技术文章 理解、操作并实现基于二极管 的集成式RF检波器接口 Eamon Nash RF检波器 应用总监 ADI公司 | | 分享至LinkedIn 图2显示了此电路的传递函数。输入功率以dB为单位调整，输出 电子邮件 电压以对数垂直刻度表示。观察25°C传递函数，发现曲线上有 两个不同的工作区间。称为线性区间的区域为输入范围的顶端 (约15 dBm)到大约0 dBm。术语“线性区间”是由于该区域内的输 摘要 出电压与输入电压大致成比例而得名。 二极管因为具有整流特性而用来产生直流电压，并且只 要存在二极管，其所产生的直流电压便与交流和RF信号 电平成比例。本文将把基于二极管的RF和微波产品与集 0 dBm以下是所谓的平方律区域。在此区域内，输出电压大致与 输入电压的平方成比例。这导致曲线的斜率较高。 成电路替代产品相对比。本文讨论的话题包括传递函数 图2还显示了–40°C和+85°C温度下的电路输出电压与输入功率传 线性度、温度稳定性和ADC接口。 递函数的关系。它表明0 dBm以下的功率电平偏差较大。这使得 器件在温度变化稍大的应用中变得不稳定。 有一些技术可在某种程度上缓解温度漂移。这些技术包括引入 图1显示的是一个广泛使用的、基于二极管的RF检波电路原理 图。可以把它看成一个带有输出滤波的简易半波整流器。输入 信号的正半周期正向偏置肖特基二极管，进而对电容充电。在 负半周期时，二极管反向偏置，导致电容上的电压处于保持状 第二个参考二极管作为电路的一部分，或者作为独立电路，具 有独立的输出。参考二极管的温度漂移与主二极管匹配。通过 减法处理(模拟域或数字域，具体根据电路结构决定)，可在一定 程度上消除漂移。 +4 态，产生与输入信号成比例的直流输出。为了在输入信号下降 或关断时让此电压下降，采用电阻与电容的并联组合来提供放 +3 电路径。 +2 L1 D1 VDET C1 Error (dB) RFIN R1 10 1 +1 0.1 0 –1 图1. 基于二极管的肖特基RF检波器 VOUT (V) Calibration at –28 dBm, –10 dBm, and +8 dBm 101 –2 100 –3 10–1 –4 –30 –55°C –40°C +25°C +85°C +125°C –25 –20 –15 –10 –5 0 +5 +10 Output Voltage (V) 基于二极管的分立式RF检波器 0.01 +15 0.001 +20 PIN (dBm) 10 图3. 25 GHz时集成式肖特基二极管检波器的输出电压与输入功率和线性 度误差的关系 10–3 图3显示了ADL6010——一款基于二极管的集成式肖特基检波 –2 10–5 –25 器，具有大量的创新特性——在25 GHz时的传递函数。作为信号 VOUT at +25°C VOUT at –40°C VOUT at +85°C 10–4 处理的一部分，输入信号通过一个仅在信号低于特定功率电平 时才执行平方根操作的电路。跃迁点故意设置为等于二极管从 –20 –15 –10 –5 0 +5 Input Power (dBm) 图2. 基于二极管的肖特基RF检波器传递函数 请访问：analog.com/cn +10 +15 +20 +25 平方律区间跃迁至线性区间的功率电平。因此，二极管的平 方律效应得以消除，而两个区间的传递函数也不如图1那么明 显了。 理解、操作并实现基于二极管的集成式RF检波器接口 图3还显示了从–55°C到+125°C范围内各种温度的传递函数曲 始终导致输出端具有相同的电压变化(大约–50 dBm至0 dBm的线 线。另外，还标出了传递函数随温度发生的变化。将25°C传递 性输入范围)。相比之下，在横轴采用dB刻度以及线性纵轴用于 函数的线性回归作为基准，以dB为单位标出每一温度下的误 输出电压的情况下，诸如ADL6010等基于二极管的检波器具有指 差。由于集成式温度补偿电路和平方律消除电路的作用，可以 数形式的传递函数。 看到在输入的绝大部分范围内，线性度和温度漂移产生的误差 大约为±0.5 dB。 由于模数转换器的传递函数单位为位/电压，这意味着以dB/位 表示的系统分辨率会随着输入功率的下降而不断下降。图5中的 曲线还显示了位/dB分辨率，可由ADL6010以5 V满量程电压驱动一 ADC接口 虽然有时候会在模拟电源控制环路中使用RF和微波检波器1，但 更普遍的是构建一个数字电源控制环路，如图4所示。在这些应 用中，功率检波器的输出采用模数转换器进行数字化处理。在 数字域中，使用来自ADC的码来计算功率电平。一旦获得了功 个12位ADC实现(为了方便查看，该曲线以对数副轴标记刻度)。 在器件功率范围的低端约–25 dBm处，递增斜率约为每dB2位，从 而使分辨率约为0.5 dB/位。这表示一个12位ADC足以在满量程范 围内精确解析ADL6010输出。 随着RF输入功率的增加，以位/dB为单位的递增斜率将在15 dBm 率电平，系统就会作出响应，按需调节传输功率。 的最大输入功率下稳步上升至大约300位/dB的最大值。这对于 DAC RF功率控制应用而言是有价值的；当系统达到最大功率时，这 类应用的精度性能至关重要。