专利名称：单端幅度检测器以及单端幅度检测单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种集成电路设计技术，特别是涉及一种单端幅度检测电路的设计。
背景技术：
幅度检测器(Amplitude Detector),又称为峰值检测电路(Peak Detector),是一种检测信号的幅度并输出与信号幅度相对应的直流电压(或者电流)的电路。幅度检测器的输出电压(或者电流)随输入信号的幅度必须具有单调性，也就是说当输入信号幅度增大的时候，输出电压(或者电流)必须单调的增大或者减小，这样才能保证输出电压(或者电流)与输入信号幅度具有一一对应性。如
图1所示为待检测交流信号的示意图，图中的交流信号的幅度值为A。图2为幅度检测器的工作原理图，待检测交流信号输入幅度检测器，幅度检测器的输出端输出的是电压信号Vout或者电流信号lout。如图3所示的幅度检测特性曲线，检测特性(即输出电压或者电流随输入信号幅度的变化曲线)可分为正检测特性和负检测特性，但不管正与负，只要特性是严格单调的，那么就符合幅度检测特性的要求。幅度检测器在集成电路设计中有着广泛应用。举例来说，有些电路需要采用幅度稳定机制，使得电路的输出幅度维持恒定，以保持本电路(或者后级电路)的性能恒定。通常的做法是采用一个幅度负反馈环路，通过检测输出信号的幅度大小并转化为一个随幅度增加(或者减小)的直流电压(或者电流)，进而去调节电路的尾电流，达到调节电路的输出信号幅度并稳定输出信号幅度的目的。在这个负反馈环路中，幅度检测器起到关键作用。作为例子，图4给出了针对振荡器的幅度负反馈环路的实施框图。图4中，Vref为参考电压,Vad为幅度检测器的输出电压,Vref与Vad的电压差值被放大器放大,放大器输出Vc为反馈控制信号。再举例来说，有些电路需要测量其输出幅度的大小，也往往需要借助于幅度检测器。这种应用通常针对于高频电路，比如说高频振荡器，高频放大器等等。检测高频电路的输出幅度，一般不能直接将电路的输出拉到片外接仪器(频谱仪或者示波器)测试。这是因为，如果直接将电路的输出通过走线和芯片引脚拉出到片外，不仅走线和封装的寄生电容、电感对高频电路本身特性影响很大，而且仪器的探头也会作为电路的负载，改变电路的工作状态。因此直接将高频信号引出到片外测试其幅度，无法得到电路正常工作时的真实幅度。对于高频电路，测试其输出幅度的正确方法是使用幅度检测器。图5以振荡器为例，给出了测试其振荡幅度的方法。在此方法中，振荡器的输出接第一幅度检测器，第一幅度检测器的输出(通常是直流电压)通过芯片引脚拉出到片外便于测试。与此同时，芯片内还集成了 一个与第一幅度检测器完全相同的第二幅度检测器，其输入通过芯片弓I脚拉出到片外由仪器提供，输出通过芯片引脚拉出到片外便于测试。先通过信号发生器产生幅度可变的正弦波信号(频率与振荡器的频率近似相同)，通过Vip和Vin给第二幅度检测器提供输入，并产生相应的输出直流电压Vad2，用万用表测试Vad2。通过不断改变输入幅度，测试得到相应的输出电压并记录；根据输入幅度和输出电压描绘曲线，便得到幅度检测器的检测特性曲线(如图3所示)。再通过测量第一幅度检测器的输出电压，并根据已经得到的幅度检测特性曲线，便可得知振荡器的实际振荡幅度。集成电路设计中，典型的幅度检测器如图6所示，该结构广泛应用于射频电路中做幅度检测。输入差分信号Vip和Vin，经过耦合电容Ce施加到一对源跟随器(SourceFollower)的输入，这里NMOS管Ml和M2即用作源跟随器；源跟随器的输出(即Ml和M2管的源端)接在一起，电流源Iss为源跟随器提供偏置电流。