CN1268934C - 最小值检测器 - Google Patents
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Abstract
一种最小值检测器设备(1)，包括最小值检测器(10)，它用于检测输入信号(11)的最小值，并且产生一个表示输入信号最小值的近似值的第一输出信号。该最小值检测器设备的特征在于，其进一步包括：最小值检测器复制品(20)，它用于接收所述输入信号的最小值的近似值的另一个输入信号(21)并且产生表示所述近似值的误差的第二输出信号(Ir)。最小值检测器以及最小值检测器复制品均耦合于信号组合单元(30)，该信号组合单元用于产生一个表示输入信号最小值的更准确的近似值的第三输出信号(Iout)。
Description
技术领域
本发明涉及一种最小值检测器设备，包括最小值检测器，该最小值检测器用于检测输入信号最小值并产生表示输入信号最小值的近似值的第一输出信号。
背景技术
极值检测器，特别是最大值检测器，被广泛地应用于诸如测量及数据采集系统中的现代技术。当可能的情况下时，最小值检测器可以利用反相器和最大值检测器来实现，所述反相器对必须确定其最小值的信号进行反相。照此，通过首先对输入信号进行反相并随后判断反向信号的最大值，来以间接的方式判断信号的最小值。但是，存在这样的情形，即当这样做不可能，和最小值检测器必须以直接的方式来实现。此外还注意到，必须要确定其最小值或最大值的信号可能是电压、电流、电荷。
最小电流检测器包括具有反相输入端(-)和同相输入端(+)的差动比较器和输出(out)。只要施加于同相输入端(+)的电压(Vin)小于施加于反相输入端(-)的基准电压(Vref)，输出就处于OFF状态，也就是，比较器的输出电流显然为零。当施加于同相输入端(+)的电压大于基准电压时，也就是当比较器处于ON状态时，存在表明比较器处于ON状态的输出电流。当输入信号(Iin)快速改变时，也就是当存在一串高频脉冲时，输入信号最小值的检测就必须进行得飞快并且同时具备最大准确度。而且，输入脉冲的边沿必须很尖锐，以便避免当输入电压(Vin)几乎等于基准电压且比较器的输出可能振荡时出现的不确定情形。为了检测输入电流(Iin)的最小值，同相输入端(-)耦合于箝位二极管(Dc)，当输入信号(Iin)为低电平时，它传导电流，也就是二极管为ON。当输入信号(Iin)为高电平时，通过箝位二极管的电流基本上为零，也就是二极管为OFF。检测输入端处最小信号的准确度要取决于箝位二极管的换向参数，例如它的动态电阻和它的电源电压。令人遗憾的是，动态电阻是依频率而变的，而其结果就是：检测器的准确度要取决于输入信号的频率。而且，箝位二极管的换向参数会使输入信号的边沿变差。
可控电流源产生表示所述最小信号值的近似值的电流。这种电流具有寄生分量，该寄生分量进一步影响了所述最小输入信号指示值的准确度。
发明内容
因此，本发明的目的是，提供一种适用于高频系统的最小值检测器设备。
依据本发明，提供了一种最小值检测器设备，包括最小值检测器，该最小值检测器用于产生一个表示输入信号的最小值的近似值的第一输出信号，其特征在于：所述最小值检测器设备进一步包括最小值检测器复制品，该最小值检测器复制品用于接收表示所述输入信号的最小值的近似值的另一个输入信号并且产生一个表示所述近似值的误差的第二输出信号，所述最小值检测器以及所述最小值检测器复制品均耦合于信号组合单元，该信号组合单元用于产生一个表示所述输入信号的最小值的更准确的近似值的第三输出信号。
