号的稳定性。如果有一种带直流失调消除功能的幅度检测电路，能将直流失调消除同时又不必要增加额外的管脚，同时改进幅度检测单元适合低压应用，就能增加其应用场合，配合更多的射频芯片的幅度控制功能，使得整个射频前端的灵活性大大提高，而且更好适应信息技术领域新技术不断增长的市场需求。
发明内容
本发明属于射频通信技术领域，涉及一种幅度检测电路，尤其涉及带直流失调消除功能的幅度检测电路，用于射频接收机。
发明内容
本发明的目的是为解决现有技术射频接受机前端构成的上述不适合低压应用、采用片外电容以及成本增加又降低信号稳定性的缺陷，提供一种片内集成有直流失调消除电路的幅度检测电路，它用于射频接收机，既可实现对输入信号的幅度检测的功能，同时能抑制电路本身的直流失调，适用于低压工作条件下，对宽范围的输入信号的幅度进行对数线性量化。集成于一片内的带直流失调消除功能的幅度检测电路，能满足低压应用场合，同时具备幅度检测电路的功能和直流失调消除功能，可以更好的减少硬件和系统功率开销，提高系统信噪比，优化系统设计。本发明的上述目的是通过下面的技术方案来实现
一种带直流失调消除功能的幅度检测电路，其片内集成、多级级联、差分结构的电路构成为
一个包括M级带低通滤波的直流失调抑制器的直流失调抑制电路； 一个包括M级限幅放大器的幅度限制放大电路； 一个包括N级幅度检测单元的幅度检测电路，N为M+1 ；以及一个电流相加电路；和一个低通滤波电路；
差分送检测输入信号连接带直流失调消除功能的幅度检测电路差分输入端包括并联连接的第一级幅度检测单元的差分输入端和第一级带低通滤波的直流失调抑制器的差分输入端；第一级限幅放大器的差分输入端对应连接第一级带低通滤波的直流失调抑制器的差分输出端，其差分输出信号反馈到第一级带低通滤波的直流失调抑制器的差分反馈输入端，并对应连接下一级幅度检测单元的差分输入端和下一级带有低通滤波的直流失调抑制器的差分输入端，依次多级级联连接；每级幅度检测单元的输出端连接电流相加电路的一个输入端，电流相加电路输出端连接低通滤波器并提供幅度检测输出，用于片内实现差分送检测输入信号的直流失调的消除和幅度检测。所述带直流失调消除功能的幅度检测电路，其在于所述的幅度限制放大电路包括 M级限幅放大器，M的取值范围为3 6 ；每级限幅放大器的电路结构相同，每级限幅放大器输入端各自与同一级带低通滤波的直流失调抑制器输出端串联连接，每级限幅放大器的输出端串联连接下一级带低通滤波的直流失调抑制器的输入端，用于抵消前级带低通滤波的直流失调抑制器引起的直流失调。通过同级带低通滤波的直流失调电路将直流失调分量分离出来，与前级带低通滤波的直流失调抑制器输出中的直流失调相抵消，依次推进，实现整个幅度检测电路消除直流失调的目的。所述带直流失调消除功能的幅度检测电路，其在于所述限幅放大器由输入对管， 负载管以及尾电流管和偏置电流电路构成，负载管为折叠式二极管连接的MOS管；限幅放大器为固定增益放大器，其增益值由输入MOS管的宽长比与折叠式二极管连接的负载MOS 管的宽长比确定；用于实现大信号和小信号都能满足幅度检测单元的检测要求。限幅放大器在放大输入信号的同时限制过大的信号幅度，使小信号和大信号在限幅放大后的输出信号在幅度检测单元的检测范围之内，实现大信号和小信号都能满足幅度检测单元的检测要求。所述带直流失调消除功能的幅度检测电路，其在于包括串联连接的低通滤波器和直流失调抑制器；其中
所述低通滤波电路由有源电阻和无源电容构成，有源电阻为多级级联MOS管，每个MOS 管工作在线性区，用于以较小面积实现大阻值电阻，较小电容值的无源电容构成低通滤波器，在片上实现，节约芯片面积和成本；所述直流失调抑制器的反馈输入端连接限幅放大器输出端，构成直流失调抑制反馈回路；用于将低通滤波器提取经过下一级限幅放大器放大后的数据中的直流分量，与前级的限幅放大器的输出信号相减，抵消限幅放大器电路中的直流失调成分。所述带直流失调消除功能的幅度检测电路，其在于所述直流失调抑制器为相减器，包括第一差分输入对管，第二差分输入对管，以及尾电流管和偏置电路；各差分输入对管的源极并联，第一差分输入对管的两个漏极与第二差分输入对管的两个漏极交叉对应并联，第一差分输入对管和第二差分输入对管共用尾电流管和偏置电路；减法器的第一差分输入对管的输入端连接本级直流失调抑制器的低通滤波电路输出端，第二差分输入对管的输入端连接同一级限幅放大器输出端；第一和第二差分输入对管的宽长比与工作状态完全相同，在第一和第二输入差分对管的漏极交叉并联节点的电流极性相反；用于实现抑制直流失调。