当输入信号幅度增大时，输出电压Vx也跟随升高。通常Vx中含有高频谐波分量，通过一阶RC滤波后消除了其谐波分量，得到平稳的直流电压Vout。幅度检测器的主要指标包括功耗、面积、检测特性的一致性、检测特性的线性度。其中，功耗属于软性指标，这是因为有些电路中幅度检测器仅仅是辅助或者测试电路，在正常应用的时候幅度检测器关闭，这种情况下，幅度检测器的功耗大小没有关系。检测特性的线性度也是根据应用而定，有些场合对线性度要求高，有些场合对线性度要求低。检测特性的一致性是最重要的指标。所谓检测特性的一致性，是指检测特性曲线(如图3所示)受工艺和温度变化的影响程度。如果工艺或者温度发生变化，检测特性曲线变化很大，说明一致性不好；反之如果工艺或者温度在较大范围内变化，检测特性曲线变化很小，则说明一致性很好。在用作幅度控制的负反馈环路中，只有检测特性一致性良好的幅度检测器，才能有效地将电路输出幅度控制在某个值附近，而且对不同批次的芯片输出幅度差别较小；而如果检测特性一致性不好，那么这种幅度控制机制将不够准确，不同批次的芯片输出幅度可能仍然差别很大。在幅度测量电路中，如果检测特性一致性不好，那么我们必须对每颗芯片都测量其幅度检测器的检测特性曲线，才能正确推测电路的真实输出幅度。显然，这是很费劲的事情。集成电路设计中，典型的幅度检测器都是差分输入，因此主要用于对差分电路做幅度检测和控制。这些差分电路，包括差分VCO (压控振荡器)、差分DA (驱动放大器)等等。这些电路也有对应的单端版本，比如说单端VC0、单端DA，它们在低功耗设计中往往会用到；甚至对于某些电路，通常只以单端的形式出现，比如说晶体振荡器(CrystalOscillator)。这些单端电路，往往也需要做幅度检测和控制，那么显然无法使用常规的差分输入的幅度检测器。现有文献中，论述单端幅度检测器的资料比较少。作为稀少的结构之一，图7给出了一种单端幅度检测器，在几篇论述晶体振荡器的文章中曾经出现。该结构如果稍加修改，也能用于其它单端射频电路做幅度检测。接下来对图7的结构做详细的分析。图7中，PMOS管Mpl、Mp2、Mp3的宽长比相同，均为(W/L)P。NMOS管Mnl的宽长比为(W/L)n，NM0S管Mn2的宽长比为MX (W/L)N，即Mn2管是Mnl管尺寸的M倍。由于Mpl和Mp2构成1:1的电流镜，因此两个支路中电流总是相同，为I。当不施加输入信号的时候，NMOS管Mnl、Mn2，PMOS管Mpl、Mp2，电阻R—起构成一个偏置电流产生电路，该偏置电流产生电路是工业界的经典结构，称为恒定跨导源(Constant-Gm),其特点是产生的电流与电阻R的平方成反比，用表达式表示为:
权利要求
1.一种单端幅度检测器，其特征在于，包括依次连接的:直流电压输入电路、第一 Re电路、交流电流产生电路、电流放大滤波电路和直流电压输出电路；所述直流电压输入电路产生的直流电压通过所述第一 RC电路后，与输入信号叠加形成交流电压信号并输入所述交流电流产生电路；所述交流电流产生电路将所述交流电压信号转换成电流信号，并输入所述电流放大滤波电路；所述电流放大滤波电路将所述电流信号进行低通滤波，取出直流分量并放大后流入所述直流电压输出电路；所述直流电压输出电路将所述放大后的直流电流转换成直流电压作为幅度检测器的输出信号。