所述最小值检测器提供一个表示输入信号最小值的近似值的输出信号。根据最小值检测器的结构，所述输出信号或多或少地是对输入信号最小值的准确指示。为了获得对所述输入信号最小值的更准确指示，所述最小信号检测设备还包括最小信号检测器的复制品，该复制品用于产生一个表示近似值的误差的第二输出信号。所述最小值检测器的复制品具有基本上等同于最小值检测器的硬件结构，并且是由输入信号来驱动的，所述输入信号表示所述输入信号的最小值。所述最小值检测器的复制品产生第二输出信号，该第二输出信号表示近似值的误差。在信号组合单元中，第一输出信号与第二输出信号组合起来，所述信号组合单元生成第三输出信号，该第三输出信号表示输入信号最小值的更准确近似值。如果误差是正的，也就是存在对所述信号最小值的正寄生信号，那么所述信号组合单元就产生表示第一输出信号与第二输出信号之差的信号。如果误差是负的，也就是存在对输入信号最小值的负寄生信号，那么所述信号组合单元就产生表示第一输出信号与第二输出信号之和的信号。此外还注意到：如果最小值检测器设备具有诸如电流之类的第一输出信号与第二输出信号，那么所述信号组合单元就可以是电节点，在此电节点处能直接依据误差信号类型来减少或增加电流，所述误差信号类型即正的或负的。在当最小值检测器设备具有诸如电压之类的第一输出信号与第二输出信号时的情况下，依据误差信号类型，所述信号组合单元可以是加法器或减法器，所述误差信号类型即负的或正的。如果最小值检测器设备具有诸如频率之类的第一输出信号与第二输出信号，那么信号组合单元就可以是数字计数器或模拟混频器，所述混频器将第一输出信号与第二输出信号组合，并且产生表示信号和与差的复合信号。混频器与带通滤波器相耦合，当误差为正的时，所述带通滤波器用于选择表示信号差的信号，而当误差为负的时，所述带通滤波器用于选择表示信号和的信号。
因为最小值检测器以及最小值检测器的复制品基本上相同，所以它们同样受到诸如供电电压及温度等环境因素的影响。继而，最小值检测器设备对环境条件中的变化不太敏感。
在本发明的实施例中，最小值检测器以及最小值检测器的复制品包括：受控制信号S控制的可控箝位二极管，所述箝位二极管分别耦合于用于接收输入信号和另一个输入信号的输入端。通常，二极管可以利用晶体管来实现。例如，如果晶体管是双极性的晶体管，那么该二极管可以通过将基极连接到集电极来实现，如果假定是硅晶体管，则作为结果的二极管具有近似等于0.65伏特的阈值电压VBE。为了改善具备高频信号的晶体管的特性，将晶体管的基极连接于控制电压，该控制电压确定流过集电极的电流，并且其结果是使箝位二极管更好地适应于高频信号。为了进一步改善箝位二极管的换向特性，提供了耦合于附加电流源的附加可控二极管。该附加可控二极管经由第一电阻器而耦合于箝位二极管，所述第一电阻器用于将箝位二极管从状态ON到状态OFF的转变时间最小化。
当通过二极管的电流不等于零时，认为状态是ON，而当通过二极管的电流基本上为零时，认为状态是OFF。作为一个直接结果就是，在箝位二极管获得的信号边沿被削尖，并且当箝位二极管耦合于差动比较器时，所述差动比较器改善了换向特性，例如，避免了当输入信号经相对长的时间明显彼此相等时出现的不确定情形。
为了进一步改善箝位二极管上信号的换向边沿，提供了耦合于用于产生基准电压的基准电流源的可控参考二极管。所述参考二极管进一步经由第二电阻器耦合于附加可控二极管，所述第二电阻器用于将箝位二极管从状态ON到状态OFF的寄生转变时间最小化。所述寄生转变时间是由从输入信号的最大值到最小值转变来确定的。
附图说明
根据以下参照附图来说明的本发明的示范性实施例，本发明的上述及其它特征和优点将显而易见，在附图中：
图1描绘出现有技术中所公知的最小电流检测器的框图；
图2描绘出根据本发明的最小值检测器设备；
图3更详细描述图2的最小值检测器设备的实施例；
图4描绘出最小值检测器设备之另一实施例的一部分的详细说明。