带有低通滤波的直流失调抑制器中的信号的输入和反馈信号输入的相减是通过两对宽长比以及工作状态完全相同的输入管构成的极性相反的电路来实现，减法器一个信号输入端接入低通滤波电路输出信号，另一个信号输入端接入限幅放大器输出信号，输入对管宽长比与工作状态完全相同，极性相反，用于实现抑制直流失调。反馈信号通过由有源电阻和无源电容组成的低通滤波电路后输入到一对输入管中放大然后输出和输入信号输入到的另一对输入管的输出叠加，但是符号相反，起到性减的效果，这样就把反馈中的直流失调信号以相反的符号叠加到信号中，起到了滤除直流失调的目的。所述带直流失调消除功能的幅度检测电路，其在于所述幅度检测电路由N级幅度检测单元组成，第一级幅度检测单元输入端连接送检测输入信号端，其后每级幅度检测单元的输入端连接对应上一级限幅放大器的输出端，每个幅度检测单元的输出端对应连接电流相加电路的一个输入端，用于为电流相加电路提供N个检测信号的电流幅度，实现N个检测信号的电流幅度相加。差分射频信号经由级联的限幅放大器放大到饱和，然后每级的输出都通过幅度检测单元输出检测的幅度大小，根据幅度检测电路检测的大小再经由电流相加电路相加，再经过低通滤波电路滤波后就得到与输入信号幅度相关的输出电压。所述带直流失调消除功能的幅度检测电路，其在于所述幅度检测单元由两个不对称源耦合差分对管，两个负载电流管，镜像电流管以及尾电流偏置电路构成；其中
所述两个不对称源耦合差分对管包括第一源耦合差分对管，第二源耦合差分对管，两个源耦合差分对管结构相同，两个源耦合差分对的两个晶体管的宽长比不对称，构成不对称源耦合差分对；两个源耦合差分对管的两个P路输入管的栅极并联接入P路输入信号，两个源耦合差分对管的两个N路输入管的栅极并联接入N路输入信号，两个源耦合差分对管的源极交叉耦合并联连接对应负载管；幅度检测单元的晶体管为适合低电压工艺的三层晶体管结构，其输出电流Iout与输入电压成正比，用于检测输入信号的幅度大小。所述带直流失调消除功能的幅度检测电路，其在于所述两个不对称源耦合差分对为可调不对称源耦合差分对，第一源耦合差分对管的两个晶体管宽长比为D:l，第二源耦合差分对管的两个晶体管宽长比也为D: 1，D的取值范围为2 8，用于通过工艺在取值范围内调节两个晶体管宽长比D值，获取优化结果值，使幅度量化的误差小和功耗低，达到应用系统电路要求。
检测幅度电路是通过输入差分对管的宽长比的不同来得到与输入相关的输出电流，不同的宽长比得到的表征输入信号幅度的电流的误差是不同的，最终设定的宽长比是采用了优化设计的结果，能使得误差达到最小。两路输入对管宽长比为宽长比的D倍，D的取值范围为2 8 ；减法晶体管使输入电压经过两个不同宽长比的输入管放大后的电流相减，并通过减法晶体管的镜像晶体管，提供表征输入电压幅度的输出电流。作为优先，D取值为4。所述带直流失调消除功能的幅度检测电路，其在于所述检测幅度电路中每个幅度检测单元的差分对管为宽长比不对称结构，差分对管为宽长比因比例不同，输出电流随差分对管的宽长比例不同而不同，各幅度检测单元的差分对管的宽长比例不同并依序变化， 差分对管的宽长比例的依序近似于对数线性变化；各幅度检测单元输出电流的大小也会依序不同，各幅度检测单元输出电流随输入信号的幅度变化而依序对数线性变化。幅度检测电路的每个幅度检测单元输出电流与信号输入幅度的关系是对数线性关系，即输出电压的大小与输入信号的幅度取对数后的大小成线性关系，实现每个幅度检测单元的输出电流之和与输入信号幅度是近似对数线性关系。所述的限制放大器电路，由若干个限幅放大器构成，每个限制幅度的放大器结构都是采用折叠形式的二极管连接的MOS管作为负载，增益都是决定于输入MOS管的宽长与二极管连接的MOS管的宽长比。所述幅度检测单元由若干个幅度检测单元组成，每个幅度检测单元的输入都连接一个限幅放大器的输出，同时每个幅度检测单元的输出都连接电流相加电路的输入。每个幅度检测单元的作用都是检测输入电压的幅度，将其幅度信号转为电流信号。每个幅度检测单元都包含两对想通的非平衡源耦合差分对，源耦合差分对的两个晶体管的宽长比比值为D，这种结构的输出电流Iout与输入电压成正比，并且只有三层晶体管，适合低电压工艺。每个限幅放大器的输入都与一个带有低通滤波的直流失调抑制器的输出相连接， 每个限幅放大器的输出连接一个幅度检测单元和下一个带有低通滤波的直流失调抑制器的输入，每个幅度检测单元的输出连接电流相加电路的输入。差分射频信号经由级联的限幅放大器放大到饱和，然后每级的输出都通过幅度检测单元输出检测的幅度大小，根据幅度检测电路检测的大小再经由电流相加电路相加，再经过低通滤波电路滤波后就得到与输入信号幅度相关的输出电压。