[发明专利]单端幅度检测器以及单端幅度检测单元

说明书

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Iout。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，其输入通过芯片引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Cc施加到一对源跟随器(Source Follower)的输入，这里NMOS管M1和M2即用作源跟随器；源跟随器的输出(即M1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。