專利名稱：單端幅度檢測器以及單端幅度檢測單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成電路設(shè)計技術(shù)，特別是涉及一種單端幅度檢測電路的設(shè)計。
背景技術(shù)：
幅度檢測器(Amplitude Detector),又稱為峰值檢測電路(Peak Detector),是一種檢測信號的幅度并輸出與信號幅度相對應(yīng)的直流電壓(或者電流)的電路。幅度檢測器的輸出電壓(或者電流)隨輸入信號的幅度必須具有單調(diào)性，也就是說當(dāng)輸入信號幅度增大的時候，輸出電壓(或者電流)必須單調(diào)的增大或者減小，這樣才能保證輸出電壓(或者電流)與輸入信號幅度具有一一對應(yīng)性。如

圖1所示為待檢測交流信號的示意圖，圖中的交流信號的幅度值為A。圖2為幅度檢測器的工作原理圖，待檢測交流信號輸入幅度檢測器，幅度檢測器的輸出端輸出的是電壓信號Vout或者電流信號lout。如圖3所示的幅度檢測特性曲線，檢測特性(即輸出電壓或者電流隨輸入信號幅度的變化曲線)可分為正檢測特性和負檢測特性，但不管正與負，只要特性是嚴格單調(diào)的，那么就符合幅度檢測特性的要求。幅度檢測器在集成電路設(shè)計中有著廣泛應(yīng)用。舉例來說，有些電路需要采用幅度穩(wěn)定機制，使得電路的輸出幅度維持恒定，以保持本電路(或者后級電路)的性能恒定。通常的做法是采用一個幅度負反饋環(huán)路，通過檢測輸出信號的幅度大小并轉(zhuǎn)化為一個隨幅度增加(或者減小)的直流電壓(或者電流)，進而去調(diào)節(jié)電路的尾電流，達到調(diào)節(jié)電路的輸出信號幅度并穩(wěn)定輸出信號幅度的目的。在這個負反饋環(huán)路中，幅度檢測器起到關(guān)鍵作用。作為例子，圖4給出了針對振蕩器的幅度負反饋環(huán)路的實施框圖。圖4中，Vref為參考電壓,Vad為幅度檢測器的輸出電壓,Vref與Vad的電壓差值被放大器放大,放大器輸出Vc為反饋控制信號。再舉例來說，有些電路需要測量其輸出幅度的大小，也往往需要借助于幅度檢測器。這種應(yīng)用通常針對于高頻電路，比如說高頻振蕩器，高頻放大器等等。檢測高頻電路的輸出幅度，一般不能直接將電路的輸出拉到片外接儀器(頻譜儀或者示波器)測試。這是因為，如果直接將電路的輸出通過走線和芯片引腳拉出到片外，不僅走線和封裝的寄生電容、電感對高頻電路本身特性影響很大，而且儀器的探頭也會作為電路的負載，改變電路的工作狀態(tài)。因此直接將高頻信號引出到片外測試其幅度，無法得到電路正常工作時的真實幅度。對于高頻電路，測試其輸出幅度的正確方法是使用幅度檢測器。圖5以振蕩器為例，給出了測試其振蕩幅度的方法。在此方法中，振蕩器的輸出接第一幅度檢測器，第一幅度檢測器的輸出(通常是直流電壓)通過芯片引腳拉出到片外便于測試。與此同時，芯片內(nèi)還集成了 一個與第一幅度檢測器完全相同的第二幅度檢測器，其輸入通過芯片弓I腳拉出到片外由儀器提供，輸出通過芯片引腳拉出到片外便于測試。先通過信號發(fā)生器產(chǎn)生幅度可變的正弦波信號(頻率與振蕩器的頻率近似相同)，通過Vip和Vin給第二幅度檢測器提供輸入，并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出直流電壓Vad2，用萬用表測試Vad2。通過不斷改變輸入幅度，測試得到相應(yīng)的輸出電壓并記錄；根據(jù)輸入幅度和輸出電壓描繪曲線，便得到幅度檢測器的檢測特性曲線(如圖3所示)。再通過測量第一幅度檢測器的輸出電壓，并根據(jù)已經(jīng)得到的幅度檢測特性曲線，便可得知振蕩器的實際振蕩幅度。集成電路設(shè)計中，典型的幅度檢測器如圖6所示，該結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于射頻電路中做幅度檢測。輸入差分信號Vip和Vin，經(jīng)過耦合電容Ce施加到一對源跟隨器(SourceFollower)的輸入，這里NMOS管Ml和M2即用作源跟隨器；源跟隨器的輸出(即Ml和M2管的源端)接在一起，電流源Iss為源跟隨器提供偏置電流。當(dāng)輸入信號幅度增大時，輸出電壓Vx也跟隨升高。