所述的带有低通滤波的直流失调抑制器时采用带有低通滤波能力的反馈形式直流失调抑制电路。该电路包括低通滤波器和直流失调减法器两个部分。低通滤波器提取出经过下一级限幅放大单元放大后的数据中的直流分量。低通滤波器由有源电阻和无源电容构成，有源电阻由工作在线性区的多级级联MOS管实现，该电阻阻值可以做得非常大，所占用的面积又比较小，相应的电容值可以取得比较小，这样电阻和电容都可以在片上实现，节约了芯片成本。所述带有低通滤波的直流失调抑制器中的信号的输入和反馈信号输入的相减是通过两对宽长比以及工作状态完全相同的输入管构成的极性相反的电路来实现，反馈信号通过由有源电阻和无源电容组成的低通电路后输入到一对输入管中放大然后输出和输入信号输入到的另一对输入管的输出叠加，但是符号相反，起到的实际效果就是想减，这样就把反馈中的直流失调信号以相反的符号叠加到信号中，起到了滤除直流失调的目的。所述幅度检测单元是通过输入差分对的宽长比的不同来得到与输入相关的输出电流，不同的宽长比得到的表征输入信号幅度的电流的误差是不同的，最终设定的宽长比是采用了优化设计的结果，能使得误差达到最小，同时为了满足低电压设计的要求采用了单管尾电流结构，优于传统的叠层式尾电流结构。本发明克服已有技术结构中直流失调消除电路不能完全在片内集成和不适用低压工作的缺点，使得这种射频芯片可以实现对提高集成度，省去了外部元件，减少了电路开销和功耗，提高系统的性能，以及射频接收机的灵敏度等，由此还能降低设备功耗和体积， 节约成本。本发明适用于多频宽带的射频芯片，尤其适合于需要减少片外器件，增加输入信号的动态范围的工作场合。既满足市场对射频芯片的集成度要求越来越高和输出电压稳定的需求，又减少电路复杂度，提高稳定性，同时在满足正确检测信号幅度的前提下，提高系统的动态范围。直流失调消除电路集成于片内，能适应芯片小型化高集成度的要求，能适应 1.8V低压工作，节省系统芯片面积，减少了系统成本。本发明的实质性效果
1、本发明幅度检测单元的尾电流源用单个尾电流管代替传统的两个管的尾电流管，可很好的适应于低电压应用的场合，采用管子的数目减少，能适应1.8V低压工作，满足系统对于低压的高要求。2、本发明带直流失调消除功能的幅度检测电路，采用多级的限幅放大器结构，具有高增益输出能力，限幅放大器的电路的增益只与一对管的宽长比有关，与温度和工艺无关，整个电路抵抗温度和工艺变化的能力强，增益随温度和工艺变化微小，适合应用于需要高动态范围而且有强信号输入的要求。3、本发明的低通滤波电路和直流失调消除电路集成片内，电路结构无外围器件， 减少芯片面积和系统成本，幅度检测单元采用可调不对称源耦合差分对，有利于工艺调整输入管宽长比的D值，优化系统和提高系统信噪比。4、本发明电路可应用于零中频电路的解调电路，满足系统多频宽带射频芯片的要求。
图1为已有技术的幅度检测电路；
图1中11一直流失调消除电路，101—减法器电路，12—限幅放大器，102 105—基本限幅放大器，13—幅度检测单元，106 110—幅度检测单元，14一电压相加电路。图加为本发明第一实施例的带有直流失调消除的幅度检测电路构成框图加中21—直流失调抑制电路，22—幅度限制放大电路，23—幅度检测电路，24—电流相加电路，25—低通滤波电路。图2b为本发明第二实施例的带有直流失调消除的幅度检测电路构成框图沘中201，203，205，207—带低通滤波的直流失调抑制器，202，204，206，208限幅放大器，209 213—幅度检测单元，214—电流相加电路，Rl为低通滤波电阻，Cl为低通滤波电容。图3为本发明实施例的限幅放大器的电路构成原理图；图3中旧1，112—正、负输出放大管，10^4—二极管连接结构的负载管^5^6^7，18， M9，MlO—尾电流管，Rl和Cl一尾电流滤波电阻和电容，。图4为本发明实施例差分结构的带有低通滤波的直流失调抑制器电路图4中Ml，M2—输入管，M3，M4—直流失调反馈的输入管，M8，M9—二极管连接的负载管，(需要确认M5，M6，M7—提供电流的晶体管，M11，M12和M13—尾电流管，MlO—偏置电流管，)R1，C1一低通滤波器，Ibias—来自基准电流源的电流，Μ1ΓΜ19—有源电阻连接的晶体管，，C2，C3—片内集成的大电容，Vosp和Vosn—差分直流失调信号输出。图5为本发明实施例的幅度检测单元的电路图5中ΜΓΜ4为输入管，其中Ml，Μ2的宽长比为Μ3，Μ4的D倍，Μ7，Μ8—负载电流管， Μ9—电流相减晶体管，MlO — Μ9的镜像晶体管。图6为本发明另一实施例的差分结构的带有低通滤波的直流失调抑制器电路图； 图6中Ml，Μ2—输入管，Μ3，Μ4—直流失调反馈的输入管，Μ5，Μ6，Μ7—提供电流的晶
