专利名称：改进的二极管检波器的制作方法
背景本发明涉及二极管检波器，特别是涉及用来调节射频(RF)信号电平并且在温度及其他参数变化的情况下保持稳定的二极管检波器。这样的二极管检波器可以用在无线电话中用来调节电话发射机的输出功率。
具有稳定或补偿二极管检波器的调节器环路被用在诸多应用中，这些应用通过监控来自放大器或其它元件的交流(a.c.)输出信号以确保正确的电平。一个示例应用就是无线电话，其中，通过监控来自电话发射机功率放大器的射频输出信号，以确保其具有正确的发射功率电平。温度补偿检波器常常用于此目的，这是因为二极管检波器的响应常常随着温度而变化到无法接受的程度。对于象无线电话这样的便携式设备尤其是这样，它们能经历热和冷的极限并且必须保持定义明确的输出功率电平以避免干扰其它设备。
二极管检波器在无线电话网的其它部分也是有用的。在一个典型的蜂窝式无线电话通讯系统中，收发器遍布于某个地理区域上的多个固定的站点用以在它们各自的覆盖区域内提供无线通讯，这通常叫做蜂窝系统。每一个固定站点的收发器在公共交换电话网络和便携式无线电话以及位于蜂窝系统的其它远程终端之间提供一个接口。固定站点收发器和无线电话通过交换射频信号进行通讯，其中使用了各种操作模式(模拟，数字和混合)和诸如频分多路访问(FDMA)、时分多路访问(TDMA)、码分多路访问(CDMA)和它们的混合技术等访问技术。
在目前的蜂窝式通讯系统中，通讯信道通过具有接近800兆赫(MHz)、900MHz、1800MHz和/或1900MHz频率的调频RF载波信号实现。其它现有的通讯系统使用电磁波谱中RF部分的其它频率，比如使用2400MHz的“篮牙”(“bluetooth”)系统。来自此类系统的放大器输出信号，比如在蜂窝系统的固定站点中的放大器，也可以作为被监控的对象以确保它们具有正确的信号电平。
一个满足这些通讯系统的功率控制要求的方法是提供一个稳定的RF信号检测电路，该电路不要求对温度和功率供给电压的变化敏感。从而，需要一个对在温度和功率供给电压都有较宽的变化范围下具有高可靠性和线性的改进信号检测电路。其它诸多应用都能从此改进的信号检测电路中受益。
美国专利号4,523,155的专利揭示了一个温度补偿二极管检波器，并将一个检波器二极管结合到一个半波整流器中。这个补偿器二极管具有双重功能，它一方面补偿了检波器二极管的温度依靠，另一方面组成偏置电路，当检波器二极管导通的时候，检波器二极管输入的电压相应于通过检波器二极管的下降电压上升到一个相应值。当RF信号为正时，检波器二极管输出电压对应于该RF信号，否则假定其值为零。
欧洲专利公布号EP 0 834 987的专利描述了一个用来控制无线电话功率放大器的RF输出功率的调节器环路，该无线电话具有一个二极管检波器用于检测来自功率放大器的RF信号，另外相应地提供一个输出信号，该专利还描述了具有为功率放大器产生控制信号的控制电路，该功率放大器依赖于二极管检波器的输出信号和一个代表功率放大器期望输出功率的参考信号。此发送机的一部分如
图1所示。
一个RF信号作为功率放大器3的一个输入被提供，在放大器的输出端该信号被放大到期望的传输功率电平。位于功率放大器3输出端的一个定向耦合器4通过一个电感耦合产生一个代表功率放大器3的输出信号的环路信号。此环路信号反馈给二极管检波器5(仅以一个二极管示意示出)，它将产生一个与环路信号成比例从而也与功率放大器的输出成比例的直流输出信号。二极管检波器5的输出信号和功率控制信号通过两个电阻R10和R11被和在一起，从而产生一个被环路放大器6放大了的错误信号，其输出控制了功率放大器3的获取权。
根据欧洲专利号为0 834 987的专利，二极管检波器5是一个分压器配置，它组成了直流通路的一部分，直流偏置通过此通路应用。电压分压器配置由两个电阻、一个检波器二极管和一个补偿器二极管串联而成，二极管检波器5的输入和输出分别连接到直流通路上的检波器二极管的相应终端。
