带直流失配补偿的限幅放大器及对数检波器的制作方法

1.本发明涉及电子技术领域，具体地，涉及带直流失配补偿的限幅放大器及对数检波器。


背景技术：

2.连续对数检波器广泛用于自动增益控制和脉冲检测中，其中并联求和型(又叫逐次逼近型)是典型结构之一，其部件通常包括限幅放大器、整流器、求和器和滤波器等，其中，限幅放大器是关键部件之一，其性能决定了对数检波的动态范围、输出电压斜率和截距。并联求和型对数检波器通常采用多个高增益的限幅放大器级联的结构，级联限幅放大器之间采用直流耦合的方式，因此必须考虑直流失配导致的影响。一个极小的直流失配电压可能会导致输出饱和并恶化对数检波器的输入灵敏度。造成失配的原因包括没有选择参数和尺寸合适的元件产生的随机失配、版图设计技术不合理等。现有的级联限幅放大器可使用直流偏移抵消反馈回路及一阶rc滤波器反馈回路来实现。可是随着失配的程度增加，如直流失配电压增大，如何降低级联限幅放大器的失配，保证动态范围，提高对数检波器的输入灵敏度，成为目前人们普遍关注的问题。现有的技术手段不能克服高失配带来的影响，也没有相应的器件，也未见相关的报道。


技术实现要素：

3.本发明目的是能够克服限幅放大器的高失配问题。
4.为实现上述发明目的，本发明提供了带直流失配补偿的限幅放大器，所述带直流失配补偿的限幅放大器包括：
5.无直流失配补偿的限幅放大器、多重直流失配补偿电路和低通滤波器反馈电路；所述无直流失配补偿的限幅放大器用于对输入信号进行限幅放大；所述多重直流失配补偿电路用于对所述无直流失配补偿的限幅放大器的输出信号进行直流失配补偿；所述低通滤波器反馈电路用于对所述多重直流失配补偿电路的输出信号进行滤波处理获得带直流失配补偿的限幅放大器的输出信号以及直流偏差信号，并将所述直流偏差信号反馈至所述多重直流失配补偿电路。
6.本发明采用了多重直流失配补偿电路，多重直流失配补偿电路的原理为当电路存在失配的情况下，由于多级级联限幅放大导致在最后一级限幅放大器输出的差分信号的直流偏差最大(即失配的最大化)，通过低通滤波以后，滤除高频信号，产生直流偏差信号，反馈到前级电路，通过失配电路的差分特性，将偏差反向抵消，通过反馈补偿以后，将直流偏差纠偏，并传导至后级，从而形成负反馈，将失配的影响抵消掉。本发明采用了多重直流失配补偿电路，通过在不同信号传输路径上进行补偿，能够克服不同路径上存在的失配问题。
7.优选的，所述无直流失配补偿的限幅放大器包括：
8.输入缓冲电路、限幅放大主体电路和输出缓冲电路；其中，所述输入缓冲电路用于进行输入阻抗匹配以及对输入信号中的干扰信号进行隔离；所述限幅放大主体电路用于在
输入电压小于标准时进行线性放大，以及用于在输入电压大于或等于标准时进行限幅放大；所述输出缓冲电路用于进行阻抗匹配，以及用于在所述带直流失配补偿的限幅放大器级联时在级联对象间进行隔离。
9.优选的，所述多重直流失配补偿电路包括第一至第三直流失配补偿电路，其中，所述第一直流失配补偿电路用于对所述输入缓冲电路的输出信号进行直流失配补偿；所述第二直流失配补偿电路用于对所述限幅放大主体电路的输出信号进行直流失配补偿；所述第三直流失配补偿电路用于对所述输出缓冲电路的输出信号进行直流失配补偿。
10.通过在不同信号传输路径上进行补偿，能够克服不同路径上存在的失配问题，如第一直流失配补偿电路能够克服从输入缓冲电路上器件失配的影响，第二直流失配补偿电路能够克服限幅放大主体电路上器件失配的影响，第三直流失配补偿电路能够克服输出缓冲电路上器件失配的影响。
11.优选的，本发明中，所述输入缓冲电路包括晶体管q0和q1；所述限幅放大主体电路包括晶体管q2和q3；所述输出缓冲电路包括晶体管q4和q5；
12.q0的基极与正输入信号vinp连接，q0的集电极和q1的集电极均与电源连接，q0的发射极与电流源i0和q2的基极连接，q1的发射极与电流源i1和q3的基极连接；
13.q2的发射极和q3的发射极均与电流源i2连接，q2的集电极与电阻r0的一端和q5的基极连接，电阻r0的另一端接电源，q3的集电极与电阻r1的一端和q4的基极连接，电阻r1的另一端接电源；