通常Vx中含有高頻諧波分量，通過一階RC濾波后消除了其諧波分量，得到平穩(wěn)的直流電壓Vout。幅度檢測器的主要指標包括功耗、面積、檢測特性的一致性、檢測特性的線性度。其中，功耗屬于軟性指標，這是因為有些電路中幅度檢測器僅僅是輔助或者測試電路，在正常應(yīng)用的時候幅度檢測器關(guān)閉，這種情況下，幅度檢測器的功耗大小沒有關(guān)系。檢測特性的線性度也是根據(jù)應(yīng)用而定，有些場合對線性度要求高，有些場合對線性度要求低。檢測特性的一致性是最重要的指標。所謂檢測特性的一致性，是指檢測特性曲線(如圖3所示)受工藝和溫度變化的影響程度。如果工藝或者溫度發(fā)生變化，檢測特性曲線變化很大，說明一致性不好；反之如果工藝或者溫度在較大范圍內(nèi)變化，檢測特性曲線變化很小，則說明一致性很好。在用作幅度控制的負反饋環(huán)路中，只有檢測特性一致性良好的幅度檢測器，才能有效地將電路輸出幅度控制在某個值附近，而且對不同批次的芯片輸出幅度差別較小；而如果檢測特性一致性不好，那么這種幅度控制機制將不夠準確，不同批次的芯片輸出幅度可能仍然差別很大。在幅度測量電路中，如果檢測特性一致性不好，那么我們必須對每顆芯片都測量其幅度檢測器的檢測特性曲線，才能正確推測電路的真實輸出幅度。顯然，這是很費勁的事情。集成電路設(shè)計中，典型的幅度檢測器都是差分輸入，因此主要用于對差分電路做幅度檢測和控制。這些差分電路，包括差分VCO (壓控振蕩器)、差分DA (驅(qū)動放大器)等等。這些電路也有對應(yīng)的單端版本，比如說單端VC0、單端DA，它們在低功耗設(shè)計中往往會用到；甚至對于某些電路，通常只以單端的形式出現(xiàn)，比如說晶體振蕩器(CrystalOscillator)。這些單端電路，往往也需要做幅度檢測和控制，那么顯然無法使用常規(guī)的差分輸入的幅度檢測器。現(xiàn)有文獻中，論述單端幅度檢測器的資料比較少。作為稀少的結(jié)構(gòu)之一，圖7給出了一種單端幅度檢測器，在幾篇論述晶體振蕩器的文章中曾經(jīng)出現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)如果稍加修改，也能用于其它單端射頻電路做幅度檢測。接下來對圖7的結(jié)構(gòu)做詳細的分析。圖7中，PMOS管Mpl、Mp2、Mp3的寬長比相同，均為(W/L)P。NMOS管Mnl的寬長比為(W/L)n，NM0S管Mn2的寬長比為MX (W/L)N，即Mn2管是Mnl管尺寸的M倍。由于Mpl和Mp2構(gòu)成1:1的電流鏡，因此兩個支路中電流總是相同，為I。當(dāng)不施加輸入信號的時候，NMOS管Mnl、Mn2，PMOS管Mpl、Mp2，電阻R—起構(gòu)成一個偏置電流產(chǎn)生電路，該偏置電流產(chǎn)生電路是工業(yè)界的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，稱為恒定跨導(dǎo)源(Constant-Gm),其特點是產(chǎn)生的電流與電阻R的平方成反比，用表達式表示為:
權(quán)利要求
1.一種單端幅度檢測器，其特征在于，包括依次連接的:直流電壓輸入電路、第一 Re電路、交流電流產(chǎn)生電路、電流放大濾波電路和直流電壓輸出電路；所述直流電壓輸入電路產(chǎn)生的直流電壓通過所述第一 RC電路后，與輸入信號疊加形成交流電壓信號并輸入所述交流電流產(chǎn)生電路；所述交流電流產(chǎn)生電路將所述交流電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并輸入所述電流放大濾波電路；所述電流放大濾波電路將所述電流信號進行低通濾波，取出直流分量并放大后流入所述直流電壓輸出電路；所述直流電壓輸出電路將所述放大后的直流電流轉(zhuǎn)換成直流電壓作為幅度檢測器的輸出信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單端幅度檢測器，其特征在于，所述直流電壓輸入電路包括相連接的第一電流鏡源端子電路和電流源；所述交流電流產(chǎn)生電路包括第一電流鏡鏡像端子電路；所述電流放大濾波電路包括相連接的第二電流鏡源端子電路、第二 