体管，Ml 1，Μ12和Μ13—尾电流管，MlO—偏置电流管，Rl, Cl一低通滤波器，Ibias—来自基准电流源的电流，Μ1ΓΜ19—级联的有源电阻晶体管，C2，C3—大电容，Vosp和Vosn—差分直流失调信号输出。图7为本发明实施例的带有直流失调消除功能的幅度检测模块与片外的LNA，PGA 以及混频器和滤波器连接示意框图7中71—单端LNA电路，72—数字增益控制模块，73—单端转差分增益可配置模块 PGA, 74—锁相环电路，75，76—混频器模块，77—幅度检测模块即带直流失调消除的幅度检测电路，78，79—低通滤波电路，710，711—中频自动增益控制电路AGC，712—基带解调芯片。图8为本发明实施例的一种利用带直流失调消除的幅度检测电路应用于幅度监控解调电路的连接图8中81—带直流失调消除的幅度检测电路，82—低通滤波器，83—比较器。
具体实施例方式下面通过实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体说明。第一实施例
图加给出了本发明实施例的带直流失调消除功能的幅度检测电路构成框图。带直流失调消除功能的幅度检测电路由包括M级带低通滤波的直流失调抑制器的直流失调抑制电路21、包括M级限幅放大器的幅度限制放大电路22、包括N级幅度检测单元的幅度检测电路23、电流相加电路M和滤波器25构成。差分检测信号连接带直流失调消除功能的幅度检测电路差分输入端并连接第一级幅度检测单元的差分输入端和第一级带低通滤波的直流失调抑制器的差分输入端，第一级限幅放大器的差分输入端对应连接第一级带低通滤波的直流失调抑制器的差分输出端，其差分输出信号反馈到第一级带低通滤波的直流失调抑制器的差分控制端并对应连接下一级幅度检测单元的差分输入端和下一级带有低通滤波的直流失调抑制器的差分输入端，依次多级级联，每级幅度检测单元的输出端连接电流相加电路的输入端，电流相加电路输出端连接低通滤波器并提供幅度检测输出，用于片内实现输入信号的幅度检测和直流失调的消除。首先输入信号通过第一个幅度检测单元进行幅度检测，检测后的形成电流信号输入给电流相加电路，由于输入信号还需要通过第一级限幅放大器放大，如果直接通过M级限幅放大器，则输入信号中的直流成分也会由于放大的作用将整个信号链路饱和，为使输入信号链路不因直流失调成分而饱和，需要首先消除电路中的直流失调成分，把输入信号先通过一级带低通滤波直流失调抑制器，该抑制器利用限幅放大器的输出为反馈信号来获得一个反馈直流分量，将反馈直流分量与输入信号经低通滤波的直流分量相减，得到一个抑制直流失调成分的输入信号，再将这个输入信号通过限幅放大器放大，可以避免直流失调成分导致限幅放大器饱和。为使每个限幅放大器都能正常工作，在每一个限幅放大器的输入端添加一个带低通滤波的直流失调抑制器，为检测每一个限幅放大器输出信号的幅度大小，在每个限幅放大器输出连接一个幅度检测单元。以此类推，重复上述过程M次，最终使得需要检测的小信号得到充分的放大直到饱和， 输入信号的最小幅度检测精度取决于放大到饱和的最小信号的大小。M个限幅放大器将输入信号放大到饱和，N个幅度检测单元的输出通过电流相加电路M累加处理，电流相加电路M的输出再通过低通滤波器25滤波，滤除信号中的高频杂波分量，得到一个包含输入信号幅度信息的电压信号，完成输入信号幅度检测。第二实施例
图2b给出了本发明实施例的带直流失调消除功能的幅度检测电路构成框图。设置M 为4，N = M+1。实施例的带直流失调消除功能的幅度检测电路包括第1级一第4级带有低通滤波的直流失调抑制器201、203、205和207，第1级一第4级限幅放大器202、203、206和 208，第1级一第5级幅度检测单元209、210、211、212和213，以及和208，电流相加电路214 和低通滤波电路215。结合图2b说明本发明中幅度检测功能实现
