專利名稱：平方電路、集成電路、無(wú)線通信單元以及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于一種平方電路、集成電路、無(wú)線通信單元及相關(guān)方法。本發(fā)明應(yīng)用于，但不限于應(yīng)用于一包含用于無(wú)線通信單元的平方電路的集成電路中。
背景技術(shù)：
在無(wú)線通信系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域中，需要在無(wú)線電接入網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用功率控制技術(shù)以準(zhǔn)許基站(全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(universal mobile telecommunication system, UMTSTM)中的第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd generation partnership project, 3GPPTM)通信標(biāo)準(zhǔn)中的Node-B)中的收發(fā)器以及用戶無(wú)線電通信單元(3GPPTM通信標(biāo)準(zhǔn)中的一用戶設(shè)備(Userequipment, UE))中的收發(fā)器去校正其傳送器的輸出功率電平，從而計(jì)算出他們彼此間的地理距離。UE與基站(例如Node-Β)的收發(fā)器之間的距離越近，UE與Node-B的收發(fā)器需要傳送的功率則越低，這是因?yàn)楸粋魉偷男盘?hào)將會(huì)被其他的通信單元所接收。這樣的傳送‘功 率控制’特征不但節(jié)省了 UE的電池功率，還有助于降低通信系統(tǒng)中的潛在干擾電平。UE的初始功率配置，以及其他的控制信息，通常依據(jù)每一特定通信單元中的信標(biāo)物理通道所提供的信息來(lái)進(jìn)行設(shè)置。對(duì)這樣的無(wú)線通信單元的輸出功率電平的精準(zhǔn)控制通常通過(guò)應(yīng)用一反饋路徑從傳送器的輸出端傳送一部分傳送信號(hào)至處理電路，以使傳送信號(hào)的當(dāng)前功率電平得到測(cè)量，藉此調(diào)整所需的增益予以實(shí)現(xiàn)。此外，現(xiàn)有的射頻(RF)傳送器大多使用線性功率放大器(PA)去開(kāi)啟無(wú)線通信單元以傳送大量的處于一有限頻寬內(nèi)的資料。因此，這樣的現(xiàn)有RF傳送器的功效通常很低，這是由于低效率的線性PA被使用的緣故。因此，作為對(duì)RF傳送器內(nèi)的現(xiàn)有線性PA的一替代實(shí)作方式，線性化技術(shù)通常應(yīng)用于線性PA中。且大部分線性化技術(shù)需要使用來(lái)自線性PA的一輸出的反饋信號(hào)。因此，基于上述功率控制和/或線性化的原因，需要對(duì)將被傳送的射頻信號(hào)進(jìn)行反饋，以使得對(duì)初始基頻信號(hào)的適度信號(hào)處理和/或傳送路徑中的成分或電路可以得到控制。從而，現(xiàn)在的無(wú)線傳送器通常包含一反饋路徑以將傳送信號(hào)回送至數(shù)字處理模塊，以測(cè)量即將被傳送信號(hào)的功率電平或線性度。該測(cè)量到的信息用于控制例如傳送鏈的增益級(jí)。因此，該反饋路徑通常包含一功率偵測(cè)器電路/架構(gòu)。通常該功率偵測(cè)器電路包含一下變頻接收器，用于轉(zhuǎn)換及減弱該傳送RF信號(hào)至一基頻輸出信號(hào)，該基頻輸出信號(hào)能夠被數(shù)字化處理以計(jì)算出該傳送信號(hào)的均方根(rootmean square, RMS)值。通常該RF下變頻低噪聲放大器(LNA)以及該下變頻混頻器被設(shè)計(jì)為溫度穩(wěn)定增益，以確保于一寬溫度范圍內(nèi)，電路的增益不會(huì)發(fā)生變化。該輸入信號(hào)通常來(lái)自一功率放大稱合器，該功率放大稱合器置于該P(yáng)A輸出端與一雙聯(lián)開(kāi)關(guān)之間。在上述反饋路徑中，一用于轉(zhuǎn)換RMS信號(hào)至一 DC信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路,亦指一 RMS至DC轉(zhuǎn)換器，可得以使用。RMS至DC轉(zhuǎn)換器用于將任意一信號(hào)的RMS值轉(zhuǎn)換至一表示該信號(hào)實(shí)際功率電平的類似DC的信號(hào)。通常在RMS至DC轉(zhuǎn)換器中，會(huì)使用一用于對(duì)微波頻率的功率進(jìn)行近似測(cè)量的平方單元架構(gòu)，如圖I所示。高性能的平方單元通?？煞譃橄旅鎯煞N類型(i)用于實(shí)現(xiàn)上述平方功能的乘法器電路；(ii)直接使用MOS晶體管的跨導(dǎo)平方律特性的電路。圖I所示為一種包含寬頻帶匹配的平方電路的溫度穩(wěn)定的RMS至DC轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)100的結(jié)構(gòu)示意圖。該RMS至DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)將一輸入信號(hào)105提供至一第一平方單元/電路(標(biāo)記為X2) 110予以實(shí)現(xiàn)。該平方單元/電路的輸出端產(chǎn)生一輸出電壓，該輸出電壓藉由輸出電流信號(hào)可被判定為一負(fù)載電阻，該負(fù)載電阻的另一端耦接至一供給電壓。該第一平方單元/電路110的輸出端電壓具有高頻成分，該高頻成分經(jīng)由一濾波電容以濾波產(chǎn)生一低頻信號(hào)至一誤差放大器的非反向輸入端。