Walczak等人的美国专利号4,523,155的专利描述了另一个二极管检波器。该专利提供了一个检波器二极管和一个补偿器二极管，尽管这些二极管不是串行连接的。该检波器二极管被一个包含补偿器二极管的发生器正向偏置，该补偿器二极管被选择用来提供温度补偿。
Hietala等人的美国专利号5,448,770的专利也描述了一个二极管检波器，其中的两个二极管没有串联连接。二极管的温度系数由一个能产生二极管的偏置电流的复杂装置进行补偿，使电流具有反向温度系数。
这些先有的二极管检波器受限于各种的缺陷，比如电路复杂和/或温度补偿不理想。因而，需要一个可比先有设备更好地得到补偿的更简单的二极管检波器。
概要本申请人发明的二极管检波器能在温度和电源电压在较大范围变化的情况下具有高度稳定性和线性，该检波器可被用来调节由各设备响应控制信号而产生的交流信号。
本发明的一个方面，如此构造的二极管检波器包括一个检波器二极管和与之串联的第一电阻，一个连接于第一电阻和检波器二极管的连接点与参考电压之间的电容器，和一个补偿器二极管和与之相互串联的第二电阻，该补偿器二极管和第二电阻与检波器二极管和第一电阻相串联。一个输入交流信号被提供给检波二极管的第一终端，一个整流的信号被提供到检波二极管、第一电阻和电容器的接点处。该检波二极管和补偿二极管具有基本一样的温度系数，且这些二极管都具有相同的极性。
此二极管检波器可以与接口元件如输出缓冲放大器一起使用，二极管检波器的输出信号被提供给具有输入偏置电流的缓冲放大器的输入端，该偏置电流相对低于流过补偿二极管的平均整流信号电流。检波二极管和补偿二极管可以是肖特基势垒型二极管而输出缓冲放大器可以是FET-输入的运算放大器。
二极管检波器还可以包括与补偿器二极管和第二电阻串联的参考电压源，该参考电压源被连接于第二电阻或补偿器二极管，这视此二设备哪个不直接与检波器二极管相连而定。
本发明的另一个方面，提供一个具有调节输出的信号发生器。它包括一个具有某一幅度的放大器输出信号的放大器，这一幅度是相应于控制信号的；一个接收放大器输出信号并产生一个相应于放大器输出信号的交流信号的耦合器；一个检波器二极管和与之串联的第一电阻；一个连接于检波器二极管及第一电阻连接点与参考电压之间的电容器；一个补偿器二极管和与之相互串联的第二电阻，补偿器二极管和第二电阻该且与检波二极管和第一电阻串联，及一个接口元件如输出缓冲放大器。
由耦合器产生的交流电信号被提供给检波器二极管的第一终端，整流信号被提供于检波二极管和第一电阻的连接处。检波二极管和补偿二极管具有基本相同的温度系数，且这些二极管都具有相同的极性。缓冲放大器的输入偏置电流相对低于流过补偿二极管的平均整流信号电流。
检波二极管和补偿二极管可以是肖特基势垒型二极管，而输出缓冲放大器可以是FET-输入运算放大器。信号发生器还可以包括与补偿二极管和第二电阻串联的参考电压源，该参考电压源被连接于第二电阻或补偿二极管，这视此二设备哪个不直接与检波器二极管相连。
细节描述尽管本发明将结合无线电话中功率放大器的调节环路进行解释，本发明也可以应用到其它需要确定或调节交流信号电平的环境中，这种信号甚至是频率很低的交流信号。
图2A和图2B是根据申请人的发明的改进的二极管检波器100的另一配置的方框图，此配置用于确定由与功率放大器PA的输出相应的耦合器所产生的信号电平。检波器100包括由检波二极管102、补偿二极管104和电阻106、108组成的一个串联配置。设置电容器110用以保持由检波器102传来的电荷。二极管检波器100产生的输出信号被提供给接口元件112，其原因将在下面给出更为详细的解释。
在如图2A和图2B所示的装置中，输入信号被提供给检波器二极管102的一个终端，由二极管检波器100产生的与输入信号的电平相对应的输出信号在106和108之间被拾取。补偿二极管104和电阻108的顺序在目前并不被认为是关键的，也就是说，二极管104和电阻108可以互换，因为它们的顺序对检波器100的操作没有影响，所以。图2A以一种顺序示出这些元件，图2B以另一种顺序示出这些元件，其他方面，图2A等同于图2B。