差分输入信号Virm和Vinp输入到第一级带有低通滤波的直流失调抑制器201，同时与后级电流的限幅放大器的输出通过低通滤波后的信号相减，其中的滤波后的信号表征了输出信号中的直流失调成分大小，通过这种消除作用可以抵消输入电路中的直流失调成分从而防止后级电路饱和，不带直流失调的信号通过202幅度限制电路放大，其中小信号将直接放大，而大信号将被限制幅度而不再放大，幅度限制电路的输出再输入到210幅度检测单元，通过不平衡差分对的作用可以检测输出输入信号幅度的大小，并将其转为电流信号， 最后通过电流镜像电路得到一个与信号的幅度呈现对数线性的电流信号，同时幅度检测电路202的输出连接203带有低通滤波的直流失调抑制器，类似于之前201的作用，消除后级的直流失调，通过重复上述的过程N次最终使得需要检测的小信号得到充分的放大直到饱和，最小的输入信号的检测幅度决定于能放大到饱和的最小的信号大小，限幅放大器将输入信号放大到饱和后，209 213幅度检测单元将各自检测到的幅度信号所转化的电流输入到电流相加电路214，电流相加电路214的输出经过Rl和Cl的滤波得到最终能反映信号幅度的输出电压。能检测到的信号的动态范围取决于202，204，206，208这几个幅度检测器的增益之积。图3给出本发明实施例的限幅放大器的电路构成原理图。如图3所示M1和M2为正输入放大管和负输入放大管，正、负输入放大管Ml和M2的基极对应接入输入信号Virm 和Vinp，M3和M4分别为正输入放大管Ml和负输入放大管M2的负载管；M3和M4负载管为二极管连接结构，M3和M4的基漏极对应并接在正、负输入放大管Ml和M2的漏极，正、负输入放大管的输出为Voutn和Voutp ；正、负输入放大管Ml和M2的源极并联连接尾流管M9的漏极；M5、M6及M7为尾电流电路同时提供偏置功能，M8、M9及MlO构成尾电流管，Rl和 Cl为尾电流滤波电阻和电容。偏置电流Ibias注入尾电流管MlO的漏极，经连接MlO基极的尾电流滤波电路滤波，经Rl和Cl组成的低通滤波电路滤除高频成分后，输出一个与输入幅度相关的电压信号。其中M517设置为相同宽长比，同时M8的宽长比为M9的一倍，这样保证了流过M3和Ml管的电流大小相同，整个电路的增益就只与M3管和Ml管的宽长比的比值有关，其中M2管和Ml管的宽长比相同，M3和M4管的宽长比相同，而与温度和工艺无关，保证了整个电路抵抗温度和工艺变化的能力，使得在不同温度和工艺变化下，限制幅度放大器的增益变化不会太多。图4示出本发明实施例的带有低通滤波的直流失调抑制器电路图，该电路为差分结构。如图所示带有低通滤波的直流失调抑制器由直流失调抑制器和低通滤波器构成，直流失调抑制器包括差分信号输入管Ml和M2，差分直流失调反馈信号输入管M3和M4，二极管连接的负载管M8和M9，提供电流的晶体管M5、M6和M7，尾电流管Ml 1、Ml2和Ml3，偏置电流管，用于消除噪声的低通滤波器Rl和Cl，Ibias来自基准电流源的电流，M14 M16和 M17 M19为并联连接的有源电阻R3和R4，C2和C3为片内集成的大电容，大电阻R3和大电容C2构成P路滤波器，R4与和C3构成N路滤波器。直流失调反馈信号Vosp经P路滤波器滤波后输出的直流失调信号为Vospl，直流失调反馈信号Vosn经N路滤波器滤波后输出的直流失调信号为Vosnl，直流失调信号输入管M3和M4的栅极对应接入直流失调反馈信号Vospl和Vosnl，直流失调信号经过输入管Ml和M2放大后与直流失调经过M3，M4放大后的信号相减，得到没有直流失调的信号输出。带有低通滤波的直流失调抑制器为采用带有低通滤波能力的反馈形式直流失调抑制电路。该电路包括低通滤波器和直流失调减法器两个部分。直流失调减法器包括第一差分输入对管Ml和M2，M 1和M2的源极并联，第二差分输入对管M3和M4，M3和M4的源极并联，Ml和M4的漏极相并联，M2和M3的漏极相并联，第一差分输入对管和第二差分输入对管共用尾电流管和偏置电路。第一差分输入对管Ml和M2的偏置管M5和M6，M5和M6 又为各自对应的Ml和M2的负载管。第二差分输入对管M3和M4的栅极对应连接Vospl和 Vosnl，一路由级联M14- M16有源电阻和片内集成电容C2低通滤波器和另一路由级联M17-M19有源电阻和片内集成电容C3低通滤波器，对应连接来自限幅放大器输出反馈信号Vosp 和Vosn，两路低通滤波器的输出信号各自为Vospl和Vosnl，Vospl和Vosnl是由来自限幅放大器输出反馈信号Vosp和Vosn经两路有源低通滤波器滤波之后的直流失调信号。第一差分输入对管Ml和M2的漏极，与第二差分输入对管M3和M4的漏极交叉对应并联连接，差分输入信号Virm和Vinp经过第一差分输入对管Ml，M2放大后的信号电流与差分输入的直流失调信号Vospl和Vosnl经过第二差分输入对管M3，M4放大后的信号电流，在各自的漏极并联节点完成电流相减，在Ml与M4漏极并联节点输出端Vout和M2与M3漏极并联节点输出端Voutp，得到没有直流失调的输出信号，实现直流失调消除功能。