該誤差放大器的反饋 路徑115中包含一第二平方單元/電路(標(biāo)記為X2) 120，且該反饋路徑115形成一模擬追蹤回路使得該誤差放大器的輸入端的電壓被設(shè)置為零。該誤差放大器的輸出端的信號(hào)則代表輸入信號(hào)105的RMS值，該輸出端信號(hào)同時(shí)作為該第二平方單元/電路120的輸入信號(hào)。在該電路中，該RMS電壓還經(jīng)由一緩沖器進(jìn)行測(cè)量以增加該測(cè)量后電壓的幅度，以用于功率測(cè)量系統(tǒng)中。通過(guò)將該平方單元/電路110，120實(shí)現(xiàn)為三個(gè)晶體管串行連接的雙曲線(multi-tanh)跨導(dǎo)單元，在該電路中近似從DC至微波頻率的平方律可予以實(shí)現(xiàn)。但是需要注意的是，圖I所示意的架構(gòu)還會(huì)使得該誤差放大器輸入端對(duì)DC偏移很靈敏，從而會(huì)限制電路的實(shí)際動(dòng)態(tài)范圍。因此為了降低輸入端對(duì)上述DC偏移的靈敏度，需要增加電路復(fù)雜度以對(duì)內(nèi)部偏移進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零。此外，圖I的架構(gòu)還會(huì)在誤差放大器的輸出端產(chǎn)生噪聲，該輸出端噪聲取決于該反饋路徑的增益。由于該反饋路徑包含一平方功能，該反饋路徑的增益與信號(hào)幅度成正比例。因此，該系統(tǒng)的噪聲增益還會(huì)增加小信號(hào)電平，從而再次限制了上述動(dòng)態(tài)范圍。此外需注意的是，若該系統(tǒng)運(yùn)作于一集成電路中，上述偵測(cè)系統(tǒng)包含的模擬濾波器由于尺寸較大還會(huì)占據(jù)較大的電路板面積。文獻(xiàn)“一種使用具有源極跟隨器的二輸入端平方電路的MOS四象限模擬乘法器”(Ho-Jun Song , Choong-Ki Kim, IEEE JSSC, vol. 25, No. 3, June 1990)揭露了兩個(gè)電壓(VI和V2)的乘法功能，該乘法功能基于計(jì)算“該兩個(gè)電壓的總和的平方”與“該兩個(gè)電壓的差值的平方”之間的差值予以實(shí)現(xiàn)，其中Vo = (V^V2)2- (V1-V2)2 = 4 · V1 · V2(I)上述平方功能藉由使用一實(shí)作于飽和區(qū)域的MOS晶體管的漏極電流ID與柵極-源極間電壓VGS之間的平方律關(guān)系予以實(shí)現(xiàn)。若Vl與V2分別應(yīng)用至MOS晶體管的柵極與源極，其漏極電流系與上述電壓差值的平方成正比例1D=Y其中，K=μ。.Cox(2)其中，μ ^代表載子遷移率，Cox代表單位面積內(nèi)的柵極電容值，Vt代表上述MOS晶體管的閾值電壓。該平方電路核心200具有兩個(gè)差分輸入對(duì)電壓Vl (VI+與Vl-)及V2 (V2+與V2-)以及一單端輸出電流(Isq)，如圖2所示。在圖2中，晶體管Ml與M2作為源極追隨器級(jí)分別將差分輸入電壓(V2+與V2-)傳送至晶體管M3與Μ4的源極。由于上述平方功能，該源極追隨器兩端的電壓與柵極輸入信號(hào)的電壓電平無(wú)關(guān)。實(shí)際運(yùn)行中，該源極追隨器的電流會(huì)隨著輸入電壓而發(fā)生變化，因此需要在“平方晶體管”(M3與M4)中流過(guò)更多的電流。而為了減低這種影響，上述源極追隨器晶體管的寬長(zhǎng)比與“平方晶體管”的寬長(zhǎng)比之間的關(guān)系應(yīng)該如下
(W)(W)y 了
V J Μ Μ2 V(3)以及需要滿足下述條件ι, --Mt)把a(bǔ))2
^ V L Ju3,M4(4)依據(jù)上述程式(I)，通過(guò)將兩個(gè)輸入電壓的“差值的平方”與“總和的平方”相減， 可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)輸入電壓的乘法功能。因此，若第二平方單元配置為實(shí)現(xiàn)該“差值的平方”，以及若Vl=V2=Vin，如同圖3中所示的同時(shí)具有差分輸入以及差分輸出(Il-IO)的核心平方電路就很有可能得以實(shí)現(xiàn)。(Λ-4)Ivm2
[V L JmS,6JS J(5)但是，對(duì)上述電路的分析存在一個(gè)重要的前提條件，即源極追隨器設(shè)備(M1-M4)需提供一大于輸入信號(hào)電壓的恒定的電壓降。而且在實(shí)際運(yùn)作中，一旦源極追隨器的電流發(fā)生變化，源極追隨器的電壓也會(huì)發(fā)生改變，以提供電流值至平方電路裝置(M5-M8)。上述文獻(xiàn)中也注明了“這一點(diǎn)正是這種類型的乘法器的重大缺陷之一”。同時(shí)，除了上述缺陷之夕卜，文獻(xiàn)中的MOS晶體管還存在其他的非理想因素，例如“速度飽和”、“遷移率減低”、“短溝道效應(yīng)”以及“設(shè)備間失配”等。因此，亟需一種改善的集成電路以及相關(guān)的運(yùn)作方法，能夠很好地應(yīng)用至寬頻功率偵測(cè)器中及實(shí)作于對(duì)輸入端的共模電壓不靈敏的差分配置下，而且能夠滿足低供給電壓(凈電壓)的需求(彡1.35V)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明致力于減輕、緩和或消除上述提及的一個(gè)或多個(gè)缺陷，提供了一種平方電路、集成電路、包含上述平方電路的無(wú)線通信單元以及相關(guān)的方法。