14.q4的集电极接电源，q4的发射极与电流源i3和所述无直流失配补偿的限幅放大器的输出连接，q5的集电极接电源，q5的发射极与电流源i4和所述无直流失配补偿的限幅放大器的输出连接。
15.优选的，本发明中，q0、q1、q2、q3、q4和q5均为异质结双极晶体管。其中，采用异质结双极晶体管的目的是由于hbt晶体管具有放大能力强，截止频率低和噪声小的特点，尤其适用于高频高增益的放大器中。
16.优选的，本发明中，q0和q1对称且参数相同，i0和i1相同，q2和q3对称且参数相同，r0和r1参数相同，q4和q5对称且参数相同，i3和i4相同。
17.其中，本发明对称设计的目的是称且参数相同是差分电路的应用特点，具有抑制共模干扰信号的特点，能够有效地提高放大电路的抗干扰能力。
18.优选的，本发明中，所述第一直流失配补偿电路包括晶体管q6和q7；所述第二直流失配补偿电路包括晶体管q8和q9；所述第三直流失配补偿电路包括晶体管q10和q11；
19.q6的基极、q8的基极和q10的基极均与低通滤波器反馈电路的输出vosp连接，q6的集电极与q0的发射极连接，q6的发射极和q7的发射极均与电流源i5连接；q7的集电极与q1的发射极连接，q7的基极、q9的基极和q11的基极均与低通滤波器反馈电路的输出vosn连接；q8的集电极与q3的集电极连接，q9的集电极与q2的集电极连接，q8的发射极和q8的发射极均与电流源i6连接；q10的集电极与q4的发射极连接，q11的集电极与q5的发射极连接，q10的发射极和q11的发射极均与电流源i7连接。
20.优选的，本发明中，q6和q7对称且参数相同，q8和q9对称且参数相同，q10和q11对称且参数相同。
21.其中，本发明中进行上述对称设计的目的是对称且参数相同是差分电路的应用特
点，具有抑制共模干扰信号的特点，能够有效地提高放大电路的抗干扰能力。
22.优选的，本发明中，所述第一直流失配补偿电路包括mos管m1和m2；所述第二直流失配补偿电路包括mos管m3和m4；所述第一直流失配补偿电路包括mos管m5和m6；
23.m1的栅极、m3的栅极和m5的栅极均与低通滤波器反馈电路的输出vosp连接，m1的漏极与q0的发射极连接，m1的源极和m2的源极均与电流源i5连接；m2的漏极与q1的发射极连接，m2的栅极、m4的栅极和m6的栅极均与低通滤波器反馈电路的输出vosn连接；m3的漏极与q3的集电极连接，m4的漏极与q2的集电极连接，m3的源极和m4的源极均与电流源i6连接；m5的漏极与q4的发射极连接，m6的漏极与q5的发射极连接，m5的源极和m6的源极均与电流源i7连接。
24.优选的，本发明中，所述低通滤波器反馈电路包括：电阻r2、电阻r3、电容c0和电容c1；
25.r2的一端与反馈信号fdbk_voutp连接，r2的另一端和c0的正极均与低通滤波器反馈电路的输出vosp连接，r3的一端与反馈信号fdbk_voutn连接，r3的另一端和c1的正极均与低通滤波器反馈电路的输出vosn连接，c0负极和c1的负极均接地。
26.本发明还提供了对数检波器，所述对数检波器包括：
27.第一至第n级单元和滤波器，其中，每级单元均包括：限幅放大器和整流器；第一至第n级单元中的一个单元中的限幅放大器为权利要求1-9中任意一个所述带直流失配补偿的限幅放大器，剩余其他单元中的限幅放大器为所述无直流失配补偿的限幅放大器；
28.其中，第一级单元的限幅放大器的输入端连接输入信号，第一级单元的限幅放大器的第一输出端与第二级单元的限幅放大器的输入端连接，第一级单元的限幅放大器的第二输出端与第一级单元的整流器的输入端连接，第一级单元的整流器输出第一输出信号；
29.第i级单元的限幅放大器的第一输出端与第i 1级单元的限幅放大器的输入端连接，第i级单元的限幅放大器的第二输出端与第i级单元的整流器的输入端连接，第i级单元的整流器输出第i输出信号，i为大于1且小于n的整数；
30.第n级单元的限幅放大器的第一输出端与所述的带直流失配补偿的限幅放大器的输入端连接，第n级单元的限幅放大器的第二输出端与第n级单元的整流器的输入端连接，第n级单元的整流器输出第n输出信号；
