溫度係數控制型射頻信號檢測電路的製作方法
2023-06-03 16:12:46
專利名稱：溫度係數控制型射頻信號檢測電路的製作方法
技術領域：
本發明屬射頻(RF)信號功率放大器控制電路技術領域。具體地說，本發明推出一種經過改善的用於射頻信號功率放大器輸出功率控制電路的溫度係數(TC)控制型射頻信號檢測電路。
在許多情況下，其中包括無線電電話通信系統，都使用功率放大器來發送射頻信號。在一個蜂窩式無線電電話通信系統中，有許多固定站收發機遍布在一個地理區域內，分別為其所覆蓋的周圍區域(稱為一個網格)提供無線電通信。每個固定站收發機都是一個在有線電話系統與位於其網格內的無線行動電話機之間的接口。固定站收發機和無線電電話機通過相互發送和接收射頻信號進行通信。
在頻分多址聯接(FDMA)的無線電電話系統中，每個申請申請通話的無線電電話相分別都分配到一個無線電信道(一個射頻發射頻率和一個射頻接收頻率)，與固定站收發機通信。在一次通話期間，無線電電話機的發射機在整個通話時間內一直接通，保持在這個射頻發射頻率上發射信號。因此，無線電電話機的發射機，當然包括其中的射頻功率放大器，每次通話只需接通一次和斷開一次。類似，固定站收發機的發射機在一次通信時間內也要保持接通。由於FDMA無線電電話系統中的發射機只要在通話開始時接通、在通話結束時斷開，因此這種功率放大器的接通或斷開的速度不要求很高。
在時分多址聯接(TDMA)無線電電話系統中，諸如目前在歐洲使用的全球移動通信(GSM)無線電電話系統，8個無線電機共用一個單獨的TDMA信道，因為在相繼的各時幀內都有8個時隙可用。每個無線電電話機分配到一個TDMA信道的時隙。在所指定的時隙內，無線電電話機使其功率放大器的頻率和輸出功率電平上升到合適值，發送所要發送的信息，再使之下降，以免對共用之個同一TDMA信道的其它用戶造成幹擾。由於每個時隙都非常短(例如只有577微秒)，這就要求在很廣的溫度範圍內精確地控制功率放大器輸出電平及其上升、下降波形。在GSM無線電電話系統中，對於功率放大器輸出的上升、下降波形的時間掩蔽和頻譜掩蔽由GSM維護規則05.05(子錄目4.2.2及4.5.2，和附錄2)作;嚴格規定。如果不嚴格遵守GSM維護規則，相鄰TDMA信道上的通話就可能在時間和頻率上受到幹擾。
在美國專利No.5，150，075中揭示了一種符合GSM維護規則的功率放大系統。然而，這種功率放大系統主要依賴一個對溫度和電源電壓變化不敏感的穩定的射頻信號檢測電路。因此，就需要有一個在很寬的溫度和電源電壓變化範圍內十分穩定的射頻信號檢測電路。
本發明可提供的檢測電路上加有來自信號源的射頻信號。這種檢測電路包括一個產生第一電流的第一電流源;一個根據第一電流產生第一鏡象電流的第一電流鏡象產生器，以及一個由第一鏡象電流置偏並通過對射頻信號整流而產生一個輸出信號的整流電路。本發明的一個特點是第一電流源可以產生一個具有正溫度系統的第一電流，第二電流源可以產生一個具有負溫度係數的第二電流，而第二電流鏡象產生器可以將第一、第二電流組合起來產生一個第二鏡象電流，加到第一電流鏡象產生器上。
在附圖中
圖1為一個無線電電話通信系統的方框圖，這個系統包括可有效地採用本發明的溫度係數控制型射頻信號檢測電路的一個或多個固定站收發機和一個或多個無線電電話機;
圖2為一個可有效地採用本發明的溫度係數控制型射頻信號檢測電路的功率放大器和功率放大器控制電路的方框圖;
圖3為一個本發明的溫度係數控制型射頻信號檢測電路的實施例的方框圖;以及圖4為圖3所示溫度係數控制型射頻信號檢測電路的電原理圖。