具体实施方式
图1描绘出了现有技术中所公知的最小电流检测器的框图。图1中示出的最小电流检测器包括：比较器，它具有同相输入端(+)、反相输入端(-)、以及每当施加于反相输入端(-)的基准电压Vref大于施加于同相输入端(+)的信号Vin时、用于提供低电平输出信号OUT的输出端。否则输出信号OUT具有高电平。在多数应用中，输出信号OUT是电流。箝位二极管Dc是作为用于限定信号Vin最小值的箝位二极管来连接的。Iin是具有两个逻辑值的输入电流，这两个逻辑值也就是高值和低值。Iin的低值必须利用最小电流检测器加以确定。当Iin处于最大值时，Vin为最小值并且箝位二极管DC上的电压Vd确定它。当输入信号Iin为最小值，即Imin时，Vin为最大值。于是，箝位二极管基本上是不导通的，也就是它为OFF。电压Vin进一步由电流Imin-Idelta来确定，Idelta是通过箝位二极管的剩余电流。此电流给寄生电容器Cp加载，使电压Vin上升。在电压Vin增加达到比Vref更高电平的时刻，比较器提供充电电容器CLoop的电流OUT，并且确定在Im为最小值的时候所保持的电压VLoop。在此时，输出电流Iout基本上等于Imin-Idelta。正如看到的那样，输出电流为输入电流最小值的近似值。令人遗憾的是，这种实现存在如下将进一步描述的几个缺点：
-取决于输入电流从其最小值变为最大值的速度，值Idelta是可变的。
-在输入电流从其最大值切换为最小值以后的确定(certain)时间段内，也就是在取决于其特性曲线的确定时间常数的情况下，箝位二极管切换为OFF。这进一步确定了电压Vin具有缓慢边沿，也就是缓慢的上升时间。这一缓慢边沿可以确定比较器输出信号OUT中的不稳定性。
-电压Vin依诸如供电电压及温度等环境因素而变。
上述缺点中的一些可以利用如图2中的最小值检测器设备1来最小化。所述最小值检测器设备1包括：最小值检测器10，它用于检测输入信号11的最小值，并且产生一个表示输入信号最小值的近似值的第一输出信号(Imin)。最小值检测器设备1进一步包括：最小值检测器复制品20，它用于接收另一个输入信号21，并且产生一个表示所述近似值的误差的第二输出信号Ir。最小值检测器1以及最小值检测器复制品20均耦合于信号组合单元30，该信号组合单元用于产生一个表示输入信号11最小值的更准确近似值的第三输出信号Iout。
最小值检测器10提供一个表示输入信号11最小值的近似值的输出信号。取决于最小值检测器10的结构，所述输出信号约为对输入信号11最小值的准确指示。为了获得对输入信号11最小值的更准确指示，最小信号检测设备11进一步包括：最小信号检测器的复制品20，它用于产生表示近似值的误差的第二输出信号Ir。最小值检测器复制品20具有明显等同于最小值检测器10的硬件结构，所述最小值检测器由表示输入信号11最小值的输入信号21来驱动。所述最小值检测器的复制品产生第二输出信号Ir，该第二输出信号表示近似值的误差。在信号耦合器30中，第一输出信号Imin耦合于第二输出信号Ir，所述信号耦合器30产生一个表示输入信号11最小值的更准确近似值的第三输出信号Iout。如果误差为正的，也就是存在对信号最小值的正寄生信号，那么信号组合单元就产生一个表示第一输出信号与第二输出信号之差的信号。如果误差为负的，也就是存在对输入信号最小值的负寄生信号，那么信号组合单元30就产生一个表示第一输出信号Imin与第二输出信号Ir之和的信号。此外还注意到的是：如果第一输出信号Imin与第二输出信号Ir为电流，那么信号组合单元30就可以是电节点。在这个节点中，依据误差信号类型，即正的或负的，来减少彼此的电流或者增加彼此的电流。在当第一输出信号与第二输出信号为电压的情况下，取决于误差信号类型，即负的或正的，信号组合单元30可以是加法器或减法器。如果第一输出信号Imin与第二输出信号Ir为频率，那么信号组合单元30就可以是数字计数器或模拟混频器。所述混频器将第一输出信号Iout与第二输出信号Ir组合起来，并且产生一个表示信号和与差的复合信号。所述混频器耦合于带通滤波器，当误差为正的时，所述带通滤波器用于选择表示信号差的信号，而当误差为负的时，所述带通滤波器用于选择表示信号和的信号。
