电路笔记 CN-0366 Circuits from the Lab® reference designs are engineered and tested for quick and easy system integration to help solve today’s analog, mixed-signal, and RF design challenges. For more information and/or support, visit www.analog.com/CN0366. 连接/参考器件 ADL6010 0.5 GHz至43.5 GHz、45 dB微波检波器 AD7091R 12位、1 MSPS精密ADC −30 dBm至+15 dBm范围的40 GHz微波功率计 评估和设计支持 电路功能与优势 电路评估板 图1所示电路是一款40 GHz精密微波功率计，具有45 dB范 ADL6010评估板(ADL6010-EVALZ) 围，仅需两个器件。RF检波器有一个采用肖特基二极管的 AD7091R评估板(EVAL-AD7091RSDZ) 创新检波器单元，后接一个模拟线性化电路。一个低功 系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z) 耗、12位、1 MSPS模数转换器(ADC)通过串行外设接口(SPI) 设计和集成文件 端口提供数字输出。 原理图、布局文件、物料清单 测量之前，在需要的特定RF频率执行简单的校准程序。然 后，用户便可在测量模式下使用该系统。在测量模式下， CN-0366评估板显示施加于检波器输入端的校准RF输入功 率(单位为dBm)。 采用5 V单电源供电时，该电路的总功耗低于9 mW。 5V VPOS ADL6010 DETECTOR MAXIMUM OUTPUT = 4V INPUT RANGE: 0V TO 2.5V RFCM RF INPUT POWER RFIN RFCM ANALOG SIGNAL PROCESSOR VOUT VIN 200Ω 340Ω 5V VDD AD7091R 12-BIT, 1MSPS ADC SPI 12625-001 GND COMM 图1. 微波功率计原理示意图(未显示去耦和所有连接) Rev. 0 Circuits from the Lab reference designs from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of each circuit, and their function and performance have been tested and verified in a lab environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due toanycausewhatsoeverconnectedtotheuseofanyCircuitsfromtheLabcircuits. (Continuedonlastpage) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ©2014 Analog Devices, Inc. All rights reserved. CN-0366 电路描述 图3所示为不同频率下传递函数的变化。在1 GHz到40 GHz范 图1所示电路利用RF和微波功率检波器ADL6010将交流波 围内，输出电压约有300 mV的差异。在整个频率范围内， 形转换为与输入波形幅度对应的比例输出电压。输出电压 温度变化小于±0.5 dB。图4和图5分别显示10 GHz和40 GHz下 为线性电压，斜率单位为V/V rms。然而，在大多数功率计 的温度变化。 应用中，输出电压是一个代表输入波形幅度的稳定直流值 10 ADL6010可提取带宽高达40 MHz的RF信号包络。 1 通过数据采集板处理，然后送至PC作进一步处理和分析。 该ADC内置2.5 V基准电压源，可利用它来设置满量程电压。 如果需要更大的满量程电压，可由外部基准电压源驱动到 更高的电压。 0.5GHz 1.0GHz 5.0GHz 10.0GHz 15.0GHz 20.0GHz 25.0GHz 30.0GHz 35.0GHz 40.0GHz 43.5GHz 0.1 0.01 该系统必须进行校准，因为输出电压取决于输入波形的频 率。测量调制信号时，还需要一个校正系数。为了执行计 算，提供了一个带简单图形用户界面的PC软件(CN-0366评 0.001 –40 –35 –30 –25 –20 –15 –10 估软件)。 0 –5 5 10 12625-003 OUTPUT VOLTAGE (V) 12位、1 MSPS ADC AD7091R对检波器输出进行采样，数据 15 20 PIN (dBm) 图3. 500 MHz到43.5 GHz频率范围内的传递函数 4 3 输入范围为−30 dBm至+15 dBm或−43 dBV至+2 dBV(50 Ω系 2 统中)。