RC電路和第二電流鏡鏡像端子電路；所述直流電壓輸出電路包括負載子電路；所述第一電流鏡鏡像端子電路為所述第一電流鏡源端子電路的鏡像電路；所述第二電流鏡鏡像端子電路為所述第二電流鏡源端子電路的鏡像電路；所述負載子電路上產(chǎn)生的電壓降作為所述幅度檢測輸出信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單端幅度檢測器，其特征在于，還包括交流旁路子電路，所述交流旁路子電路連接在所述第一電流鏡鏡像端子電路和所述第二電流鏡源端子電路之間，用于將所述交流電流產(chǎn)生電路產(chǎn)生的所述交流電壓信號的交流分量進行旁路處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的單端幅度檢測器，其特征在于，所述第一RC電路，用于對經(jīng)過所述第一 RC電路輸出端的交流信號進行低通濾波處理，阻止所述交流信號進入并干擾與所述第一 RC電路輸入端相連的所述直流電壓輸入電路；所述第一 RC電路還用于將所述第一 RC電路輸入端的直流電壓無障礙通過并到達所述第一 RC電路輸出端；所述第二 RC電路為第二低通濾波電路，用于將所述交流電流產(chǎn)生電路輸出的電流信號進行低通濾波并取出其直流分量。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的單端幅度檢測器，其特征在于，所述第一電流鏡鏡像端子電路為所述第一電流鏡源端子電 路的1:1鏡像電路；所述第二電流鏡鏡像端子電路為所述第二電流鏡源端子電路的M:1鏡像電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單端幅度檢測器，其特征在于，所述第一電流鏡鏡像端子電路和所述第一電流鏡源端子電路均為基于PMOS管的鏡像電路，所述第二電流鏡鏡像端子電路和所述第二電流鏡源端子電路均為基于NMOS管的鏡像電路，所述負載子電路為工作在深線性區(qū)域的PMOS管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的單端幅度檢測器，其特征在于，所述第一電流鏡鏡像端子電路和所述第一電流鏡源端子電路中的PMOS管被偏置在截止和飽和區(qū)的邊緣處。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單端幅度檢測器，其特征在于，所述第一電流鏡鏡像端子電路和所述第一電流鏡源端子電路均為基于NMOS管的鏡像電路，所述第二電流鏡鏡像端子電路和所述第二電流鏡源端子電路均為基于PMOS管的鏡像電路，所述負載子電路為工作在深線性區(qū)域的NMOS管。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的單端幅度檢測器，其特征在于，所述第一電流鏡鏡像端子電路和所述第一電流鏡源端子電路中的NMOS管被偏置在截止和飽和區(qū)的邊緣處。
10.一種單端幅度檢測單元，其特征在于，包括:兩個如權(quán)利要求1-9任一項所述的單端幅度檢測器以及減法/放大器，其中一個單端幅度檢測器的輸入端接收外部輸入信號，輸出端連接所述減法/放大器的同相輸入端，另一個單端幅度檢測器的輸入端接地，輸出端連接所述減法/放大器的反相輸入端；所述減法/放大器的輸出端為所述幅度檢測單元的輸出端。 ·
全文摘要
本發(fā)明公開了一種幅度檢測器以及幅度檢測單元，包括直流電壓輸入電路、第一RC電路、交流電流產(chǎn)生電路、電流放大濾波電路和直流電壓輸出電路。本發(fā)明通過電路設(shè)計抵消了大偏差的工藝常數(shù)對幅度檢測結(jié)果的影響，電路中剩余的工藝偏差非常小，使得幅度檢測結(jié)果的工藝偏差相對就更小。本發(fā)明具有檢測特性一致性好，電路結(jié)構(gòu)簡單、易分析、易設(shè)計等優(yōu)點。
文檔編號G01R19/04GK103207315SQ20121000854
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者許建超, 史愛煥 申請人:國民技術(shù)股份有限公司