31.第一至第n输出信号求和获得求和信号，滤波器对所述求和信号进行滤波处理获得所述对数检波器的输出信号。
32.其中，并联求和型(又叫逐次逼近型)对数检波器采用多个限幅放大器级联(即级联组)，包括两种类型：带直流失配补偿的限幅放大器和无直流失配补偿的限幅放大器，通常，为解决直流失配的问题，通常将带直流失配补偿的限幅放大器作为限幅放大器的第一级，其它级采用无直流失配补偿的限幅放大器，并将最后一级的输出作为补偿反馈输入给带直流失配补偿的限幅放大器。
33.优选的，本发明中，第一级单元中的限幅放大器为所述带直流失配补偿的限幅放大器。
34.本发明的带直流失配补偿的限幅放大器根据设计需要，也可放在检波器的级联组的其它位置，如第二级、第三级
……
，但克服直流失配的能力会有所下降，因此优选为第一级；也可在级联组中采用多个带直流失配补偿的限幅放大器，但可能会影响增益的均衡性，
因此优选为1个带直流失配补偿的限幅放大器。
35.本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
36.本发明采用带直流失配补偿的限幅放大器，在失配问题严重的电路中，克服消除高失配造成的直流偏差、极大地提升了对数检波器输入灵敏度。
37.本发明中的带直流失配补偿的限幅放大器在应用时可放在级联组的任意级，当其级联位置位于第一级时可以极大地克服高失配的影响。
附图说明
38.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
39.图1为带直流失配补偿的限幅放大器的其中一种实施方式电路示意图；
40.图2为带直流失配补偿的限幅放大器的其中一种实施方式电路示意图；
41.图3为对数检波器的电路示意图。
具体实施方式
42.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
43.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
44.实施例一
45.请参考图1，图1为带直流失配补偿的限幅放大器的电路示意图，并联求和型(又叫逐次逼近型)对数检波器采用多个限幅放大器级联(即级联组)，包括两种类型：带直流失配补偿的限幅放大器和无直流失配补偿的限幅放大器，通常，为解决直流失配的问题，通常将带直流失配补偿的限幅放大器作为限幅放大器的第一级，其它级采用无直流失配补偿的限幅放大器，并将最后一级的输出作为补偿反馈输入给带直流失配补偿的限幅放大器。本发明即是针对带直流失配补偿的限幅放大器。
46.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种能够克服高失配、提升对数检波器输入灵敏度的带直流失配补偿的限幅放大器。
47.本发明解决上述问题主要通过以下技术方案实现：基于多重补偿直流失配的级联限幅放大器包括限幅放大电路、多重补偿直流失配电路和低通滤波器反馈电路。所述的限幅放大电路包括输入缓冲电路部分(a部分)、限幅放大主体电路部分(b部分)和输出缓冲电路部分(c部分)。
48.所述输入缓冲电路部分中的两个异质结双极晶体管(hbt)q0管和q1管对称且参数相同，其基极分别连接外部输入信号vinp和vinn，其集电极接电源，其射极一方面分别接电流相同的电流源i0和i1，另一方面输出给限幅放大主体电路部分(即vp1和vn1)；所述限幅放大主体电路部分中的两个hbt晶体管q2管和q3管对称且参数相同，其射极连在一起，并连接电流源i2，两管的基极分别接输入缓冲电路的输出vp1和vn1，其集电极接相同参数的电
阻r0和r1，同时输出给输出缓冲电路(即vn2和vp2)，电阻的另一端接电源；所述的输出缓冲电路部分的两个hbt晶体管q4管和q5管对称且参数相同，其基极分别连接vp2和vn2，其集电极接电源，其射极一方面分别接电流相同的电流源i3和i4，另一方面作为该级电路的输出(即voutp和voutn)，并可输出给后级无补偿限幅放大电路。