至少对于一级近似，二极管102和104因串联而具有相同的平均电流。如果电阻106和108有相同的电阻值，则很容易地知到，缓冲器的输入(检波器100产生的输出)的电压是来自耦合器的交流输入电压的一半。如计算机模拟和试验测量所示，这个简单的假设与实际情况非常近似。
应当理解的是，被测出的信号的频率，也就是耦合器和功率放大器的输出频率，影响着适合(作为)二极管102和104的二极管类型。对于蜂窝式无线电话的典型频率，肖特基势垒型(Schottky)二极管比较适宜，那些具有较低的击穿电压的二极管目前比较受欢迎，因为它们具有较低的电容。HP 282X系列是一类肖特基势垒型二极管，它具有高绝缘性，尤其与HSMS 382K设备相匹配，可在Hewlett-Packard获得并且是适合的类型。这样的二极管能使检波器100的最大输出电压约为4伏特(受二极管击穿电压的限制)，并且对900MHz和1900MHz的信号具有基本相同的响应。
当然，通常所述二极管应该是相等的，也就是说，具有相同的温度系数，且处于相同的温度以使得检波器100的输出信号得到温度补偿。因此，两个二极管最好类型相同，并且一起置于一个共同的封装中。通常，有必要最小化二极管之间的耦合以避免由补偿二极管104产生的信号整流。因此，对于那些类似于如上所述的交流高频信号(800-2500MHz)，各二极管可以置于一个封装的分立的基片上，该封装具有一个用于隔离的隔离屏蔽，就象上述HP设备里的一样。随着被读出的交流信号频率的减小，由于二极管之间的交流耦合而导致的补偿二极管的整流变得愈来愈少，这就使得获得所期望的二极管共性的其它方法可以被应用，例如，使用一对匹配的晶体管的基极-发射极或栅极-源极二极管。值得注意的是，除了将二极管置于一个共同的封装之外，还有其它各种方法确保二极管具有相同的温度。
选择电阻106和108的阻值通常应防止耦合器、功率放大器PA和检波器100的任何元件过载。当电阻106和108每个都是4.7千欧姆时，申请人获得了满意的性能。同样的，电容器110值的选择通常应该使检波器100的输出变化足够快以便充分精确的反映出被监控信号的电平变化。申请人发现如果电容器110是4皮法，检波器100的输出信号的上升时间对于一个约100毫伏的检波器输出信号而言约低于1毫秒。随着输入信号频率的减小，电容器110通常会具有一个较大的值。
促使申请人的二极管采用这些值的考虑实质上与促使其它二极管检波器中选择类似元件的考虑是相同的。例如，电容器110利于对位于检波二极管402、电阻406和电容器410的接点114处的整流电压进行平滑，保持输入交流信号的峰值间的电压，即，被加于二极管402的另一终端的交流信号。输入信号峰值间整流信号的降低决定于输入信号的频率以及电容器110和电阻406、408的值。值得注意的是，整流信号电流流过电阻106、108和补偿二极管104，并且整流信号电压的成比例的复制出现在电阻106的其它终端。
为了精确的补偿，重要的是连接二极管检波器100的输出到环境的其它部分的元件，比如缓冲器112，不要使增加或减少的电流足以明显的扰动二极管102和104的电流均衡。换言之，缓冲器112或其它接口元件应具有低的偏置电流。一种适宜的缓冲放大器是具有输入场效应晶体管(FETs)的运算放大器。典型的FET-输入运算放大器对于大约50-100毫伏的最小需求检波器输出信号具有低的输入偏置电流，也就是说，对于最小的需求检波器输出信号，与流过上述肖特基势垒型二极管102、104的电流来说是可忽略的。这种运算放大器通常被认为具有大的输入偏置电压，但如今这种类型的运算放大器可以仅有几毫伏的偏置电压，偏置电流基本为零，且成本很低。
应当理解，像缓冲器112这样的特殊接口元件的选择并不受由检波器100确定的电平信号的频率的影响。影响选择的参数通常有偏置电流、偏置电压和上升时间等，而它们的选择基于接口元件的输出信号和二极管检波器的足够小负载所需的特性。理论上，接口元件的输入偏置电流应该是零，但实际上常常可以容忍一定量的输入偏置电流。