检波器单元使用专有八肖特基二极管阵列，后接新 1 颖的线性化电路，可创建相对于输入均方根电压幅度，总 比例因子(或传递增益)标称值为5.9的线性电压表。利用输 ERROR (dB) 到43.5 GHz。其线性电压斜率约为5.9 V/V rms，检波器绝对 CALIBRATION AT –28dBm, –10dBm, AND +10dBm 1 0.1 0 –1 –55°C –40°C +25°C +85°C +125°C 出均值电容，ADL6010可以检测具有可变包络的信号，但 –2 对于相同的输入功率，必须使用校正系数来补偿输出电压 –3 的变化。输出电压与均方根输入电压的关系如下： VOUT = Slope × VRFIN + Intercept –4 –30 10 –25 –20 –15 –10 –5 0 5 10 OUTPUT VOLTAGE (V) ADL6010是一款45 dB包络检波器，工作频率范围是500 MHz 0.01 15 0.001 20 12625-004 功率检波器 PIN (dBm) 其中： 图4. 不同温度下10 GHZ时的传递函数和误差 VOUT为VOUT引脚上的电压。 Slope约为5.9 V/V rms(10 GHz时)。 4 VRFIN为均方根输入电压。 3 1 ADL6010 RFCM 6 LINEARIZER 2 VOUT 1 COMM –1 –55°C –40°C +25°C +85°C +125°C –2 –3 12625-002 RFIN 5 3 VPOS 0.1 0 –4 –30 图2. ADL6010 RF/微波检波器功能框图 –25 –20 –15 –10 –5 0 5 10 0.01 15 PIN (dBm) 图5. 不同温度下40 GHZ时的传递函数和误差 Rev. 0 | Page 2 of 8 OUTPUT VOLTAGE (V) 图2为ADL6010的功能框图。 1 0.001 20 12625-005 2 ERROR (dB) Intercept为延长后数据经过Y轴的值。 RFCM 4 10 CALIBRATION AT –20dBm, 0dBm, AND +10dBm CN-0366 模数转换器 系统传递函数 AD7091R是一款12位、1 MSPS ADC，输入电压范围为0 V至 从检波器输入到ADC输出的系统斜率和截距为： VREF，其基准电压由内部2.5 V基准电压源提供，或由取代内 部基准电压源的外部基准电压源提供。外部基准电压源最 高可达5 V。对于2.5 V满量程电压(VREF = 2.5 V)，LSB大小为： 其中： ADL6010的输出电压约为25 mV至4 V，因此，当AD7091R使 用内部2.5 V基准电压源时，利用一个衰减比约为1.6的200 Ω/ 340 Ω电阻分压器便能将信号幅度降低至该ADC支持的范围 以内。 SlopeSYS为系统斜率。 CODEHIGH、CODELOW分别为ADC的高码输出和低码输出。 VHIGH、VLOW分别为高RF电压和低RF电压。 INTSYS为系统截距。 系统整体传递函数为： 数据分析 EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台(SDP)板与基于AD7091R评 估板控制软件的软件一起使用，以捕捉ADC采样的数据。 其中，VIN为输入RF信号的均方根电压。 该软件可读出功率计值，并具有校准选项。功率计显示屏 求解VIN： 显示施加于ADL6010输入端的功率。为了利用ADL6010和 AD7091R精确测量功率，应将两个不同电平的已知输入功 率施加于ADL6010输入端，然后读取相应的ADC输出码。 这四个值构成图上的两点，必须将其存储起来以供之后的 因此，功率PIN (dBm)可表示为： 校准程序使用。这两点为： • 第1点：(VLOW, CODELOW) 对于50 Ω输入阻抗，此公式可简化为： • 第2点：(VHIGH, CODEHIGH) (1) 根据这两点便可求出斜率和截距，进而在特定工作频率下 校准系统。 用户校准算法 图6为软件功率水平显示。 CN-0366评估软件在特定工作频率执行一次性校准。校准通 过校准选项卡完成，如图6中的窗口所示。校准程序如下： 1. 将RF功率设置为高电平(VHIGH)。 2. 测量ADC输出码(CODEHIGH)。 3. 将RF功率设置为低电平(VLOW)。 4. 测量ADC输出码(CODELOW)。 5. 计算系统斜率(单位为码/V)。 6. 计算系统截距(单位为码)。 7. 将斜率和截距存储为校准系数。 8. 用任意输入RF功率测量ADC码。 12625-006 9. 利用该码、斜率和截距计算输入功率。 图6. CN-0366评估软件显示 Rev. 0 | Page 3 of 8 CN-0366 包括ADC的完整信号链的测量结果 4 利用CN-0366评估软件获取多个频率上的测量结果。每个 3 频率都要先校准，再测量。结果如图7、图8和图9所示。 