圖1示出了一個覆蓋某一地理區域，例如一個城市的市區或整個圖象的蜂窩式無線電電話系統的分框圖，這個系統包括可有效地採用本發明的溫度係數控制型射頻信號檢測電路的分別配置在各網格內的固定站收發機101和一些行動電話103。每個固定站收發機101用射頻信號與位於其網格內的無線電電話機103通信。
在這個優選實施例中，圖1所示的蜂窩式無線電電話系統是一個按照歐洲遠距通信標準化協會(ETSI)頒布的，為許多歐洲國家所採用的GSM維護規則實施和運行的GSMTDMA蜂窩式數字無線電電話系統。圖1所示GSM無線電電話系統分配到兩個射頻信號頻帶，用來進行雙向通信，一個頻帶為890至915兆赫，另一個頻帶為935至960兆赫。在每一個頻帶中，各射頻信號頻率相隔200千赫。每個射頻信號是一個具有8個在相繼各時幀中重複的時隙的TDMA射頻信號，用來進行通信。一個頻帶內的每個射頻信號頻率與另一個頻帶內的相應的射頻信號頻率一起構成了一個TDMA信道。每個TDMA信道能夠同時處理在每個收發機101與其網格內的8個不同的無線電電話103之間的8個雙向通信。每個無線電電話機103部分配到一個發送時隙和一個接收時隙，向收發機101發送和從收發機101接收信息。每個時隙長約為577微秒。
無線電電話機103包括一個發射機107，一個接收機109和一個數位訊號處理器(DSP)控制器111。一些信號通過多根信號線113在DSP111和發射機107之間傳送。DSP控制器111可以用各種常用的DSP，例如莫託羅拉公司的DSP56000，來實現。無線電電話機103可以是具有一個發射機、接收機和DSP控制器的任何常用的GSM無線電電話機，例如莫託羅拉公司(Motorola，Inc.CellnlarSubscriberGroup，600NorthUSHigharay45，Liber-tyville，Illinois60048USA)生產的F19UVD0960AA型GSM無線電電話機。
在一個GSM無線電電話系統中，發射機107和收發機101都具有遵守GSM維護規則05.05(子條款4.2.2和4.5.2，以及附錄2)可規定的嚴格要求的功率放大器。這些規格要求各發射機都要滿足如在美國專利5，150中所提出的具體的時間掩蔽和頻率掩蔽要求。
天線105用來在無線電電話機103和收發機101之間進行射頻信號通信。收到射頻信號後，天線105將它變換成射頻電信號，加到接收機109上。接收機109將所接收的信號進行解調，變換成含有語音和數據的信息信號，給無線電電機103的其它部分使用。
在無線電電話機103傳送射頻信號期間，DSP111通過信號線113將信息傳給發射機107並對發射機107進行控制。發射機107將信息變換成射頻電信號後放大到適當電平。經放大的射頻電信號耦合到天線105上，變換成射頻信號發給收發機101。
圖2示出了發射機107中的功率放大器203及其有關控制器的方框圖。射頻輸入信號209含有語音和數據信號的信息。激勵放大器205是一個可調功率放大器，根據放大控制信號207對射頻輸入信號209進行放大，產生一個輸出信號加到功率放大器203上。這個輸出信號經過增益固定不變的功率放大器203的放大後成為具有所要求的輸出功率電平的射頻信號輸出214。耦合器201是一個常用的電磁耦合器，用來將功率放大器203接到天線105上，而不致有太多的損耗。耦合器201還提供一個振幅與射頻信號輸出214的輸出功率成正比的射頻反饋信號212。
檢測電路211與射頻反饋信號212耦合，用來產生一個幅度與射頻輸出信號214的輸出功率成正比的功充電平信號229。檢測電路211還產生一個基準信號213，其幅度基本等於功率電平信號229在功率放大器203斷開不工作時的直流偏移電壓。