49.本实施例中的多重补偿直流失配电路为三重补偿直流失配电路，所述的三重补偿直流失配电路包括第一直流失配补偿电路部分(d部分)、第二直流失配补偿电路部分(e部分)和第三直流失配补偿电路部分(f部分)；所述第一直流失配补偿电路部分中的两个hbt管q6管和q7管对称且参数相同，其基极连接rc滤波器反馈电路的输出(即vosp和vosn)，同时连接第二和第三直流失配补偿电路的输入，两管射极相连且接电流源i5，两管集电极分别接vp1和vn1；所述第二直流失配补偿电路部分中的两个hbt管q8管和q9管对称且参数相同，其基极连接rc滤波器反馈电路的输出(即vosp和vosn)，同时连接第一和第三直流失配补偿电路的输入，两管射极相连且接电流源i6，两管集电极分别接vp2和vn2；所述第三直流失配补偿电路部分中的两个hbt管q10管和q11管对称且参数相同，其基极连接rc滤波器反馈电路的输出(即vosp和vosn)，同时连接第二和第三直流失配补偿电路的输入，两管射极相连且接电流源i7，两管集电极分别接voutp和voutn。
50.所述的低通滤波器反馈电路为g部分，包括对称且参数相同的电阻对(r2和r3)和电容对(c0和c1)。r2和r3一端连接从后级限幅放大器输出的反馈信号fdbk_voutp和fdbk_voutn，另一端连接三重补偿直流失配电路的输入(即第一、第二、第三直流失配补偿电路部分的输入)，同时连接电容c0和c1；电容c0和c1的另一端接地。
51.本发明采用的输入缓冲电路部分一方面能够实现输入阻抗匹配，满足片外驱动所需的负载要求，另一方面能够对外部干扰信号起到隔离的作用；限幅放大主体电路部分采用差分放大结构，利用该结构在输入电压小的时候增益线性变化，在输入电压增大后逐渐进入饱和的特性，实现限幅放大的功能；输出缓冲电路部分一方面能够实现阻抗匹配，增强输出驱动能力，另一方面能够在级联放大器间进行隔离，减小信号的泄漏。本发明的输入缓冲电路、限幅放大主体电路和输出放大电路为常见的限幅放大器结构，即本发明中的无直流失配补偿的限幅放大器。
52.本发明采用了三重补偿直流失配的方法，三个失配电路的基本原理是相同的，即当电路存在失配的情况下，由于多级级联限幅放大导致在最后一级限幅放大器输出的差分信号的直流偏差最大(即失配的最大化)，通过低通滤波(g部分)以后，滤除高频信号，产生直流偏差信号，反馈到前级电路，通过失配电路的差分特性，将偏差反向抵消，以第二直流失配补偿电路为例，假设直流偏差信号vosp》vosn，通过反馈补偿以后，将直流偏差纠偏vp2《vn2，并传导至后级，从而形成负反馈，将失配的影响抵消掉。本发明采用了第一、第二、第三直流失配补偿电路，其中，第一直流失配补偿电路对输入缓冲电路的输出信号进行直流失配补偿，第二直流失配补偿电路对限幅放大主体电路的输出信号进行直流失配补偿，第三直流失配补偿电路对输出缓冲电路的输出信号进行直流失配补偿，通过在不同信号传输路径上进行补偿，能够克服不同路径上存在的失配问题，如第一直流失配补偿电路能够克服从输入缓冲电路上器件失配的影响，第二直流失配补偿电路能够克服限幅放大电路上器件失配的影响，第三直流失配补偿电路能够克服输出缓冲电路上器件失配的影响。
53.其中，在本发明实施例中，在具体的电路设计中，要设置适当的i5、i6和i7的电流
值，电流越大，克服失配的能力越强，但是会恶化电路放大增益，因此需要权衡设计，具体的电流值大小可根据实际需要进行设定，本发明实施例不对具体的电流值进行限定。
54.其中，在本发明实施例中，本发明的三重补偿电流失配要结合低通滤波(g部分)，在具体的电路设计中，电阻对r2和r3、电容对c0和c1的设置要合适，尽量选择较大的电容和电阻，减少补偿电路对后级限幅放大输出的影响，具体的电容和电阻大小可根据实际需要进行设定，本发明实施例不对具体的电容和电阻大小进行限定。
55.实施例二
56.请参考图2，在实施例一的基础上，所述的三重补偿直流失配电路部分中的hbt管可替换为mos管。本发明中，所述第一直流失配补偿电路包括mos管m1和m2；所述第二直流失配补偿电路包括mos管m3和m4；所述第一直流失配补偿电路包括mos管m5和m6；