2.根据权利要求1所述的单端幅度检测器，其特征在于，所述直流电压输入电路包括相连接的第一电流镜源端子电路和电流源；所述交流电流产生电路包括第一电流镜镜像端子电路；所述电流放大滤波电路包括相连接的第二电流镜源端子电路、第二 RC电路和第二电流镜镜像端子电路；所述直流电压输出电路包括负载子电路；所述第一电流镜镜像端子电路为所述第一电流镜源端子电路的镜像电路；所述第二电流镜镜像端子电路为所述第二电流镜源端子电路的镜像电路；所述负载子电路上产生的电压降作为所述幅度检测输出信号。
3.根据权利要求2所述的单端幅度检测器，其特征在于，还包括交流旁路子电路，所述交流旁路子电路连接在所述第一电流镜镜像端子电路和所述第二电流镜源端子电路之间，用于将所述交流电流产生电路产生的所述交流电压信号的交流分量进行旁路处理。
4.根据权利要求1-3任一项所述的单端幅度检测器，其特征在于，所述第一RC电路，用于对经过所述第一 RC电路输出端的交流信号进行低通滤波处理，阻止所述交流信号进入并干扰与所述第一 RC电路输入端相连的所述直流电压输入电路；所述第一 RC电路还用于将所述第一 RC电路输入端的直流电压无障碍通过并到达所述第一 RC电路输出端；所述第二 RC电路为第二低通滤波电路，用于将所述交流电流产生电路输出的电流信号进行低通滤波并取出其直流分量。
5.根据权利要求2或3所述的单端幅度检测器，其特征在于，所述第一电流镜镜像端子电路为所述第一电流镜源端子电 路的1:1镜像电路；所述第二电流镜镜像端子电路为所述第二电流镜源端子电路的M:1镜像电路。
6.根据权利要求5所述的单端幅度检测器，其特征在于，所述第一电流镜镜像端子电路和所述第一电流镜源端子电路均为基于PMOS管的镜像电路，所述第二电流镜镜像端子电路和所述第二电流镜源端子电路均为基于NMOS管的镜像电路，所述负载子电路为工作在深线性区域的PMOS管。
7.根据权利要求6所述的单端幅度检测器，其特征在于，所述第一电流镜镜像端子电路和所述第一电流镜源端子电路中的PMOS管被偏置在截止和饱和区的边缘处。
8.根据权利要求5所述的单端幅度检测器，其特征在于，所述第一电流镜镜像端子电路和所述第一电流镜源端子电路均为基于NMOS管的镜像电路，所述第二电流镜镜像端子电路和所述第二电流镜源端子电路均为基于PMOS管的镜像电路，所述负载子电路为工作在深线性区域的NMOS管。
9.根据权利要求8所述的单端幅度检测器，其特征在于，所述第一电流镜镜像端子电路和所述第一电流镜源端子电路中的NMOS管被偏置在截止和饱和区的边缘处。
10.一种单端幅度检测单元，其特征在于，包括:两个如权利要求1-9任一项所述的单端幅度检测器以及减法/放大器，其中一个单端幅度检测器的输入端接收外部输入信号，输出端连接所述减法/放大器的同相输入端，另一个单端幅度检测器的输入端接地，输出端连接所述减法/放大器的反相输入端；所述减法/放大器的输出端为所述幅度检测单元的输出端。 ·
全文摘要
本发明公开了一种幅度检测器以及幅度检测单元，包括直流电压输入电路、第一RC电路、交流电流产生电路、电流放大滤波电路和直流电压输出电路。本发明通过电路设计抵消了大偏差的工艺常数对幅度检测结果的影响，电路中剩余的工艺偏差非常小，使得幅度检测结果的工艺偏差相对就更小。本发明具有检测特性一致性好，电路结构简单、易分析、易设计等优点。
文档编号G01R19/04GK103207315SQ20121000854
公开日2013年7月17日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者许建超, 史爱焕 申请人:国民技术股份有限公司