2 图7中，注意误差与校准功率水平的相关性。选择适当的 1 ERROR (dB) 校准水平可能需要一些试错过程。 图7至图9显示了实测输入功率与施加于ADL6010输入端的 1GHz 10GHz 20GHz 30GHz 40GHz 0 –1 实际功率的关系以及二者之间的误差。 –2 数据是在0°C、25°C和70°C温度下获得，结果如图10、图 –4 –40 30 GHz的频率。 –30 4 1 –20 0 –30 –20 –10 0 10 1 0 –10 –1 –20 –2 –30 –2 –3 –40 –40 –4 20 APPLIED POWER (dBm) –3 –30 MEASURED POWER (dBm) 0 –10 –20 –30 1GHz 10GHz 20GHz 30GHz 40GHz 2 0 1 0 –10 –1 –20 –2 –10 0 10 APPLIED POWER (dBm) 20 12625-008 –40 –40 –20 3 –30 –60 –30 –4 20 4 25°C 70°C 0°C 25°C, ERROR 70°C, ERROR 0°C, ERROR 10 10 –70 –40 10 20 20 –50 –20 –10 0 APPLIED POWER (dBm) 图10. 不同温度下实测功率和误差与施加 功率的关系(1 GHz) 图7. 各种三点校准下实测功率和误差与施加 功率的关系(1 GHz) –40 2 0 12625-007 –60 –40 –1 3 ERROR (dB) –10 MEASURED POWER (dBm) 2 ERROR (dB) 0 MEASURED POWER (dBm) MEASURED POWER (dBm) 10 12625-010 3 25°C 70°C 0°C 25°C, ERROR 70°C, ERROR 0°C, ERROR –3 –30 –20 –10 0 APPLIED POWER (dBm) 10 图11. 不同温度下实测功率和误差与施加 功率的关系(10 GHz) 图8. 不同频率下实测功率与施加功率的关系 Rev. 0 | Page 4 of 8 ERROR (dB) 10 20 –4 20 12625-011 20 –50 10 20 4 –40 0 图9. 不同频率下实测功率误差与施加功率的关系 的，因此在较低输入功率水平时会有较大纹波。 –15, 0, +10 –20, –5, +10 –25, –10, +5 –25, 0, +10 ERROR, –15, 0, +10 ERROR, –20, –5, +10 ERROR, –25, –10, +5 ERROR, –25, 0, +10 –10 APPLIED POWER (dBm) 注意，某些测量结果是利用不具均值功能的旧版软件获得 –30 –20 12625-009 –3 11、图12和图13所示，分别针对1 GHz、10 GHz、20 GHz和 CN-0366 4 20 25°C 70°C 0°C 25°C, ERROR 70°C, ERROR 0°C, ERROR 3 2 1 0 –10 –1 –20 –30 –40 –40 –30 –20 –10 0 APPLIED POWER (dBm) 10 其中： ERROR (dB) 0 CODE为ADC输出码，这是一个范围从0到4096的无单位 数字。 VREF为ADC的满量程基准电压，单位为V。 –2 LSB为ADC可以分辨的最小量化电压，单位为V/步或V/位。 –3 求解VOUT： –4 20 12625-012 MEASURED POWER (dBm) 10 ADC传递函数(由ADL6010驱动时)为： 图12. 不同温度下实测功率和误差与施加 功率的关系(20 GHz) (2) 4 20 25°C 70°C 0°C 25°C, ERROR 70°C, ERROR 0°C, ERROR 将所有量再折合到输入功率可得： 3 2 0 1 0 –10 –1 –20 ERROR (dB) 10 其中，R为ADL6010 RFIN引脚的阻抗。 将VIN代入功率计算公式可得： –2 –30 –40 –40 –3 –30 –20 –10 0 APPLIED POWER (dBm) 10 –4 20 上式简化后得到： 12625-013 MEASURED POWER (dBm) 将此式代入前面的VIN公式可得： 图13. 不同温度下实测功率和误差与施加 功率的关系(30 GHz) 如果R = 50 Ω，则上式可进一步简化为： (3) 公式总结 下面总结了CN-0366中的公式，另外还给出了几个公式以 便用户深入了解此功率计电路的功能。 ADL6010的传递函数为： 此公式涉及到ADL6010检波器输出斜率和截距，有助于从 概念上了解系统的相互作用关系。然而，在实际应用中， 系统的传递函数需要用系统的总斜率和截距来表示，其中 斜率的单位为码/V，截距的单位为码。最终传递函数可以 其中： VOUT为检波器的直流输出电压。 