因为最小值检测器10以及最小值检测器复制品20基本上相同，所以它们同样受到诸如供电电压及温度等环境因素的影响。其结果是，最小值检测器设备1对环境条件中的变化不太敏感。如果最小值检测器10以及最小值检测器复制品20被集成在同一芯片上，那么这种影响就会进一步降低。
图3描绘出了根据本发明实施例的带有最小电流检测器复制品的最小电流检测器。在图3中，比较器可以是如图1中所示的相同类型。晶体管T1和T2实现了由比较器的输出来驱动的电流源。当施加于比较器同相输入端“+”的信号的大小小于施加于比较器反相输入端“-”的信号的大小时，输出信号OUT具有较低值并且电容器Cloop放电。在当施加于“+”输入端的信号的大小大于施加于反相输入端的信号时的双重情形下，比较器的输出处于高电平。在此刻，电容器Cloop充电，在晶体管T3和T7的漏极中产生电流。晶体管T3和T7的漏极电流表示最小电流。晶体管T4代表箝位二极管。由于箝位二极管T4中存在剩余电流，因而当在输入端存在最小电流时，将会有影响最小电流示值的惯常性误差电流，所述误差电流为方便起见表示为Idelta。晶体管T7漏极中的总电流为Imin-Idelta，其中Imin为将要检测的最小电流。控制信号S实现了确定平滑换向的晶体管T4的预极化(pre-polarization)，所述平滑换向也就是不带有过冲(overshoot)。晶体管T5用于通常所说的“共基极”连接中，它的基极连接于DC信号Vp。电流源11为输入信号，所述信号是二进制的“1”，也就是仅具有最小值和最大值大小。电流源Iref和晶体管T6确定位于比较器“-”输入端处的基准电压。最小值检测器复制品20也出现于图3中。所有具有与最小值检测器10相类似功能的组件已经用上撇指示，例如T3′。晶体管T8′和T9′实现表示箝位二极管T4′中的最小电流的电流源。电流源21提供表示最小电流的预定电流。在晶体管T9′的漏极中产生电流Idelta，并且在节点30中将该电流Idelta加在由最小电流检测器10获得的最小电流上。照此，获得了最小电流的最佳近似值。此外，因为最小值检测器10以及最小值检测器复制品20通常被集成在同一芯片上，所以它们同样受到诸如温度及供电电压等环境因素的影响。其结果是，对Imin的指示非常独立于上述因素。此外还要注意到的是：图3中出现的电路是用p-MOS晶体管和双极性NPN型晶体管来实现的。本领域的技术人员能够发现，这并不排除各种类型晶体管之间的其它可能的组合，这些各种类型的晶体管可实现与上述电路相同的功能。
当比较器被使用时的一个非常重要的问题就是输入信号的形状(shape)，所述输入信号也就是最小值检测器设备1中箝位二极管T4和T4′上的电压。因为比较器具有输入偏置电压，所以当差动输入信号可与该偏置电压相比较时，在比较器的输出端处会出现不可控输出信号。因而，希望具有带尖锐边沿的输入信号。当输入信号从高电平变换为低值时，箝位二极管T4和T4′从它们传导电流的状态，即ON状态，变换为它们不传导电流的状态，即OFF状态。从ON状态到OFF状态的转变不是很尖锐的，而是要经过一会儿。为了削尖这一转变，提供了由电流源Ic来驱动的晶体管Tc，它如图4中出现的那样。应当指出的是，在图4中，仅仅出现了最小值检测器10，但是假定最小值检测器复制品20也具有相同的结构。