比較器215通過將功率電平信號229與基準信號213進行比較產生一個輸出信號227，該信號在功率電平信號229的值超過基準信號213的值時是一個低電壓。輸出信號227由DSP111產生的輸出信號225上拉。輸出信號225在無線電電話機103或收發機101進行發送的有效時隙開始時為高電平，而在產生了所要求的射頻輸出信號214的輸出波形後降為低電平。這使得輸出信號227在有效時隙期間功率放大器203和激勵放大器205還沒有成為有效時為高電平。一旦功率放大器203和激勵放大器205受到驅動，輸出信號227就成為低電平。
從有效時隙開始後過了一定時間(在本優選實施例中為10微秒)，DSP111產生一個所要求的波形加到數模變換器221上。數模變換器221將來自DSP111的數字輸入變換成一個標為AOC信號的模擬輸出信號231。AOC信號231和VGAIN信號235加到積分器219上，由積分器219進行比較和積分，產生一個增益控制信號207加到激勵放大器205上，去改變它的增益。AOC信號231的值決定了功率放大器203的射頻輸出信號214的輸出功率電平。在本優選實施例中，優選波形是一個使功率放大器203的射頻輸出信號214平穩地上升到要求的輸出功率電平的上升餘弦波形。AOC信號231以及射頻輸出信號的餘弦上升響應在美國專利No.5，150，075中有更為詳細的說明。
飽和控制四路由耦合器201、檢測電路211、比較器217和DSP111組成，用來防止激勵放大器205和功率放大器203超過它們的額定輸出功率極限。比較器217是一個飽和檢測器，它通過將功率電平信號229與AOC信號231進行比較來確定功率電平信號229是否隨著AOC信號231的變化而變化。在達到飽和時，功率電平信號229的電壓將不隨AOC信號231的電壓變化。因此，當功率電平信號229的電壓比AOC信號231的電壓小時，比較器217的輸出信號233就變為低電平，指示激勵放大器205和功率放大器203已經飽和。飽和比較器的輸出信號233加到裝有飽和檢測算法的DSP111上。
根據飽和檢測算法，DSO111逐步減小AOC信號231的電壓，直至AOC信號231的電壓降低到功率電平信號229的電壓以下。飽和控制迴路的工作情況在1994年1月11日頒發給莫託羅拉公司的美國專利5，278，944「功率放大器飽和的檢測及校正方法和裝置」中有更為詳細的說明。
圖3示出了本發明的溫度係數控制型射頻信號檢測電路211實施例的方框圖。檢測電路211中的正係數電流源303、負係數電流源305和電流鏡象產生器301主要用來產生相同的電流Im1及其鏡象Im2。正係數電流源303產生具有正溫度係數的電流I+。在本優選實施例中，電流I+的溫度係數為+333ppm/℃。負係數電流源305產生具有負溫度係數電流I-。在本優選實施例中，電流I-的溫度係數為-6000ppm/℃。電流I+和I-在電流鏡象產生器301內以一定比例進行換算和求和，形成補償電流Im1。在本優選實施例中，電流Im1的溫度係數為-3000ppm/℃。電流鏡象產生器301產生出十分接近補償電流Im1的鏡象的電流Im2。
補償電流Im2加到抗箝位電流鏡象產生器309上，它將電流Im2的鏡象電流Ia1和Ia2加到二極體檢測器311上。二極體檢測器311有二個支路，每個支路都有一個與接到信號地的相應電阻網絡串聯的肖特基二極體。補償電流Ia1和Ia2分別輸入二極體檢測器311的兩個支路的相應肖特基二極體內進行置偏。二極體檢測器311的每個支路都具有與被償電流Ia1和Ia2的負溫度係數基本相抵的正溫度係數。在本優選實施例中，二極體檢測器311的每個支路的溫度係數均為+3000ppm/℃，而補償電流Ia1和Ia2的溫度係數均為-3000ppm/℃。溫度係數+3000ppm/℃是由於二極體檢測器311的每個支路中的插入電阻(如電阻453。454、455和456)所引起的。