SlopeDET为检波器的增益/斜率，单位为V/V rms。 VIN为输入RF信号的均方根电压。 INTDET为检波器的截距，单位为V。 按如下方式推导。 用系统斜率(slopeSYS)和系统截距(INTSYS)表示的系统传递函 数的推导从公式2开始，公式2中的输入功率用检波器斜率 (slopeDET)和检波器截距(INTDET)表示。将VIN表达式(公式2)的 分子和分母同时乘以1/LSB便可实现推导，具体如下所示： 求解VIN： Rev. 0 | Page 5 of 8 CN-0366 将此VIN表达式代入公式2便可得到公式1。 若将已知电压施加于耦合器输入端(图14中用一般形式 INTDET单位为V，SlopeDET单位为V/V rms，LSB单位为V/码。 乘以1/LSB后，INTDET变为等效ADC码，检波器斜率变为系 VCOUPLER表示)，则耦合器输入与检波器输入之间具有如下 一般关系： VIN = VCOUPLER × Voltage Loss 统斜率(单位为码/V rms)，如下式所示： INTSYS = INTDET/LSB 其中，Voltage Loss为小数形式的恒定衰减系数。 Slopesys = SlopeDET/LSB 例如，若从耦合器输入到检波器输入的电压损耗为20 dB， 有关CN-0366电路的完整设计文件，包括原理图、布局布 线、Gerber和物料清单，请参阅CN-0366设计支持包。 则电压损耗系数为1/10。 如果使用耦合器输入端的电压电平，而不是检波器输入端 常见变化 的电压电平，则系统斜率的新表达式(包括耦合器和传输线 在功率监控和VGA应用中，常见做法是用耦合器获取传输 路损耗)为： 线路的一些功率，然后将信号馈入RF/微波检波器，如图 Slope SYS = 14所示。 其中，VHIGH’和VLOW’分别是耦合器输入端的高校准电压和 TO NEXT STAGE COUPLER 低校准电压。 + 若用检波器输入电压以及耦合器和传输线路的损耗表示， – VIN DETECTOR VLOG OR VRMS 则上式变为： ADC CODE Slope SYS = Voltage Loss × 12625-014 VOLTAGE LOSS VHIGH − VLOW 图15显示了一个采用10 dB损耗耦合器的系统在1 GHz和5 GHz 图14. 使用耦合器的功率计通用应用 校准此设置时，上述校准程序不变。耦合器和传输线路的损 时的传递函数。 耗通过校准消除，并在斜率和截距公式中考虑。计算系统 统斜率和截距用检波器输入电压和ADC输出码表示如下： CODE HIGH − CODE LO W VHIGH − VLOW INTSYS = CODEHIGH − (SlopeSYS × VHIGH) 其中： VHIGH、VLOW分别为施加于检波器输入端的高电压和低电压 MEASURED POWER (dBm) 斜率和截距时，使用施加于耦合器输入端的电压电平。系 Slope SYS = CODE HIGH − CODE LOW (图14中用一般形式VIN表示)。 CODEHIGH、CODELOW分别为ADC的高输出和低输出。 30 3 20 2 10 1 0 0 1GHz 5GHz 1GHz ERROR 5GHz ERROR –10 –1 –20 –30 –20 –2 –10 0 10 20 –3 30 APPLIED POWER (dBm) 图15. 采用10 dB耦合器的系统在1 GHz和5 GHz时的 实测功率和误差与施加功率的关系 Rev. 0 | Page 6 of 8 ERROR (dB) VCOUPLER VHIGH ' − VLOW ' 12625-015 FROM PREVIOUS STAGE CODE HIGH − CODE LO W CN-0366 电路评估与测试 功能框图 设备要求 图16显示了用于测试接收链的测试设置的功能框图。 若要进行CN-0366中所述的评估，需要如下设备： 设置与测试 • ADL6010-EVALZ评估板。 设置和测试微波功率计系统的步骤如下： • EVAL-AD7091RSDZ评估板。 1. 开启所有测试设备，等待测试设备预热完毕。 • EVAL-SDP-CB1Z SDP板。 2. 将ADL6010-EVALZ评估板输入连接到Agilent信号发生器 • Agilent E8257D信号发生器。 (建议利用管式连接器从信号发生器直接连到评估板)。 • Agilent 34410A数字万用表。 3. 将ADL6010-EVALZ评估板输出连接到EVAL-AD7091RSDZ • 通过USB电缆将Windows® 7 PC连接到SDP板(随EVAL-SDP- 评估板输入。 CB1Z提供)。 4. 将EVAL-SDP-CB1Z SDP板连接到EVAL-AD7091RSDZ评 • 用5 V电源为ADL6010-EVALZ板供电。 估板。 • 用9 V交流变直流壁装式转换器为EVAL-AD7091RSDZ评 5. 通过USB电缆(随SDP板提供)将SDP板连接到PC。 