对于一个给定的二极管检波器，多大的偏置电流是可容忍的(即“低”或“可忽略”)，取决于具体应用所需的输出线性程度和温度稳定性。检波器100的输出信号随着输入信号的减小而线性的减小，直到整流信号电流相对于由类似于放大器112这样的接口元件的输入偏置电流引起的偏离线性而言变得足够小为止。此外，随着整流信号的减小，流过检波器二极管102的整流信号电流相对的变得越来越不同于(也就是说，输入偏置电流)流过补偿二极管104的整流信号电流，结果使得补偿二极管104的温度系数和二极管102的温度系数变得越来越不同。申请人目前认为，当偏置电流约为流过补偿二极管104的平均整流信号电流的百分之一量级时，像缓冲器112这样的接口元件的输入偏置电流是可忽略的，或者说是较低的。
申请人的二极管检波器可以方便的运用到任何使用着如上所述的先有二极管检波器的环境当中。例如，接口元件(图中的缓冲放大器112)的输出可以用作由放大器PA所响应的控制信号的偏置。这种整流信号发生器的各细节可在图1中概略的看到，并可以从上面引用的文献、文件中加以理解。因此，在这里不必进行进一步的描述。
图2A和图2B所示的申请人的二极管检波器装置在放大器112的输入处产生正(相对于地)的输出电压，该电压随着耦合器产生的信号的功率电平增大而增大。如果期望得到其它性能，例如，如果检波器输出电压应随着功率电平的减小而减小，则这个特性可以用多种方法修改。一种获得所需特性的方法是提供适宜的接口元件，比如位于缓冲器112输出处的另一信号调节元件。可以是数字信号处理器或其它逻辑装置的接口元件将接受检波器100的输出作为输入，而后根据需求对信号进行操作，以获得所需的特性。
获得所期望特性的另一种途径就是改变检波器100中元件的方向。例如，颠倒二极管102、104的极性产生一个来自缓冲放大器112的输出电压，它相对于地为负，并且随着读出的功率电平的增大而变得更负。如图3所示的另一个例子，其输出特性可以通过在耦合器和正负参考电压116(而不是地)之间串联连接的二极管102、104和电阻106、108来改变，无论如图2A、图2B所示二极管的极性是否颠倒。附加的电阻118和用于隔直流的耦合电容器120更优选地包括在内。用这种方法，可以根据参考电压使得二极管检波器100的输出信号程度不同的成正或负，还可以根据二极管的极性使得增加的读出功率电平增加或减少。
申请人的二极管检波器100和如EP 0 834 987中所描述的先有二极管检波器之间的一个重要区别在于在EP文件中描述的二极管检波器没有经过配置使其对检波和补偿二极管中的平均电流进行均衡。实际上，EP文件中的检波器仅当正极时才是正确的，其性能曲线显示出一个依赖温度的输出电压。
为了得到根据申请人发明的二极管的类似性能，可以使用两个直流偏置二极管和一个平衡放大器，其中一个二极管是一个参考，另一个是一个整流器，该整流电压和参考电压之间的差被作为输出。有关此类装置的问题在上面进行了讨论。根据申请人发明的检波器的一个重要优势在于不需要使用直流偏置或平衡放大器就可获得高性能，即极好的温度稳定性，低复杂度和低成本。
应当理解，尽管电阻106、108实质上具有相同的温度系数，但通常不必要求它们具有相同的阻值。此外，申请人的二极管检波器的一个优势在于它不必要求温度的稳定，例如，通过把所有的元件安装到恒温箱中，使得二极管102、104具有匹配的温度系数，电阻106、108具有匹配的温度系数(不必与二极管的温度系数相同)，且缓冲放大器112的输出电压在所需的操作温度范围上有适宜的温度系数。
上面是参照特殊的具体实施例对申请人的发明进行了描述，显然，对于熟悉此技术的人员而言，可以以不同于上面描述的形式实施本发明。上面描述的特殊实施例仅仅是说明性的，不应当是限定性的。此发明的范围由下面的权利要求书确定，所有权利要求书范围内的变型和等效都已包含在内。