射頻反饋信號212加到二極體檢測器311的一個支路中的肖特基二極體上，經過這個二極體的半波整流形成經溫度和電壓補償的功率電平信號229，這個信號的直流電平與射頻輸出信號214的輸出功率成正比。採用了本發明，功率電平信號229的直流電平非常穩定在溫度從-55℃至+125℃和電源電壓從2.7伏至4.75伏的範圍內變化不超過5毫伏。
圖4示出了圖3所示溫度係數控制型射頻信號檢測電路的電原理圖。電源電壓Vcc可以在2.7伏至4.75伏之間。允許信號通過將一個高電壓或低電壓加到檢測電路211來接通或斷開檢測電路211。正係數電流源303由NPN電晶體416、417、420和421構成。負係數電流源305由NPN電晶體418構成。電流鏡象產生器301由PNP電晶體401和403構成。通過選擇電晶體418和421的發射極電阻472和471可以將電流I+和I-以及它們的溫度係數定成適當的比例。
抗箝位電流鏡象產生器309由NPN電晶體411、413和肖特基二極體406、407構成。PNP電晶體404將電流Im2輸給電晶體411和413。NPN電晶體419為晶體客404提供基極電流。電晶體411將電流Ia1輸給肖特二極體430，而電晶體413將電流Ia2輸給肖特基二極體431。PNP電晶體402起著使電流鏡象產生器301中的電晶體401和403的基極電流平衡的作用。NPN電晶體412起著使抗箝位電流鏡象產生器309中的電晶體411和413的基極電流平衡的作用。肖特基二極體432用來保護電晶體413的基極一發射極結，使之免遭較大的射頻反饋信號212的正半周的影響。在較大的射頻反饋信號212的正半周期間，肖特基二極體407阻止肖特基二極體432通過電晶體413的基極-集電極結導通，而肖特基二極體406阻止肖特基二極體432通過電晶體411和412的基極-集電集結導通。
二極體檢測器311在一個支路中包括一個電阻、一個肖特基二極體431、一個接信號地的電容以及三個串聯接到信號地的電阻，而在另一個支路中包括一個電阻、一個肖特基二極體430以及三個串聯接到信號地的電阻。在本優選實施例中，各支路中的肖特二極體431和430以及相應電阻由於都集成在同一塊半導體基片上，因此，具有相同的電特性。每個支路中的各個電阻也具有相同的數值。射頻反饋信號212通過電容451加到肖特基二極體431上，由肖特基二極體431進行半波整流，形成經溫度和電壓補償的功度電平信號229。也就是說，在射頻反饋信號212的正半周，肖特基二極體431導通，使電容452充電，從而形成功率電平信號229。在射頻反饋信號212的負半周，肖特基二極體431截止，不導通。功率電平信號229在電阻454和455的連接點上取得，VGAIN信號235在電阻455和456的連接點上取得，而基準信號213在肖特基二極體430的負極取得。基準信號213為比較器215提供了一個經補償的電壓，其值相當於射頻反饋信號212為零時的功率電平信號229的值。
本發明的一個特點是電流鏡象產生器309的電晶體413可以防止肖特基二極體431對其負極與電容451和電阻453的連接點上的電壓進行箝位。當射頻反饋信號212很小或等於零時，電晶體413提供給肖特基二極體431的電流Ia2為50微安。然而，當射頻反饋信號212較大時，電晶體413提供給肖特基二極體431的電流Ia2增大(例如為幾毫安)，因此電容451和電阻453的連接點上的電壓隨著射頻反饋信號212增大，從而避免了肖特基二極體431的箝位作用。