估板供电(随EVAL-AD7091RSDZ提供)。注意，EVAL-SDP- 6. 将CN-0366评估软件下载并安装到与SDP控制板相连 CB1Z由EVAL-AD7091RSDZ上的稳压器供电。 的PC。 • CN-0366评估软件。 7. 正确安装软件后，运行可执行文件。 8. 开启信号发生器，将它设置为ADL6010工作范围以内 开始使用 的功率和频率。 对ADL6010-EVALZ评估板EVAL-AD7091RSDZ评估板进行 9. 为了获得准确的功率读数，运行软件中的校准程序。 如下改动和链路设置，以便实现图1所示电路。 10. 软件GUI随即计算并显示施加于ADL6010输入端的功率。 对于ADL6010-EVALZ，用200 Ω电阻(0402尺寸)替换R1。 对于EVAL-AD7091RSDZ，用0 Ω电阻(0603尺寸)替换R1，用 340 Ω电阻(0603尺寸)替换C13。对于EVAL-AD7091RSDZ链 路设置，将LK1调到位置C，将LK2调到位置C，LK3和LK4 保持开路。 5V POWER SUPPLY 9V POWER SUPPLY PC RF GENERATOR VPOS RFIN GND ADL6010-EVALZ 120 J1 VOUT J5 J4 EVAL-AD7091RSDZ 图16. 测试RF和微波功率计的功能框图 Rev. 0 | Page 7 of 8 CON A OR CON B EVAL-SDP-CB1Z 12625-016 USB CN-0366 了解详情 数据手册和评估板 CN-0366设计支持包 ADL6010数据手册和评估板 Ardizzoni John，高速印刷电路板布局实用指南，模拟对话 39-09，2005年9月 AD7091R数据手册和评估板 修订历史 UG-409，EVAL-AD7091RSDZ评估板用户指南，ADI公司 2014年10月—修订版0： 初始版 ADIsimRF设计工具 CN-0178电路笔记，通过软件校准的50 MHz至9 GHz RF功 率测量系统，ADI公司 MT-031指 南 ， 实 现 数 据 转 换 器 的 接 地 并 解 开 AGND和 DGND的谜团，ADI公司 MT-073指南，高速可变增益放大器(VGA)，ADI公司 MT-101指南，去耦技术，ADI公司 (Continued from first page) Circuits from the Lab reference designs are intended only for use with Analog Devices products and are the intellectual property of Analog Devices or its licensors. While you may use the Circuits from the Lab reference designs in the design of your product, no other license is granted by implication or otherwise under any patents or other intellectual property by application or use of the Circuits from the Lab reference designs. Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, Circuits from the Lab reference designs are supplied "as is" and without warranties of any kind, express, implied, or statutory including, but not limited to, any implied warranty of merchantability, noninfringement or fitness for a particular purpose and no responsibility is assumed by Analog Devices for their use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from their use. Analog Devices reserves the right to change any Circuits from the Lab reference designs at any time without notice but is under no obligation to do so. ©2014 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 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