图5给出本发明实施例的幅度检测单元的电路图，如图所示幅度检测单元由两个不对称源耦合差分对，负载电流管以及尾电流偏置电路构成。两个不对称源耦合差分对包括第一源耦合差分对管Ml和M4，第二源耦合差分对管M2和M3，两个源耦合差分对管结构相同，第一源耦合差分对管和第二源耦合差分对管的两个晶体管的宽长比均为不对称结构，两管宽长比为D: 1，构成不对称源耦合差分对；两个源耦合差分对管的两个P路输入管Ml和M3的栅极并联接入P路输入信号，两个源耦合差分对管的两个N路输入管M4和M2的栅极并联接入N路输入信号，两个源耦合差分对管的源极交叉耦合并联连接对应负载管， Ml和M2的源极并联接入负载管M7, M4和M3的源极并联接入负载管M8。幅度检测单元的晶体管为适合低电压工艺的三层晶体管结构，其输出电流Iout与输入电压成正比，用于检测输入信号的幅度大小。实施例的D取值为4，第一源耦合差分对管Ml与M4的宽长比以及第二源耦合差分对管M2与M3的宽长比均为4:1，M7，M8为负载电流管，M9为输入电压经过两组不同宽长比的输入管放大后的电流相减的晶体管，MlO为M9的镜像晶体管，提供输出电流表征输入电压的幅度，由于不平衡差分输入管能够提供近似于输入幅度对数线性相关的电流输出，利用这个电流将其通过尾电流管镜像之后能提供一个与输入信号幅度对数线性相关的电流。第3实施例
图6给出带有低通滤波的直流失调抑制器另一实施例的电路构成图，其电路构成除省略二极管连接的负载管M8和M9外，基本与图6相同。该电路包括低通滤波器和直流失调减法器两个部分。低通滤波器提取出经过下一级限幅放大器放大后的数据中的直流分量。低通滤波器由有源电阻和无源电容构成，有源电阻由工作在线性区的多级级联MOS管实现，该电阻阻值可以做得非常大，所占用的面积又比较小，相应的电容值可以取得比较小，这样电阻和电容都可以在片上实现，节约了芯片成本。带有低通滤波的直流失调抑制器中的信号的输入和反馈信号输入的相减是通过两对宽长比以及工作状态完全相同的输入管构成的极性相反的电路来实现，反馈信号通过由有源电阻和无源电容组成的低通电路后输入到一对输入管中放大然后输出和输入信号输入到的另一对输入管的输出叠加，但是符号相反，起到的实际效果就是想减，这样就把反馈中的直流失调信号以相反的符号叠加到信号中，起到了滤除直流失调的目的。下面结合图3、图4和图5对图2b本发明带直流失调消除功能的幅度检测电路的检测输入信号幅度的过程描述如下设置M为4，则N为5。差分输入信号Virm和Vinp输入到第一级幅度检测单元209的差分输入端，未经限幅放大的输入信号经幅度检测单元209检测，并将输出幅度信号转化为电流，送到电流相加电路214。同时差分输入信号Virm和Vinp输入到第1级带有低通滤波的直流失调抑制器201的差分输入端，输入信号经201的低通滤波和直流失调抑制后的输入信号，送其后第1级限幅放大器202作第1级限放，第1级限幅放大器202的差分输出信号Vosn和Vosp 反馈输入到第1级带有低通滤波的直流失调抑制器201的差分反馈输入端，差分反馈输入信号与直流失调抑制器201的差分输入信号通过低通滤波后的信号相减，该滤波后的信号就是输入信号中的直流失调信号，通过相减消除作用，抵消输入电路中的直流失调成分，从而防止后级电路饱和。201输出的不带直流失调的信号通过第1级限幅放大器202放大，其中小信号将直接放大，而大信号将被限幅而不再放大，限幅放大器202的输出再输入到第2 级幅度检测单元210，通过210不对称差分对可检测输出输入信号幅度的大小，并将其转化为电流信号，该转化是通过电流镜像电路得到一个与输入信号幅度的大小呈现对数线性的电流信号，第2级幅度检测单元210输出的电流信号送到电流相加电路214。第1级限幅放大器202的输出送到第2级带有低通滤波的直流失调抑制器203，第2级带有低通滤波的直流失调抑制器203、第2级限幅放大器204和第3级幅度检测单元211的作用与前述电路201、202和210的作用雷同，消除后级的直流失调，再次将小信号放大，大信号将被限幅， 并把电流信号送到电流相加电路214。以此类推，重复上述过程4次，最终使得需要检测的小信号得到充分的放大直到饱和，输入信号的最小幅度检测精度取决于放大到饱和的最小信号的大小，4个限幅放大器将输入信号放大到饱和。幅度检测单元21(Γ213，各自将相应检测到的幅度信号转化为电流输入到电流相加电路214，经电流相加电路214作相加处理后的输出信号，再经过Rl和Cl构成的低通滤波电路滤波，得到能反映输入信号幅度的输出电压，完成输入信号幅度。带直流失调消除功能的幅度检测电路检测输入信号的动态范围取决于多个限幅放大器202，204，206，和208增益的乘积。