57.m1的栅极、m3的栅极和m5的栅极均与低通滤波器反馈电路的输出vosp连接，m1的漏极与q0的发射极连接，m1的源极和m2的源极均与电流源i5连接；m2的漏极与q1的发射极连接，m2的栅极、m4的栅极和m6的栅极均与低通滤波器反馈电路的输出vosn连接；m3的漏极与q3的集电极连接，m4的漏极与q2的集电极连接，m3的源极和m4的源极均与电流源i6连接；m5的漏极与q4的发射极连接，m6的漏极与q5的发射极连接，m5的源极和m6的源极均与电流源i7连接。
58.其中，在本发明实施例中，hbt晶体管具有放大能力强，截止频率低和噪声小的特点，尤其适用于高频高增益的放大器中；虽然mos管在这些方面不如hbt管，但mos管线性好，输出阻抗大，功耗较小，也有一定的优点，对于本发明在工艺不支持hbt的场景可用mos管替换。
59.实施例三
60.在实施例一的基础上，请参考图3，图3为对数检波器的电路示意图，所述对数检波器包括：
61.第一至第n级单元和滤波器，其中，每级单元均包括：限幅放大器和整流器；第一至第n级单元中的一个单元中的限幅放大器为权利要求1-9中任意一个所述带直流失配补偿的限幅放大器，剩余其他单元中的限幅放大器为所述无直流失配补偿的限幅放大器；
62.其中，第一级单元的限幅放大器的输入端连接输入信号，第一级单元的限幅放大器的第一输出端与第二级单元的限幅放大器的输入端连接，第一级单元的限幅放大器的第二输出端与第一级单元的整流器的输入端连接，第一级单元的整流器输出第一输出信号；
63.第i级单元的限幅放大器的第一输出端与第i 1级单元的限幅放大器的输入端连接，第i级单元的限幅放大器的第二输出端与第i级单元的整流器的输入端连接，第i级单元的整流器输出第i输出信号，i为大于1且小于n的整数；
64.第n级单元的限幅放大器的第一输出端与所述的带直流失配补偿的限幅放大器的输入端连接，第n级单元的限幅放大器的第二输出端与第n级单元的整流器的输入端连接，第n级单元的整流器输出第n输出信号；
65.第一至第n输出信号求和获得求和信号，滤波器对所述求和信号进行滤波处理获得所述对数检波器的输出信号。
66.其中，并联求和型(又叫逐次逼近型)对数检波器采用多个限幅放大器级联(即级联组)，包括两种类型：带直流失配补偿的限幅放大器和无直流失配补偿的限幅放大器，通
常，为解决直流失配的问题，通常将带直流失配补偿的限幅放大器作为限幅放大器的第一级，其它级采用无直流失配补偿的限幅放大器，并将最后一级的输出作为补偿反馈输入给带直流失配补偿的限幅放大器。
67.本发明的带直流失配补偿的限幅放大器根据设计需要，也可放在检波器的级联组的其它位置，如第二级、第三级
……
，但克服直流失配的能力会有所下降，因此优选为第一级；也可在级联组中采用多个带直流失配补偿的限幅放大器，但可能会影响增益的均衡性，因此优选为1个带直流失配补偿的限幅放大器。
68.其中，在本发明实施例中，本发明的基于多重补偿直流失配的限幅放大器根据设计需要，也可放在级联组的其它位置，如第二级、第三级
……
，但克服直流失配的能力会有所下降；也可在级联组中采用多个基于多重补偿直流失配的限幅放大器，但可能会影响增益的均衡性。
69.假设将此放在第二级，那么第一级放大器如果有失配，则会传递至第二级，并在第二级放大，因此无法消除第一级的失配影响，同理，如果放在第三级，那么第一级和第二级放大器有失配就会传递至第三级，因此无法消除第一级和第二级放大器的失配影响。
70.带直流失配补偿的限幅放大器与未带直流失配补偿的限幅放大器由于电路上结构有所不同，很难实现完全相同的放大增益，因此如果级联组中的带直流失配补偿的限幅放大器越多，一方面会使得相邻两级的增益可能不同，另一方面会增大设计复杂度和面积。因此，级联的位置优选为第一级；级联时优选为1个带直流失配补偿的限幅放大器。
71.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
72.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。