一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種平方電路，包含用于接收一差分輸入信號(hào)的一第一差分輸入端與一第二差分輸入端，以及用于輸出一差分輸出信號(hào)的一第一差分輸出端與第二差分輸出端，其中該平方電路包含一第一組電流模式三態(tài)MOS裝置和一第二組電流模式三態(tài)MOS裝置，該第一組電流模式三態(tài)MOS裝置包含一第一 MOS裝置，一第二 MOS裝置和一第三MOS裝置，該第一 MOS裝置，第二 MOS裝置和第三MOS裝置中的每一者的源極均耦接至一第一電流源，該第一 MOS裝置的漏極耦接至一第一電源，該第二 MOS裝置的漏極耦接至該第一差分輸出端，該第三MOS裝置的漏極耦接至該第二差分輸出端；該第二組電流模式三態(tài)MOS裝置包含一第四MOS裝置，一第五MOS裝置和一第六MOS裝置，該第四MOS裝置，第五MOS裝置和第六MOS裝置中的每一者的源極均耦接至一第二電流源，該第四MOS裝置的漏極耦接至該第一電源，該第五MOS裝置的漏極耦接至該第一差分輸出端，該第六MOS裝置的漏極耦接至該第二差分輸出端；其中該第一 MOS裝置，第二 MOS裝置和第六MOS裝置的每一者的柵極耦接至該第一差分輸入端，該第三MOS裝置，第四MOS裝置和第五MOS裝置的每一者的柵極耦接至該第二差分輸入端，以使從該第一差分輸出端和該第二差分輸出端觀測(cè)到的差分輸出電流與該差分輸入信號(hào)的電壓的平方是成比例的。另一方面，本發(fā)明實(shí)施例另提供一種集成電路，包含上述的平方電路再一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種無(wú)線通信單元，包含上述的平方電路。又一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種功率偵測(cè)器的校準(zhǔn)方法，該方法包含通過(guò)應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)DC參考電壓至一平方電路的輸入端以校準(zhǔn)該平方電路并產(chǎn)生校準(zhǔn)后資料，該平方電路相對(duì)于頻率具有大致上恒定的增益；依據(jù)該校準(zhǔn)后資料測(cè)量該平方電路的DC偏移電壓與平方增益因子；應(yīng)用一傳送信號(hào)至該平方電路的該輸入端，以使該平方電路的輸入信號(hào)代表該傳送信號(hào)的功率電平，該平方電路用于產(chǎn)生一平方后輸出信號(hào)；采樣該平方后輸出信號(hào)；以及依據(jù)采樣到的平方后輸出信號(hào)及測(cè)量到的該DC偏移電壓與平方增益因子測(cè)量一待偵測(cè)的功率電平。本發(fā)明實(shí)施例的平方電路、集成電路、無(wú)線通信單元以及相關(guān)方法，能夠在一寬頻 率范圍內(nèi)提供具有高精準(zhǔn)度平方律的轉(zhuǎn)換函數(shù)，減緩對(duì)平方電路和/或偵測(cè)器路徑中的隨后級(jí)的溫度穩(wěn)定增益及偏移的需求，并且使電路的復(fù)雜度得以簡(jiǎn)化。


圖I所示為一種現(xiàn)有的包含寬頻帶匹配的平方電路的溫度穩(wěn)定的RMS至DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2和圖3所示為現(xiàn)有的平方電路的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖；圖4所示為依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的無(wú)線通信單元的簡(jiǎn)單模塊示意圖；圖5所示為依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的RF下變頻電路和數(shù)字基帶處理器的簡(jiǎn)單電路示意圖；圖6所示為依據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的一平方電路的簡(jiǎn)化模塊示意圖；圖7所示為依據(jù)本發(fā)明又一實(shí)施例的平方電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8所示為依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的功率偵測(cè)器校準(zhǔn)方法的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例描述了一種用于無(wú)線通信單元的集成電路以及相關(guān)的功率偵測(cè)校準(zhǔn)方法。但是本領(lǐng)域技術(shù)人員需要了解的是，本文僅是透過(guò)實(shí)施例來(lái)描述了本發(fā)明的概念精神，但并非將本發(fā)明限制于實(shí)施例中的無(wú)線通信單元與集成電路中，其還可以實(shí)作于其他的應(yīng)用中。在一些應(yīng)用中，可應(yīng)用包含一個(gè)或多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(field effecttransistor, FET)平方電路的RF功率偵測(cè)器,結(jié)合濾波、均值計(jì)算以及均方根功能以測(cè)量輸入電壓電平的RMS值，以及據(jù)此實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入功率的精準(zhǔn)測(cè)量。依據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，一平方電路包含一第一差分輸入端及一第二差分輸入端，用于接收一差分輸入信號(hào)，以及該平方電路還包含一第一差分輸出端及一第二差分輸出端，用于輸出一差分輸出信號(hào)。該平方電路包含一第一組電流模式三態(tài)金氧氧化物半導(dǎo)體(MOS)裝置，其中包括一第一 MOS裝置，一第二 MOS裝置以及一第三MOS裝置，其中的每一個(gè)MOS裝置的源極均可選的耦接至一第一電流源，該第一 MOS裝置的漏極可選地耦接至一第一電源，該第二 MOS裝置的漏極可選地耦接至該第一差分輸出端，以及該第三MOS裝置的漏極可選地耦接至該第二差分輸出端。