晶体管Tc是作为受控二极管来连接的，它受到控制箝位二极管Dc的同一信号S的控制。当从ON状态变换为OFF状态时，第一电阻器110实现了箝位二极管T4电流的第一放电路径。这改善了箝位二极管T4的换向速度，并且其结果是改善了输入信号边沿。但是与此同时，换向电平，即比较器的“-”输入电平，受到箝位二极管T4换向的影响。这就是为什么要将第二电阻器120连接在Ic源与Iref源之间的原因。输入信号Iin中的转变进一步按确定的比例、以这种比较过程不受输入信号转变影响的方式被传递给比较器的“-”输入端。
应注意到的是，本发明的保护范围不局限于这里所描述的实施例。本发明的保护范围也不受权利要求中附图标记的限制。措辞“包括”不排除在权利要求中所提到的那些部分之外的其它部分。在元件前面的措辞“一个”不排除多个那种元件的情况。形成为本发明一部分的装置既可以是以专用硬件的形式实现的，也可以是以编程后的通用处理器的形式实现的。本发明在于每一新的特征或特征的组合。
Claims (9)
1.一种最小值检测器设备(1)，包括：
最小值检测器(10)，该最小值检测器用于产生一个表示输入信号的最小值的近似值的第一输出信号(Imin)，
最小值检测器复制品(20)，该最小值检测器复制品用于接收表示所述输入信号的最小值的另一个输入信号(21)并且产生一个表示所述近似值的误差的第二输出信号(Ir)，
其中，所述最小值检测器(10)以及所述最小值检测器复制品(20)均耦合于信号组合单元(30)，该信号组合单元用于产生一个表示所述输入信号(11)的最小值的更准确近似值的第三输出信号(Iout)。
2.如权利要求1所述的最小值检测器设备(1)，其中所述信号组合单元(30)将第一输出信号(Imin)和第二输出信号(Ir)彼此相加。
3.如权利要求1所述的最小值检测器设备(1)，其中所述信号组合单元(30)将第一输出信号(Imin)和第二输出信号(Ir)彼此相减。
4.如权利要求1所述的最小值检测器设备(1)，其中所述输入信号(11)和所述另一个输入信号(21)是电流。
5.如权利要求4所述的最小值检测器设备(1)，其中所述信号组合单元(30)是电节点。
6.如权利要求1至5所述的最小值检测器设备(1)，其中所述最小值检测器(10)和所述最小值检测器复制品(20)被集成在单一芯片上。
7.如权利要求5所述的最小值检测器设备(1)，其中所述最小值检测器(10)和所述最小值检测器复制品(20)包括由控制信号S来控制的可控箝位二极管(T4、T4′)，所述箝位二极管耦合于用于分别接收所述输入信号(11)和所述另一个输入信号(21)的输入端。
8.如权利要求7所述的最小值检测器设备(1)，其中所述最小值检测器(10)和所述最小值检测器复制品(20)包括耦合于附加电流源(Ic)的附加可控二极管(Tc)，该附加可控二极管(Tc)经由第一电阻器(110)耦合于所述箝位二极管(T4)，所述第一电阻器用于将所述箝位二极管从状态ON到状态OFF的转变时间最小化。
9.如权利要求8所述的最小值检测器设备(1)，其中所述最小值检测器(10)和所述最小值检测器复制品(20)包括与基准电流源(Iref)相耦合的可控参考二极管(T6、T6′)，所述基准电流源用于产生基准电压(Vref)，所述参考二极管(T6、T6′)进一步经由第二电阻器(120)耦合于附加可控二极管(Tc)，所述第二电阻器用于将所述箝位二极管从状态ON到状态OFF的寄生转变时间最小化，所述寄生转变时间是通过从所述输入信号(11)的最大值到最小值的转变来确定的。
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