RF检波器用来测量和控制高功率 I/Q Mod Tx DAC FPGA 功率以防HPA过热的应用中，以最大功率进行高分辨率功率测量 90° Phase Shifter DAC 放大器(HPA)是一个非常典型的应用场景。在那些经常需要控制 VGA PA 具有极大的价值。 Tx DAC 相比之下，图5中的HMC1094对数放大器传递函数还显示出它在 线性工作范围内的斜率不变。这意味着若要实现远低于1 dB的分 辨率，则使用较低分辨率的ADC (10位甚至8位)就足够了。 ADF4151 ADC RF Power Detector 在图6显示的应用电路中，ADL6010与AD7091对接，后者是一个 12位精密ADC，采样速率最高为1 MSPS。该ADC内置2.5 V基准电 压源，可设置满量程输入电压。由于ADL6010检波器可达到的最 图4. 典型的数控RF功率控制环路 虽然此环路的响应时间只在较少程度上依赖于检波器响应时 间，但ADC采样速率和功率控制算法速度的影响会大得多。 4 3.5 VOUT HMC1094 Log Amp VOUT ADL6010 Detector Bits/dB Resolution—ADL6010 Detector and 5 V, 12-Bit ADC 100 3 2.5 2 1.5 10 1 –40 –20 0 下调节，从而使其永不超过2.5 V。这种调节可以在没有运算放 的dB/位分辨率与上文示例类似(即大约0.5 dB/位)。2 0.5 0 –60 大电压约为4.25 V，使用一个简单的电阻分压器便可将该电压向 大器缓冲器的情况下完成部署。输入功率范围下限处可以实现 1000 4.5 Detector ADC Resolution (Bits/dB) 2 RF Detector Output Voltage (V) 1 +20 PIN (dBm) 图5. 线性dB对比 环路测量以及精确设置RF功率电平的能力受一系列因素影响， 包括RF检波器的传递函数和ADC分辨率。为了更好地理解这一 点，让我们进一步看看检波器的响应。图5将基于二极管的检波 器ADL6010在20 GHz时的响应与微波对数放大器HMC1094进行对 比。对数放大器具有线性dB的传递函数，其输入功率的1 dB变化 请访问：analog.com/cn 5V VPOS ADL6010 Detector Maximum Output = 4 V 5V Input Range: 0 V to 2.5 V VDD RFCM RF Input Power RFIN RFCM Analog Signal Processor VOUT VIN 200 Ω 340 Ω AD7091R 12-Bit, 1 MSPS ADC SPI GND Comm 图6. 集成式微波功率检波器与精密ADC接口 结论 与分立式部署相比，集成式RF和微波检波器具有众多优势。集 在线支持社区 成式温度补偿电路提供即用型输出电压，其在宽温度范围内可 访问ADI在线支持社区，与ADI 以稳定在±0.5 dB左右。使用内部平方根函数可以有效消除低输入 技术专家互动。提出您的棘 功率电平时的平方律特性。这样便可具有单个线性传递函数， 手设计问题、浏览常见问题 使器件校准更为方便。集成式检波器的缓冲输出可以直接驱动 解答，或参与讨论。 ADC，不必担心负载会影响计算精度。选择和设计ADC时必须仔 ezchina.analog.com 细，以便在低输入功率下具有足够的位/dB。 参考文献 1 CN-0050电路笔记。适用于RF应用的稳定闭环自动功率控制ADI 公司，2010年。 2 CN-0366电路笔记。−30 dBm至+15 dBm范围的40 GHz微波功率计 ADI公司，2014年。 ዐ࿔रຍஃ༇ 3 全球总部 大中华区总部 深圳分公司 北京分公司 武汉分公司 One Technology Way 上海市浦东新区张江高科技园区 深圳市福田中心区 北京市海淀区 湖北省武汉市东湖高新区 P.O. Box 9106, Norwood, MA 祖冲之路 2290 号展想广场 5 楼 益田路与福华三路交汇处 上地东路 5-2 号 珞瑜路 889 号光谷国际广场 02062-9106 U.S.A. 邮编 : 201203 深圳国际商会中心 京蒙高科大厦 5 层 写字楼 B 座 2403-2405 室 Tel: (1 781) 329 4700 电话 : (86 21) 2320 8000 4205-4210 室 邮编 : 100085 邮编 : 430073 Fax: (1 781) 461 3113 传真 : (86 21) 2320 8222 邮编 : 518048 电话 : (86 10) 5987 1000 电话 : (86 27) 8715 9968 电话 : (86 755) 8202 3200 传真 : (86 10) 6298 3574 传真 : (86 27) 8715 9931 传真 : (86 755) 8202 3222 ©2016 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. Ahead of What’s Possible is a trademark of Analog Devices. TA13826sc-0-3/16 analog.com/cn