該平方電路還包含一第二組電流模式三態(tài)MOS裝置，其中包括一第四MOS裝置，一第五MOS裝置以及一第六MOS裝置，其中的每一個(gè)MOS裝置的源極均可選的耦接至一第二電流源，該第四MOS裝置的漏極可選地耦接至該第一電源，該第五MOS裝置的漏極可選地耦接至該第一差分輸出端，以及該第六MOS裝置的漏極可選地耦接至該第二差分輸出端。該第一 MOS裝置、第二 MOS裝置及第六MOS裝置的柵極耦接至該第一差分輸入端，以及該第三MOS裝置、第四MOS裝置及第五MOS裝置的柵極耦接至該第二差分輸入端，從而于該第一差分輸出端及第二差分輸出端看到的差分輸出電流與差分輸入電壓的平方是成比例的。在此方式下，通過(guò)設(shè)置電流模式三態(tài)MOS裝置為上述連接方式，一 FET平方電路可用于在一寬頻率范圍內(nèi)提供具有高精準(zhǔn)度平方律的轉(zhuǎn)換函數(shù)。且依據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，該FET寬頻帶平方電路可以在頻率處于DC至大于測(cè)量下的RF信號(hào)頻率的范圍內(nèi)提供近似恒定的增益。因此，本發(fā)明的實(shí)施例可以通過(guò)應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)DC參考電壓至平方電路的一輸入端，以校準(zhǔn)相對(duì)于頻率具有一大致恒定增益響應(yīng)的平方電路而產(chǎn)生校準(zhǔn)后的資料。在一些實(shí)施例中，該大致恒定增益響應(yīng)指相對(duì)于一大致為3GHz的頻率范圍，其增益變化率低于10%。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，在上述頻率范圍內(nèi)可以容忍的最低精準(zhǔn)度為·
O.5dB0依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，一種包含校準(zhǔn)級(jí)的新的功率偵測(cè)機(jī)制可以減緩對(duì)平方電路和/或偵測(cè)器路徑中的隨后級(jí)的溫度穩(wěn)定增益及偏移的需求。在一些實(shí)施例中，該校準(zhǔn)級(jí)可以置于功率測(cè)量之前，同時(shí)補(bǔ)償增益及DC偏移電平的溫度變化。首先請(qǐng)參見(jiàn)圖4，圖4所示為依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的無(wú)線通信單元(移動(dòng)用戶單元，例如移動(dòng)基站MS或用戶設(shè)備(3GPPTM標(biāo)準(zhǔn)中的UE))的結(jié)構(gòu)示意圖。該無(wú)線通信單元400包含一天線402，耦接至一雙重濾波器/天線開(kāi)關(guān)404，用于為無(wú)線通信單元400中的接收鏈路與傳送鏈路之間提供隔離。該接收鏈路通常包含接收器前端電路406(有效的提供接收，濾波以及中頻或基頻轉(zhuǎn)換功能)。該前端電路406串行連接至一信號(hào)處理器408 (通常通過(guò)一數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)予以實(shí)作)。該信號(hào)處理器408的一輸出被提供至一合適的輸出設(shè)備410，例如一屏幕或者平板顯示器。該接收鏈路耦接至一控制器414，該控制器414可提供對(duì)用戶單元的總控制，以及該控制器414同時(shí)耦接至該信號(hào)處理器408。該控制器414還耦接至(或者包含)一存儲(chǔ)器裝置416，該存儲(chǔ)器裝置416可選擇性的儲(chǔ)存一些運(yùn)作規(guī)則，例如解碼/譯碼功能，同步模式，碼序列等等。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，存儲(chǔ)器裝置416還可以用以儲(chǔ)存與“關(guān)系”相關(guān)的一些信息，例如反饋路徑中各個(gè)電路元件或電路成分的一個(gè)或多個(gè)方程式或電壓值，在下面段落中會(huì)得到描述。至于接收鏈路，接收鏈路通常包含一輸入裝置420，例如一鍵盤，同過(guò)該信號(hào)處理器408以及接收器/調(diào)制電路422(可以包含上變頻電路、放大器及濾波級(jí))以及一功率放大器424耦接至天線402。該接收器/調(diào)變電路422以及功率放大器424可響應(yīng)于控制器414。功率放大器424的輸出耦接至一耦合器426，該耦合器426耦接至一用以對(duì)功率放大器424的部分輸出信號(hào)進(jìn)行采樣以及反饋的偵測(cè)器路徑428。該反饋信號(hào)輸入至一 RF下變頻電路440，該RF下變頻電路440轉(zhuǎn)換該采樣信號(hào)至一基帶并將該基帶采樣后信號(hào)輸入至一數(shù)字基帶(digital base band, DBB)處理器445中。在本實(shí)施例中，該RF下變頻電路440包含一平方模塊以輸出一基帶信號(hào)，該基帶信號(hào)中僅包含RF信號(hào)的振幅信息以用于振幅偵測(cè)。數(shù)字基帶處理器445的輸出可被輸入至信號(hào)處理器408以對(duì)信號(hào)作進(jìn)一步的處理，或者輸入至接收器/調(diào)變電路422以協(xié)助控制例如增益級(jí)或相位偏移級(jí)，從而對(duì)從天線402接收到或者功率放大器424輸出的信號(hào)的傳送功率電平或傳送線性度進(jìn)行設(shè)置。傳送鏈路中的信號(hào)處理器的實(shí)作方式可以不同于接收鏈路中的信號(hào)處理器。但是作為另外一種實(shí)作方式，該傳送鏈路與接收鏈路中的信號(hào)處理也可以透過(guò)一個(gè)單獨(dú)的信號(hào)處理器予以實(shí)現(xiàn)，如圖4中所示。