权利要求
1.一种用来产生输出信号相应于输入交流信号的的二极管检波器，包括串联连接的检波二极管和第一电阻，所述的输入交流电信号提供给检波二极管的第一终端，在检波二极管的第二终端处提供一整流信号，该检波二极管的第二终端与第一电阻的第一个终端相连接，所述检波二极管具有温度系数，所述输出信号提供在所述第一电阻的第二个终端处；一个电容器，其第一终端连接于所述检波二极管的第二个终端，其第二终端与一个参考电压相联接；串联连接的补偿二极管和第二电阻，该补偿二极管和第二电阻与上述检波二极管和第一电阻串联，所述输出信号提供于补偿二极管的第一端和第二电阻的第一端中的一个，并且该补偿二极管与上述检波二极管的温度系数和极性基本相同。
2.根据权利要求1的二极管检波器，还包括一个输出缓冲放大器，所述输出信号被提供给缓冲放大器的一个输入端，且该缓冲放大器的输入偏置电流相对低于流过补偿二极管的平均整流信号电流。
3.根据权利要求2的二极管检波器，其中，所述检波二极管和补偿二极管是肖特基势垒型二极管，所述输出缓冲放大器是FET-输入运算放大器。
4.根据权利要求1的二极管检波器，还包括一与补偿二极管和第二电阻串联连接的参考电压源，该参考电压源与所述第二电阻的第二终端和所述补偿二极管的第二终端中的一个相连接，因此可以选择所述输出信号的电平。
5.一个具有调节输出的信号发生器，包括一个具有放大输出信号的放大器，该信号的大小响应于一控制信号；一个耦合器，它接收所述放大器输出信号并产生一个响应于所述放大器输出信号的交流信号；串联连接的检波二极管和第一电阻，所述的输入交流电信号提供给检波二极管的第一终端，在检波二极管的第二终端处提供一整流信号，该检波二极管的第二终端与第一电阻的第一个终端相连接，所述检波二极管具有温度系数，所述输出信号提供在所述第一电阻的第二个终端处；一个电容器，其第一终端连接于所述检波二极管的第二个终端，其第二终端与一个参考电压相联接；串联连接的补偿二极管和第二电阻，该补偿二极管和第二电阻与上述检波二极管和第一电阻串联，所述检波输出信号提供于补偿二极管的第一端和第二电阻的第一端中的一个，并且该补偿二极管与上述检波二极管的温度系数和极性基本相同；一个输出缓冲放大器，所述检波输出信号被提供给输出缓冲放大器的一个输入，该输出缓冲放大器的输入偏置电流低于流过补偿二极管的平均整流信号电流；且所述控制信号基于该输出缓冲放大器的输出。
6.根据权利要求5的信号发生器，其中，所述检波二极管和补偿二极管是肖特基势垒型二极管且所述输出缓冲放大器是FET-输入运算放大器。
7.根据权利要求5的信号发生器，还包括与所述补偿二极管和第二电阻串联连接的一参考电压源，该参考电压源与所述第二电阻的第二终端和所述补偿二极管的第二终端中的一个相连接，因此可以选择所述检波输出信号的电平。
全文摘要
在温度和电源电压在较大范围变化的情况下能稳定和线性工作的二极管检波器,该检波器可被用来调节由响应控制信号的设备产生的交流信号,它包括串联连接的检波二极管和第一电阻,一个连接于检波二极管和第一电阻接点与参考电压之间的电容器,以及相互串联的补偿二极管和第二电阻,该串联的补偿二极管和第二电阻与检波二极管和第一电阻串联。一个输入交流信号被提供给检波器二极管的第一终端,整流信号被提供到检波二极管、第一电阻和电容器的接点。检波二极管和补偿和二极管具有基本相同的温度系数和相同的极性。一个输出缓冲放大器可以接收二极管检波器的输出信号,该缓冲放大器的输入偏置电流低于通过补偿二极管的平均整流信号电流。检波二极管和补偿二极管可以是肖特基势垒型二极管,而输出缓冲放大器可以是FET－输入运算放大器。同时也公开了具有调整输出且采用所述二极管检波器的信号发生器。
文档编号H04B1/04GK1367951SQ0081110
公开日2002年9月4日 申请日期2000年5月23日 优先权日1999年6月4日
发明者H·艾利松 申请人:艾利森电话股份有限公司