各级幅度检测单元的差分对管的宽长比例不同并依序近似于对数线性变化；各幅度检测单元输出电流的大小也会依序不同，各幅度检测单元输出电流随输入信号的幅度变化而依序对数线性变化。幅度检测电路的每个幅度检测单元输出电流与信号输入幅度的关系是对数线性关系，即输出电压的大小与输入信号的幅度取对数后的大小成线性关系，实现每个幅度检测单元的输出电流之和与输入信号幅度是近似对数线性关系。带直流失调消除功能的幅度检测电路，用于射频接收机，应用于零中频电路的解调电路，满足系统多频宽带射频芯片的要求。图7给出了本发明实施例的一种带直流失调消除功能的幅度检测模块应用于射频接收机，实现输出幅度信号检测，用于反馈控制前端可变增益电路的电路连接示意框图。 幅度检测模块77为带直流失调消除的幅度检测电路，射频信号输入低噪声放大器电路71， 再通过PGA可变增益射频放大器73，再经由下变频混频器75合76混频，混频输出经低通滤波器78和79滤除下变频混频器输出信号中的高频成分，再经过模拟自动增益控制电路 710和711放大到基带解调所需的稳定的中频信号，输入基带解调芯片。本发明的幅度检测模块77检测出低通滤波器78输出信号的幅度大小，将检测输出电压提供给增益控制模块 72，增益控制模块72将得到的电压信号与参考电压比较，产生两组控制信号分别控制71低噪声放大器71和可变增益射频放大器73的增益，从而调节射频前端系统的增益大小防止射频前端的增益过大饱和或过小导致输出的信噪比过低。图中74提供两路正交的本征信号给混频器76，78，其中幅度检测模块起到的最主要的作用就是检测中频的信号的幅度信息，转为电压信息提供给增益控制模块处理，由于是零中频系统要求比较低的截止频率，本发明片内集成的带直流失调消除功能的幅度检测模块77就起到直流失调消除功能，幅度检测电路正常工作，在满足系统低压工作、高动态范围以及低成本、高稳定的前提下，完成幅度检测功能。图8给出本发明实施例的一种利用带直流失调消除的幅度检测电路应用于幅度监控解调电路的连接示意图。幅度监控的中频信号经过81本发明的幅度检测模块，得到一个与输入幅度电压相关的电压变化信号，此信号通过82低通滤波器后滤除其中的高频成分，此信号再通过一个由电阻Rl和Cl组成的低通滤波网络与此信号直接比较，比较出的结果即为此幅度监控电路的输出信号。由于幅度监控信号一般频谱都比较宽而且是零中频信号，所以本发明中的直流失调消除电路可以保证幅度检测模块正常工作而且不会增加额外的管脚，同时由于这种系统一般都用于低压设计以保证其他模块能有较低的功耗，所以本发明中的应用于低压的幅度检测单元可以保证幅度检测模块的功能正常。应用于本实施例中的本发明能很好的起到对幅度检测，消除直流失调信号的作用。 本领域技术人员可以理解，在不背离本发明广义范围的前提下，对上述实施例作出若干改动。因而，本发明并不仅限于所公开的特定实施例。其范围应当涵盖所附权利要求书限定的本发明核心及保护范围内的所有变化。
权利要求
1.一种带直流失调消除功能的幅度检测电路，其特征在于片内集成、多级级联、差分结构的电路构成为一个包括M级带低通滤波的直流失调抑制器的直流失调抑制电路；一个包括M级限幅放大器的幅度限制放大电路；一个包括N级幅度检测单元的幅度检测电路，N为M+1 ；以及一个电流相加电路；和一个低通滤波电路；差分送检测输入信号连接带直流失调消除功能的幅度检测电路差分输入端包括并联连接的第一级幅度检测单元的差分输入端和第一级带低通滤波的直流失调抑制器的差分输入端；第一级限幅放大器的差分输入端对应连接第一级带低通滤波的直流失调抑制器的差分输出端，其差分输出信号反馈到第一级带低通滤波的直流失调抑制器的差分反馈输入端，并对应连接下一级幅度检测单元的差分输入端和下一级带有低通滤波的直流失调抑制器的差分输入端，依次多级级联连接；每级幅度检测单元的输出端连接电流相加电路的一个输入端，电流相加电路输出端连接低通滤波器并提供幅度检测输出，用于片内实现差分送检测输入信号的直流失调的消除和幅度检测。
2.根据权利要求1所述带直流失调消除功能的幅度检测电路，其特征在于所述的幅度限制放大电路包括M级限幅放大器，M的取值范围为3 6 ；每级限幅放大器的电路结构相同，每级限幅放大器输入端各自与同一级带低通滤波的直流失调抑制器输出端串联连接，每级限幅放大器的输出端串联连接下一级带低通滤波的直流失调抑制器的输入端，用于抵消前级带低通滤波的直流失调抑制器引起的直流失调。