無(wú)線通信單元400中的不同成分可以通過(guò)分離或者整合的元件形式予以實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明實(shí)施例中所描述的結(jié)構(gòu)僅是一種具體的實(shí)作方式或者一種設(shè)計(jì)選擇。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，RF下變頻電路400及數(shù)字基帶處理器445配置為用于下變頻功率放大器424輸出的采樣反饋信號(hào)部分，以及數(shù)字處理該采樣信號(hào)以計(jì)算RMS輸入電壓，進(jìn)而計(jì)算輸入功率。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，射頻收發(fā)器(通信單元/RF IC)所支持的每一頻帶僅 需要一個(gè)(室溫下的)工廠刻度(factory-calibration),以確保偵測(cè)器信號(hào)路徑428中的損耗是固定的，該偵測(cè)器信號(hào)路徑428是指從PA的輸出至一平方電路的輸入之間的路徑?，F(xiàn)在請(qǐng)參見(jiàn)圖5所示的反饋電路500，在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，圖4所示的功率偵測(cè)器反饋路徑428可以于一射頻(RF)收發(fā)器集成電路(IC)/芯片下變頻電路440與一數(shù)字基帶處理器集成電路(IC)/芯片445之間予以劃分。而在其他的實(shí)施例中，圖4所示的功率偵測(cè)器反饋路徑428還可以運(yùn)行于一單獨(dú)的芯片中或者以其他的方式予以劃分。該RF收發(fā)器電路400包含上述功率偵測(cè)器反饋路徑428，用于將反饋信號(hào)RFin反饋至一寬頻帶平方功能(標(biāo)記為‘X2’)510中以移除其中的高頻成分，接著該濾波后信號(hào)輸入至一固定增益與溫度穩(wěn)定緩沖器520中，以對(duì)該平方處理及濾波處理后的輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)整而改善SNR，例如，可使用盡可能多的ADC輸入級(jí)。RF收發(fā)器電路440的輸出包含一測(cè)量后的輸出電壓Vo及DC電壓Vdc 525。該數(shù)字基帶電路445用于執(zhí)行平均與均方根功能，而平方功能則在RF收發(fā)器中予以實(shí)現(xiàn)。數(shù)字基帶電路445接收RF收發(fā)器電路440的輸出，以及該數(shù)字基帶電路445包含一模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC) 530,可選地稱接至一平均值確定(mean-determination)功能/邏輯電路。于一實(shí)施例中，該平均值確定功能/邏輯電路可以通過(guò)在一求和功能(標(biāo)記為‘ Σ ’)535后耦接一除法功能(標(biāo)記為‘ +N’) 540予以實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施例中，功率偵測(cè)器中的ADC功能可以是對(duì)模塊406內(nèi)的接收信號(hào)路徑ADC的重復(fù)使用，且將此方式運(yùn)用于時(shí)分雙工(time division duplex, TDD)系統(tǒng)中時(shí)可以節(jié)省一個(gè)ADC。而在其他的實(shí)施例中，該功率偵測(cè)器中的ADC功能還可以通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的ADC元件予以實(shí)現(xiàn)。平均值確定功能/邏輯電路的輸出提供至一均方根功能(標(biāo)記為以產(chǎn)生功率放大后信號(hào)(例如圖4所示的功率放大器424的輸出)的一數(shù)字表示值。在此方式下，數(shù)字基帶電路445在計(jì)算信號(hào)處理器408 (圖4所示)的等效輸入功率之前，轉(zhuǎn)換濾波后平方路徑的模擬輸出525至一數(shù)字域。在一些實(shí)施例中，寬頻帶平方功能510結(jié)合濾波功能515產(chǎn)生RF信號(hào)包絡(luò)的低頻率(平方后)表示值，以應(yīng)用于RMS偵測(cè)器的測(cè)量中。該低頻率信號(hào)隨后經(jīng)由例如一數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，或者平均值計(jì)算以及均方根計(jì)算功能電路535，540進(jìn)行處理，以確定原始輸入信號(hào)/輸入功率的RMS值。一些實(shí)施例中，如圖6所示的一校準(zhǔn)機(jī)制可與圖5所示的寬頻帶平方電路510結(jié)合，用于對(duì)由溫度變化引起的信號(hào)路徑增益及偏移的顯著變化進(jìn)行補(bǔ)償。在此方式下，對(duì)溫度的偏置補(bǔ)償?shù)膰?yán)格要求可以得以移除，從而簡(jiǎn)化了例如數(shù)字基帶電路445中的RMS偵測(cè)路徑電路的復(fù)雜度。在一些實(shí)施例中，校準(zhǔn)參考信號(hào)包含一個(gè)或者多個(gè)DC電壓,例如一零值電壓以及一已知大小的非零值DC電壓。圖6為依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的一集成電路600的簡(jiǎn)化模塊示意圖。該集成電路600包含一寬頻帶平方電路510，該寬頻帶平方電路510包含一溫度穩(wěn)定緩沖器(標(biāo)記為‘Ain’)605，用于接收例如圖4所示的功率偵測(cè)器反饋路徑428提供的該反饋信號(hào)，以提供一輸出至一偏移及增益校準(zhǔn)控制電路610。