在本優選實施例中，圖4所示的溫度係數控制型射頻信號檢測電路211用MOSAIC1.5工藝集成在一塊半導體基片上。功率電平信號229、基準信號213和VGAIN信號235這些輸出電壓的溫度係數由於溫度係數與接到肖特基二極體431、430的電阻的溫度係數相同但符號相反的置偏電流Ia1攻Ia2的作用，因而非常接近為零。由於這些電壓的溫度係數都接近為零，而肖特基二極體431和430的特性2是匹配的，因此功率電平信號229和基準信號213在很寬的溫度和電壓範圍內都得到了溫度的電壓補償。
對於MOSAIC1.5工藝來說，圖4的溫度係數控制型射頻信號檢測電路211中的插入電阻的溫度係數接近+3000ppm/℃。因此將電流Im2的溫度係數設置成-3000ppm/℃，從而使得功率電平信號229、基準信號213以及VGAIN信號這些輸出電壓在很大的溫度範圍內保持恆定。電流Im1和Im2由電晶體416、417、418、420、421和電阻471、4472構成的電流產生器產生。電阻471兩端的電壓V471為V471＝Vt×ln〔(A421×A416)/(A420×A417)〕其中A為電晶體發射極的面積。電壓V471是溫度係數方程的「△Φ」部分;「△Φ」的溫度係數為+3333ppm/℃(因為Vt＝kT/q)。電阻471兩端的電壓V471決定了流過電阻471的電流，也決定了電晶體421、417中的電流。該電流的溫度係數TC可以表示為TC(I△Φ/R)＝TC△Φ-TCR因此，△Φ/R的溫度係數稍大於零，這是因為TCR為-3000ppm/℃，而TC△Φ為+3333ppm/℃。
Φ/R電流產生器由電晶體418和電阻472組成。電晶體418的基極電壓為2Vbe，因此電阻472兩端的電壓為1Vbe。這樣，通過電晶體418的電流的溫度係數就是1Vbe的溫度係數和電阻472的溫度係數的組合。此外，一個2K的插入電阻的溫度係數為+3000ppm/℃。於是Φ/R電流源的溫度係數為TC(IΦ/R)＝TC(Φ)-TC(R)＝(Ego-Vbe)/(T＊Vbe)-3000＝-6000ppm其中(Ego-Vbe)/(T＊Vbe)＝-3000ppm流入基準電晶體401的電流的總溫度係數因而也就是在電流源電晶體403中的電流的總溫度係數為TC(IΦ/R)＊IΦ/R+TC(I△Φ/R)＊I△Φ/R＝ITOTAL＊TC(ITOTAL
其中ITOTAL為兩個電流產生器的電流和。如果流入基準二極體的總電流為50微安，而需要用一個等於-3000ppm/℃的溫度係數來抵消二極體檢測器311中插入電阻的+3000ppm/℃的溫度係數的話，則(-6000ppm＊IΦ/R)+(333ppm＊I△Φ/R)＝50μA＊(-3000ppm)近似可得IΦ/R＝26微安I△Φ/R＝24微安可以通過選擇△Φ/R電流產生器中電阻471的值和Φ/R電流產生器中電阻472的值來得到以上求出的電流值。
本發明的這種經改善的溫度係數控制型射頻信號檢測電路十分穩定，在溫度從-55℃至+125℃、電壓從2.7伏至4.75V的範圍內變化不超過5毫伏。這種檢測電路可有效地用於各種需要精確對射頻信號幅度採樣的無線電設備。
權利要求
1.一種饋有一個來自信號源的射頻信號的檢測電路；其特徵是所述檢測電路包括一個第一電流源，用來產生一個具有正溫度係數的第一電流；一個第二電流源，用來產生一個具有負溫度係數的第二電流；一個第一電流鏡象產生器，用來組合第一和第二電流，產生一個第一鏡象電流；一個第二電流鏡象產生器，用來根據輸入的第一鏡象電流產生一鋼第二鏡象電流；以及一個整流電路，該整流電路由第二鏡象電流置偏，用來對射頻信號進行整流產生一個幅度與射頻信號的幅度成正比的輸出信號。
