[发明专利]低功率宽动态范围RMS-DC转换器

说明书

技术领域

本公开涉及RMS-DC转换器，更具体地说，涉及能够产生与交流电压信号的RMS电压的对数变化成正比变化的电压转换器。

背景技术

在无线通信系统中经常需要测量高频信号的强度。为了能够对这样的系统中的宽动态范围进行有意义的检测，希望在输出直流电压/电流与以分贝毫瓦(dBm)为单位的输入信号功率之间为线性关系。对输出的测量应该对即使具有高波峰因数的输入波形不敏感，其中，所述波峰因数指峰值振幅除以RMS值。

最佳的运算依赖于若干因素。最重要的是，在不考虑输入信号的波形的情况下，在输入信号功率的宽动态范围内，对输入信号进行精确测量。对经过调制的输入信号进行快速包络线检测对得到不依赖于输入信号波形的输出是有利的。需要输入阻抗与输入功率之间的线性关系，以避免失真返回到信号源。由于温度变化经常明显地影响系统，因此，应该在整个温度范围内保持输出稳定。当然，直流功耗低也是一个重要的目标。

图1中的框图示出了传统的RMS-DC电压转换器。交流信号V_IN施加于平方单元20的输入端X和Y。平方单元的输出施加于电容器22，电容器22用于将施加给它的电压拉平。运算放大器24接收电容器22处的电压，并且提供输出电压V_OUT。在输入端Z没有反馈信号的情况下，平方单元的输出应该是输入信号的平方的函数。为了得到与这样的方案中的V_IN直接对应的均方根值，需要有级输出以执行平方根功能。由于施加于这些级上的经过平方的电压的振幅会在被扩展的宽动态范围内变化，因此，转换器将被严格局限于用于动态范围有限的输入信号。因此，为了拓宽输入的动态范围，将输出电压V_OUT反馈到平方单元的Z输入端，由此将施加到X和Y输入端的信号的乘积除以输出电压，以在求平均值之前执行平方根函数。现在，除以输出电平的平均值之后的平均信号随输入的均方根电平线性变化，如图2所示。

对于所有的有源晶体管来说，高频运算要求用合理的直流静态电流对平方单元进行偏置。(通过Z因素的)偏置电流的大小将显著地使平方单元(或乘法器XY)的高频性能变坏。但是，平方单元之后的直流输出信号的幅值按照指数规律增加。例如，在平方单元的输出端，可以将10mV到1V的输入信号压缩并扩大到1mV到10V。换句话说，范围为40dB的输入信号被转换成范围为80dB的输出信号。平方单元的电压净高以及随后进行的输出信号处理导致电源电压将限制平方单元能够处理的峰值输入信号。因此，转换器对大输入信号的处理能力将非常有限。由器件不匹配引起的直流偏移将限制可以被分辨的输出电压的最小可检测电平。

图3为图1的转换器的众所周知的变化的框图，其中，通过加法电路26对经过均衡的平方单元21和23的输出电流进行求和。V_IN被施加到单元21的输入端。加法电路26的输出被电容器22拉平并且被放大器24放大，从而产生输出电压V_OUT，输出电压V_OUT被施加到单元23的输入端。加法电路26产生作为平方单元的电流之间的差异的信号。

总而言之，图1和图3的转换器具有以下缺点。由于给平方单元施加了比例因数Z，因此运算被局限于低频。闭合反馈环导致对输入信号变化进行响应的输出变慢，在这个闭合反馈环中，平均值环路滤波器的很大C_AVE设置了环路带宽。此外，由于输出与输入线性对应，因此，与正比于交流电压信号的RMS电压的对数变化的输出相比，转换器的动态范围受到限制。

发明内容

本公开克服了现有技术的上述不足。RMS-DC功率转换器包括耦合到交流电压输入端的平方单元。检测电路耦合在平方单元的输出端与转换器的电压输出节点之间。检测电路包括多个检测器单元，每个检测器单元都具有一个共同耦合到电压输出节点的输出端。多个增益单元具有耦合到各个检测器单元的输入端的输出端。多个检测器单元都可以具有大致相同的输入电压检测范围，并且，增益单元都可以具有大致相同的增益。增益单元被串联耦合。增益单元中的至少一个串联耦合在另一个增益单元与一个检测器单元的输入端之间。转换器的输出节点提供与后续检测器级的输出的和对应的电平，该电平的变化与输入电压的RMS值的、以分贝为单位的变化呈线性关系。