此外，為了提供溫度穩(wěn)定的增益，該緩沖器提供與耦合路徑之間的高電平隔離，尤其在相位校準(zhǔn)期間。雖然在本實(shí)施例中運(yùn)用了緩沖器的溫度穩(wěn)定增益以及隔離功能，但是在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，例如若運(yùn)用于其他的系統(tǒng)中時(shí)，該緩沖器可以是非必需的。于本發(fā)明的一實(shí)施例中，該偏移及增益校準(zhǔn)控制電路610為一差分設(shè)置，其輸入端分別接收溫度穩(wěn)定緩沖器605的輸出以及一第二穩(wěn)定電源(例如接 地)。且該偏移及增益校準(zhǔn)控制電路610的輸出耦接至上述平方電路的差分輸入端。具有一差分輸入電路級(jí)的平方電路的一個(gè)主要的益處在于，其平方功能不再對(duì)可能出現(xiàn)于偏置輸入電壓中任何共模輸入信號(hào)靈敏，而且這對(duì)于平方電路的兩個(gè)輸入均是如此。在一實(shí)施例中，該偏移及增益校準(zhǔn)控制電路610的差分設(shè)置配置為具有低凈空電壓需求，例如< I. 35V的運(yùn)作電壓。該偏移及增益校準(zhǔn)控制電路610輸出一差分信號(hào)，亦即第一信號(hào)615與第二信號(hào)620 (其間的差分可被測(cè)量)至一寬頻帶大信號(hào)電壓平方電路(標(biāo)記為‘A.X2’ )625中，以使該寬頻帶大信號(hào)電壓平方器輸出該反饋信號(hào)的平方表示值至低通濾波器515。于該寬頻帶大信號(hào)電壓平方器625的一示范例中，可應(yīng)用一簡(jiǎn)單電路設(shè)計(jì)以提供一數(shù)量級(jí)為GHZ的寬頻帶DC響應(yīng)，例如圖7所示。現(xiàn)在請(qǐng)參見(jiàn)圖7，圖7所示系依據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的平方電路625的示意圖。圖7所示的示范例電路包含兩組三態(tài)MOS裝置，即第一組三態(tài)MOS裝置705與第二組三態(tài)MOS裝置710，該兩組三態(tài)MOS裝置可實(shí)作平方電路的功能。具體的，在圖7所示的示范例中，第一組三態(tài)MOS裝置705包含一第一 MOS裝置，一第二 MOS裝置和一第三MOS裝置，其中的每一 MOS裝置的源極均耦接至一第一電流源，該第一 MOS裝置的漏極耦接至一第一電源，該第二 MOS裝置的漏極耦接至第一差分輸出端，該第三MOS裝置的漏極耦接至第二差分輸出端。而第二組三態(tài)MOS裝置則包含一第四MOS裝置，一第五MOS裝置和一第六MOS裝置，其中的每一 MOS裝置的源極均耦接至一第二電流源，該第四MOS裝置的漏極耦接至該第一電源，該第五MOS裝置的漏極耦接至第一差分輸出端，該第六MOS裝置的漏極耦接至第二差分輸出端。該第一 MOS裝置，第二 MOS裝置和第六MOS裝置的每一者的柵極耦接至第一差分輸入端(V+)，該第三MOS裝置，第四MOS裝置和第五MOS裝置的每一者的柵極耦接至該第二差分輸入端(V-)，，以使從該第一差分輸出端和該第二差分輸出端觀察到的差分輸出電流與該差分輸入信號(hào)的電壓的平方成比例。雖然圖7所示的該示范例電路類似于一混頻器核心電路，然而其可以使得一 ‘非傳統(tǒng)’的平方律功能得以實(shí)現(xiàn)，且其不同于現(xiàn)有技術(shù)中所揭露的其他任何電路設(shè)置。例如圖3所示的現(xiàn)有架構(gòu)需要四個(gè)電流源，每一電流源均耦接至一 FET差分對(duì)的尾部，且該些FET差分對(duì)具有大致不相同的尺寸。在每一差分對(duì)中，其尺寸較大的裝置的漏極耦接至正電源，其尺寸較小裝置的漏極耦接至兩個(gè)電路輸出的其中一個(gè)。而在本實(shí)施例中僅需要兩個(gè)電流源，其中的每一電流源耦接至具有大致相等尺寸的三個(gè)FET的源極。上述實(shí)施例示意圖并不代表實(shí)際的尺寸大小，以及在此實(shí)施例中，平方律特性僅會(huì)因MOS晶體管為非理想狀態(tài)而受到影響，且該非理想狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致電壓-電流特性偏離下述的方程式(6)。因此，本實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需通過(guò)增大三態(tài)MOS裝置的尺寸以實(shí)現(xiàn)理想的平方律功能，從而相較于圖2及圖3所示的現(xiàn)有技術(shù)其節(jié)省了電流及電路面積。經(jīng)由本發(fā)明的發(fā)明人的測(cè)量可得，若將圖7中三態(tài)MOS裝置705/710設(shè)置為大致上相等的尺寸可以提供良好的平方律響應(yīng)。在一些實(shí)施例中，圖7所示的第一組三態(tài)MOS裝置705中的一 MOS裝置的柵極與該組三態(tài)MOS裝置中的其他MOS裝置的柵極具有不相同的寬長(zhǎng)比(W/L)，以及該第二組三態(tài) MOS裝置710中的一 MOS裝置的柵極與該第二組三態(tài)MOS裝置中的其他MOS裝置的柵極具有不相同的寬長(zhǎng)比率。例如，第一 MOS裝置的柵極與第二 MOS裝置和第三MOS裝置的柵極具有不相同的寬長(zhǎng)比，以及該第四MOS裝置的柵極與該第五MOS裝置和第六MOS裝置的柵極具有不相同的寬長(zhǎng)比。其次，在本發(fā)明實(shí)施例中，可設(shè)置第一 MOS裝置的柵極寬度長(zhǎng)度比率為該第二 MOS裝置和第三MOS裝置的柵極的寬度長(zhǎng)度比率的N倍，以及設(shè)置該第四MOS裝置的柵極的寬度長(zhǎng)度比率為該第五MOS裝置和第六MOS裝置的柵極的寬度長(zhǎng)度比率的N倍。