3.根据权利要求2所述带直流失调消除功能的幅度检测电路，其特征在于所述限幅放大器由输入对管，负载管以及尾电流管和偏置电流电路构成，负载管为折叠式二极管连接的MOS管；限幅放大器为固定增益放大器，其增益值由输入MOS管的宽长比与折叠式二极管连接的负载MOS管的宽长比确定；用于实现大信号和小信号都能满足幅度检测单元的检测要求。
4.根据权利要求1所述带直流失调消除功能的幅度检测电路，其特征在于所述带低通滤波的直流失调抑制器为具有低通滤波的反馈式直流失调抑制电路，包括串联连接的低通滤波器和直流失调抑制器；其中所述低通滤波电路由有源电阻和无源电容构成，有源电阻为多级级联MOS管，每个MOS 管工作在线性区，用于以较小面积实现大阻值电阻，较小电容值的无源电容构成低通滤波器，在片上实现，节约芯片面积和成本；所述直流失调抑制器的反馈输入端连接限幅放大器输出端，构成直流失调抑制反馈回路；用于将低通滤波器提取经过下一级限幅放大器放大后的数据中的直流分量，与前级的限幅放大器的输出信号相减，抵消限幅放大器电路中的直流失调成分。
5.根据权利要求4所述带直流失调消除功能的幅度检测电路，其特征在于所述直流失调抑制器为相减器，包括第一差分输入对管，第二差分输入对管，以及尾电流管和偏置电路；各差分输入对管的源极并联，第一差分输入对管的两个漏极与第二差分输入对管的两个漏极交叉对应并联，第一差分输入对管和第二差分输入对管共用尾电流管和偏置电路; 减法器的第一差分输入对管的输入端连接本级直流失调抑制器的低通滤波电路输出端，第二差分输入对管的输入端连接同一级限幅放大器输出端；第一和第二差分输入对管的宽长比与工作状态完全相同，在第一和第二输入差分对管的漏极交叉并联节点的电流极性相反；用于实现抑制直流失调。
6.根据权利要求1所述带直流失调消除功能的幅度检测电路，其特征在于所述幅度检测电路由N级幅度检测单元组成，第一级幅度检测单元输入端连接送检测输入信号端， 其后每级幅度检测单元的输入端连接对应上一级限幅放大器的输出端，每个幅度检测单元的输出端对应连接电流相加电路的一个输入端，用于为电流相加电路提供N个检测信号的电流幅度，实现N个检测信号的电流幅度相加。
7.根据权利要求6所述带直流失调消除功能的幅度检测电路，其特征在于所述幅度检测单元由两个不对称源耦合差分对管，两个负载电流管，镜像电流管以及尾电流偏置电路构成；其中所述两个不对称源耦合差分对管包括第一源耦合差分对管，第二源耦合差分对管，两个源耦合差分对管结构相同，两个源耦合差分对的两个晶体管的宽长比不对称，构成不对称源耦合差分对；两个源耦合差分对管的两个P路输入管的栅极并联接入P路输入信号，两个源耦合差分对管的两个N路输入管的栅极并联接入N路输入信号，两个源耦合差分对管的源极交叉耦合并联连接对应负载管；幅度检测单元的晶体管为适合低电压工艺的三层晶体管结构，其输出电流Iout与输入电压成正比，用于检测输入信号的幅度大小。
8.根据权利要求7所述带直流失调消除功能的幅度检测电路，其特征在于所述两个不对称源耦合差分对为可调不对称源耦合差分对，第一源耦合差分对管的两个晶体管宽长比为D: 1，第二源耦合差分对管的两个晶体管宽长比也为D: 1，D的取值范围为2 8，用于通过工艺在取值范围内调节两个晶体管宽长比D值，获取优化结果值，使幅度量化的误差小和功耗低，达到应用系统电路要求。
9.根据权利要求1-8所述带直流失调消除功能的幅度检测电路，其特征在于所述检测幅度电路中每个幅度检测单元的差分对管为宽长比不对称结构，差分对管为宽长比因比例不同，输出电流随差分对管的宽长比例不同而不同，各幅度检测单元的差分对管的宽长比例不同并依序变化，差分对管的宽长比例的依序近似于对数线性变化；各幅度检测单元输出电流的大小也会依序不同，各幅度检测单元输出电流随输入信号的幅度变化而依序对数线性变化。
全文摘要
本发明公开一种带直流失调消除功能的幅度检测电路为差分结构，由包含若干个带低通滤波的直流失调抑制器的直流失调消除电路，包含若干个限幅放大器的幅度限制放大电路，包含若干个幅度检测单元的幅度检测电路，以及电流相加电路和滤波电路构成。差分射频信号经多级级联限幅放大器放大到饱和，每级限幅放大器输出通过幅度检测单元检测，输出的检测幅度值，送到电流相加电路相加后并经低通滤波电路滤波，得到与输入信号幅度相关的输出电压。本发明可适应射频芯片单片高集成度的要求，适用于需要检测信号幅度的高集成度零中频接收机。
文档编号H04B17/00GK102571227SQ20111035314
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者何晓丰 申请人:嘉兴联星微电子有限公司