2.一種射頻信號發射機，其特徵是所述發射機包括一個天線，用來發射射頻信號;一個放大器，用來根據控制信號對來自信號源的射頻信號進行放大，以產生一個經放大的射頻信號;一個耦合器，該耦合器與放大器連接，用來將經放大的射頻信號耦合到天線上，和產生一個幅度與經放大的射頻信號幅度成正比的反饋射頻信號;一個檢測電路，該檢測電路饋有反饋射頻信號，它包括一個產生一個具有正溫度係數的第一電流的第一電流源，一個產生一個具有負溫度係數的第二電流的第二電流源，一個組合第一和第二電流、產生一個第一鏡象電流的第一電流鏡象產生器，一個輸入第一鏡象電流、產生一個第二鏡象電流的第二電流鏡象產生器;和一個由第二鏡象電流置偏、通過對反饋射頻信號的整流產生一個幅度與經放大的射頻信號的幅度成正比的輸出功率電平信號的整流電路;以及一個處理電路，該處理電路與檢測電路連接，用來根據輸出功率電平信號的幅度調整控制信號的幅度。
3.一種與一個來自信號源的射頻信號容性耦合的檢測電路，其特徵是所述檢測電路包括一個電流源，用來產生一個第一電流;一個電流鏡象產生器，用來根據輸入的第一電流產生一個第一鏡象電流;以及一個整流電路，該整流電路由第一鏡象電流置偏，用來對射頻信號進行整流，產生一個幅度與射頻信號的幅度成正比的輸出信號。
4.按權利要求3所提出的檢測電路，其特徵是其中所述整流電路包括一個接到一個與至少一個電阻並聯的電容上的肖特基二極體。
5.按權利要求3所提出的檢測電路，其特片是其中所述電流鏡象產生器包括一個映照第一電流產生第一鏡象電流的第一電晶體，和一個映照第一電流產生第二鏡象電流的第二電晶體。
6.按權利要求5所提出的檢測電路，其特徵是其中所述整流電路包括一個具有一個第一肖特基二極體的第一支路和一個具有一個第二肖特基二極體的第二支路;第一肖特基二極體接到一個與至少一個電阻並聯的電容上，饋有射頻信號和第一鏡象電流，而第二肖特基二極體接到至少一個電阻上，饋有第二鏡象電流。
7.按權利要求3所提出的檢測電路，其特徵是所述檢測電路集成在一塊半導體基片上。
8.一種無線電收發機，其特徵是在所述收發機包括一個天線，用來接收和發射射頻信號一個接收機，該接收機接到天線上，用來接收射頻信號;一個放大器，該放大器根據控制信號對一個來自信號源的射頻信號進行放大，產生一個經放大的射頻信號;一個耦合器，該耦合器與放大器連接，用來將經放大的射頻信號耦合到天線上，和產生一個幅度與經放大的射頻信信號的幅度成正比的反饋射頻信號;一個檢測電路，該檢測電路與反饋射頻信號容性耦合，它包括一個產生一個第一電流的電流源，一個輸入第一電流、產生一個第一鏡象電流的電流鏡象產生器，和一個由第一鏡象電流置偏、通過對反饋射頻信號的整流產生一個幅度與經放大的射頻信號的幅度成正比的輸出功率電平信號的整流電路;以及一個處理電路，該處理電路與檢測電路連接，用來根據輸出功率電平信號的幅度調整控制信號的幅度。
9.按權利要求8所提出的無線電收發機，其特徵是其中所述電流鏡象產生器包括一個映照第一電流產生第一鏡象電流的第一電晶體，和一個映照第一電流產生第二鏡象電流的第二電晶體。
10.按權利要求9所提出的無線電收發機，其特徵是其中所述整流電路包括一個具有一個第一肖特基二極體的第一支路和一個具有一個第二肖特基二極體的第二支路;第一肖特基二極體接到一個與至少一個電阻並聯的電容上，饋有反饋射頻信號和第一鏡象電流，而第二肖特基二極體接到至少一個電阻上，饋有第二鏡象電流。
全文摘要
用於TDMA射頻輸出功率控制電路的溫度係數控制型射頻信號檢測電路(211)的正、負係數電流源(303、305)產生電流I
文檔編號H03D1/18GK1104006SQ94103550
公開日1995年6月21日 申請日期1994年4月4日 優先權日1993年4月5日
發明者亞歷山大·W·希特勒, 特羅伊·L·斯託克斯坦, 羅伯特·L·維納 申請人:莫託羅拉公司