在此方式下，該第二 MOS裝置、第三MOS裝置、第五MOS裝置和第六MOS裝置的柵極可具有大致相等的尺寸和大致相等的寬長(zhǎng)比率。在一些實(shí)施例中，設(shè)置N=I便可以使電路達(dá)到較好的實(shí)作效果。而在其他的實(shí)施例中，設(shè)置N=2可以使得電路在滿足一特定功率值的同時(shí)獲得更大的輸出增益。大致來(lái)說(shuō)，‘N’值的增加可使得與裝置連接的電源的穩(wěn)定電流得以增加，但是，‘N’值的增加并不會(huì)使得電路的增益增加N的倍數(shù)，且該增益或者輸出電流Iout_diff與‘N/(N+2)’(固定為K)成比例關(guān)系。此外，在本發(fā)明其他的實(shí)施例中，‘N’的值還可以設(shè)置為N=l/2或N=l/4，因此可見(jiàn)，對(duì)‘N’的值的任意縮放均可以應(yīng)用至本發(fā)明中。因此，當(dāng)運(yùn)用于差分模式中時(shí)，圖6所示的電路可以用于實(shí)現(xiàn)一反饋路徑內(nèi)，例如圖4中的反饋路徑418內(nèi)的平方器模組的功能。 如同圖7中的曲線圖715所示，基于一飽和狀態(tài)MOS裝置的跨導(dǎo)表達(dá)方程式，后述的具體數(shù)學(xué)分析可以證實(shí)圖7所示的電路可以提供一絕對(duì)的平方律功能，該平方律功能僅會(huì)受限于MOS裝置的平方律特性。在一些實(shí)施例中，簡(jiǎn)單的差分電流模式電路還具有低寄生電容以及寬頻帶的優(yōu)點(diǎn)。此外，六個(gè)小尺寸MOS裝置的使用可以使得該電路適用于一低凈空電壓。因此，不同于吉爾伯特單元乘法器(Gilbert-cell Multiplier),由于本實(shí)施例中不存在重疊信號(hào)處理晶體管，因此其信號(hào)平方核心電路均運(yùn)作于相同的共模電壓下。而在本發(fā)明實(shí)施例中，該凈空電源可用于提供‘電流源’、‘有效平方核心電路’及輸出負(fù)載。在現(xiàn)有技術(shù)中，由于誤差節(jié)點(diǎn)對(duì)DC偏移靈敏，從而會(huì)限制電路的功能性動(dòng)態(tài)范圍和/或因自動(dòng)-零偏移的運(yùn)用而增加電路的復(fù)雜度。而與之相比，本發(fā)明實(shí)施例的電路雖具有與現(xiàn)有技術(shù)相同的DC偏移電平，但是由于其被優(yōu)化配置，因此其電路不會(huì)受到DC偏移的影響，且該DC偏移很容易能夠得到校準(zhǔn)。如圖I所示的現(xiàn)有技術(shù)還會(huì)因‘閉環(huán)回路偵測(cè)器’的存在而會(huì)產(chǎn)生輸出噪聲，該輸出噪聲取決于輸入信號(hào)電平，從而進(jìn)一步限制了低輸入電平下的該動(dòng)態(tài)范圍。相反的，在本發(fā)明實(shí)施例的平方電路中，由于一開(kāi)歡架構(gòu)的運(yùn)用會(huì)減少元件的使用數(shù)量以及因此減低噪聲。本發(fā)明實(shí)施例的電路可將輸出噪聲限制在一固定值，且其輸出噪聲將與輸入信號(hào)電平無(wú)關(guān)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，對(duì)瞬態(tài)‘平方增益’的精準(zhǔn)測(cè)量準(zhǔn)許RMS輸入電壓以及輸入功率的測(cè)量過(guò)程系與溫度無(wú)關(guān)。如圖7所示，相等的偏置電流I提供至每一組電流模式三態(tài)MOS裝置的尾端。該DC電流依據(jù)MOS裝置的尺寸比例在裝置間進(jìn)行分配。若該最小MOS裝置單元的三態(tài)寬度和長(zhǎng)度大小分別為W和L，零DC電壓或靜態(tài)輸入狀態(tài)(此時(shí)+V=-V)下的靜態(tài)電流將如方程式
(6)所示。若施加的偏置電流增大N倍，電路的乘法器放大倍數(shù)也為增大N倍。
權(quán)利要求
1.一種平方電路,其特征在于,包含用于接收一差分輸入信號(hào)的一第一差分輸入端與一第二差分輸入端，以及用于輸出一差分輸出信號(hào)的一第一差分輸出端與第二差分輸出端，其中該平方電路包含 一第一組電流模式三態(tài)MOS裝置，包含一第一 MOS裝置，一第二 MOS裝置和一第三MOS裝置，該第一 MOS裝置，第二 MOS裝置和第三MOS裝置的源極均耦接至一第一電流源，該第一 MOS裝置的漏極耦接至一第一電源，該第二 MOS裝置的漏極耦接至該第一差分輸出端，以及該第三MOS裝置的漏極耦接至該第二差分輸出端； 一第二組電流模式三態(tài)MOS裝置，包含一第四MOS裝置，一第五MOS裝置和一第六MOS裝置，該第四MOS裝置，第五MOS裝置和第六MOS裝置的源極均耦接至一第二電流源，該第四MOS裝置的漏極耦接至該第一電源，該第五MOS裝置的漏極耦接至該第一差分輸出端，以及該第六MOS裝置的漏極耦接至該第二差分輸出端； 其中該第一 MOS裝置，第二 MOS裝置和第六MOS裝置的每一者的柵極耦接至該第一差分輸入端，該第三MOS裝置，第四MOS裝置和第五MOS裝置的每一者的柵極耦接至該第二差分輸入端，以使從該第一差分輸出端和該第二差分輸出端看到的差分輸出電流與該差分輸入信號(hào)的電壓的平方成比例。
2.如權(quán)利要求I所述的平方電路，其特征在于，該第一組電流模式三態(tài)MOS裝置與該第二組電流模式三態(tài)MOS裝置具有大致相等的尺寸。
3.如權(quán)利要求I所述的平方電路，其特征在于，該第一組電流模式三態(tài)MOS裝置中的一MOS裝置的柵極與該第一組電流模式三態(tài)MOS裝置中的其他MOS裝置的柵極具有不相同的寬長(zhǎng)比，以及該第二組電流模式三態(tài)MOS裝置中的一 MOS裝置的柵極與該第二組電流模式三態(tài)MOS裝置中的其他MOS裝置的柵極具有不相同的寬長(zhǎng)比。
4.如權(quán)利要求I所述的平方電路，其特征在于，該第一MOS裝置的柵極的寬長(zhǎng)比為該第二 MOS裝置和第三MOS裝置的柵極的寬長(zhǎng)比的N倍，以及該第四MOS裝置的柵極的寬長(zhǎng)比為該第五MOS裝置和第六MOS裝置的柵極的寬長(zhǎng)比的N倍，其中N為小于、等于或大于I的數(shù)值。
5.如權(quán)利要求4所述的平方電路，其特征在于，該第二MOS裝置、第三MOS裝置、第五MOS裝置和第六MOS裝置的柵極具有大致相等的尺寸和大致相等的寬長(zhǎng)比。
6.如權(quán)利要求4所述的平方電路，其特征在于，該第一組電流模式MOS裝置中的一MOS裝置的柵極的寬長(zhǎng)比大致上是該第一組電流模式MOS裝置中其他MOS裝置的柵極的寬長(zhǎng)比的兩倍，以及該第二組電流模式MOS裝置中的一 MOS裝置的柵極的寬長(zhǎng)比大致上是該第二組電流模式MOS裝置中其他MOS裝置的柵極的寬長(zhǎng)比的兩倍。
7.如權(quán)利要求I所述的平方電路，其特征在于，該平方電路還包含一偏移及增益校準(zhǔn)控制電路，用于提供校準(zhǔn)參考信號(hào)至該平方電路的差分輸入端。
8.如權(quán)利要求7所述的平方電路，其特征在于，該校準(zhǔn)參考信號(hào)包含下述DC電壓的至少一個(gè)零值電壓和非零已知值DC電壓。
9.如權(quán)利要求I所述的平方電路，其特征在于，該平方電路在DC頻率至射頻頻率的范圍內(nèi)具有大致上恒定的增益。
10.一種集成電路，其特征在于，包含如權(quán)利要求1-9任意一項(xiàng)所述的平方電路。
11.如權(quán)利要求10所述的集成電路，其特征在于，該集成電路還包含一溫度穩(wěn)定緩沖器，耦接至用于提供差分輸入信號(hào)至該平方電路的一偏移及增益校準(zhǔn)控制電路，其中該溫度穩(wěn)定緩沖器用于為該偏移及增益校準(zhǔn)控制電路提供一緩沖的溫度穩(wěn)定增益。
12.一種無(wú)線通信單元，其特征在于，包含如權(quán)利要求1-9任意一項(xiàng)所述的平方電路。
13.如權(quán)利要求12所述的無(wú)線通信單元，其特征在于，該無(wú)線通信單元還包含一傳送路徑與一反饋路徑，該反饋路徑耦接于該傳送路徑以及用于反饋傳送路徑中的一部分射頻傳送信號(hào)，其中該反饋路徑包含一溫度穩(wěn)定緩沖器，耦接至用于提供差分輸入信號(hào)至該平方電路的一偏移及增益校準(zhǔn)控制電路，該溫度穩(wěn)定緩沖器用于為該偏移及增益校準(zhǔn)控制電路提供一緩沖的溫度穩(wěn)定增益。
14.如權(quán)利要求13所述的無(wú)線通信單元，其特征在于，該無(wú)線通信單元還包含一模數(shù)轉(zhuǎn)換器及一信號(hào)處理器，該信號(hào)處理器耦接于該模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于對(duì)平方處理后的反饋信號(hào)運(yùn)行平均值運(yùn)算及均方根計(jì)算，以確定一均方根輸入電壓電平。
15.—種功率偵測(cè)器的校準(zhǔn)方法,其特征在于,該方法包含 透過(guò)應(yīng)用一個(gè)或多個(gè)DC參考電壓至一平方電路的輸入端以校準(zhǔn)該平方電路并產(chǎn)生校準(zhǔn)后數(shù)據(jù)，該平方電路相對(duì)于頻率具有大致上恒定的增益； 依據(jù)該校準(zhǔn)后數(shù)據(jù)測(cè)量該平方電路的DC偏移電壓與平方增益因子； 應(yīng)用一傳送信號(hào)至該平方電路的該輸入端，以使該平方電路的輸入信號(hào)代表該傳送信號(hào)的功率電平，該平方電路用于產(chǎn)生一平方后輸出信號(hào)； 米樣該平方后輸出信號(hào)；以及 依據(jù)采樣到的平方后輸出信號(hào)及測(cè)量到的該DC偏移電壓與平方增益因子測(cè)量一待偵測(cè)的功率電平。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，校準(zhǔn)該平方電路的步驟包含下述步驟的至少之一 應(yīng)用一零值電壓至該平方電路輸入端，并測(cè)量該平方電路的一輸出偏移電壓；或者， 應(yīng)用一非零已知值的電壓至該平方電路的輸入端，并測(cè)量該平方電路的輸出電壓。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，測(cè)量該平方電路的平方增益因子的步驟包含從一存儲(chǔ)器兀件中提取該輸出偏移電壓、輸入電壓以及輸出電壓之間的關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明提供一種平方電路、集成電路、無(wú)線通信單元及相關(guān)方法，平方電路包含第一MOS裝置，第二MOS裝置和第三MOS裝置，每一MOS裝置的源極耦接至第一電流源；第四MOS裝置，第五MOS裝置和第六MOS裝置，每一MOS裝置的源極耦接至第二電流源。第一、第四MOS裝置的漏極耦接至第一電源，第二、第五MOS裝置的漏極耦接至第一差分輸出端，第三、第六MOS裝置的漏極耦接至第二差分輸出端。第一、第二和第六MOS裝置的柵極耦接至第一差分輸入端，第三、第四和第五MOS裝置的柵極耦接至第二差分輸入端，以使從第一差分輸出端和第二差分輸出端看到的差分輸出電流與差分輸入信號(hào)的電壓的平方成比例。本發(fā)明能夠在一寬頻率范圍內(nèi)提供具有高精準(zhǔn)平方律的轉(zhuǎn)換函數(shù)，簡(jiǎn)化電路的復(fù)雜度。
文檔編號(hào)H03K19/094GK102904566SQ20121026032
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月28日
發(fā)明者克里斯托弗·雅奎·比爾, 柏納得·馬克·坦博克 申請(qǐng)人:聯(lián)發(fā)科技(新加坡)私人有限公司