理解、操作和連接基于二極管的集成射頻檢波器

由于其基本的整流特性，只要有二極管，二極管就被用來產(chǎn)生與交流和射頻信號電平成比例的直流電壓。本文將比較基于二極管的RF和微波與集成電路替代方案的性能。涵蓋的主題包括傳遞函數(shù)線性度、溫度穩(wěn)定性和ADC接口。

基于分立二極管的RF檢波器

圖1所示為一種常用的基于二極管的RF檢測電路的原理圖。這可以被認(rèn)為是具有輸出濾波的簡單半波整流器。輸入信號的正半周期正向偏置肖特基二極管，肖特基二極管又為電容器充電。在負(fù)半周期，二極管反向偏置，導(dǎo)致電容上的電壓保持并產(chǎn)生與輸入信號成比例的直流輸出。為了在輸入信號減小或關(guān)閉時允許該電壓下降，與電容器并聯(lián)的電阻器提供放電路徑。

圖1.基于肖特基二極管的RF檢波器。

圖2顯示了該電路的傳遞函數(shù)。輸入功率以dB為單位，輸出電壓以對數(shù)垂直刻度表示。觀察25°C傳遞函數(shù)，曲線上有兩個不同的工作區(qū)域。所謂的線性區(qū)域從輸入范圍的頂端（約15 dBm）向下延伸到0 dBm左右。線性區(qū)域這個術(shù)語得名于該區(qū)域的輸出電壓與輸入電壓大致成正比。

圖2.基于肖特基二極管的RF檢波器的傳遞函數(shù)。

低于 0 dBm 時，所謂的平方律區(qū)域開始。在此區(qū)域中，輸出電壓大致與輸入電壓的平方成正比。這會導(dǎo)致圖上的斜率更高。

圖2還顯示了溫度為–40°C和+85°C時電路的輸出電壓與輸入功率傳遞函數(shù)的關(guān)系。 這在功率電平低于0 dBm時顯示出明顯的偏差。這使得該器件在溫度變化顯著的應(yīng)用中無法使用。

現(xiàn)有的技術(shù)可用于在一定程度上緩解這種溫度漂移。它們涉及引入第二個參考二極管作為電路的一部分或作為具有自身輸出的獨立電路?；鶞?zhǔn)二極管的溫度漂移與初級二極管的溫度漂移相匹配。通過減法過程（在模擬域或基于電路結(jié)構(gòu)的數(shù)字域中），可以實現(xiàn)一定程度的漂移消除。

圖3顯示了ADL6010在25 GHz時的傳遞函數(shù)，ADL6010是一款基于肖特基二極管的集成檢波器，具有許多新穎特性。作為信號處理的一部分，輸入信號通過一個電路，該電路僅對低于特定功率水平的信號執(zhí)行平方根功能。過渡點被特意設(shè)置為等于二極管從平方律區(qū)域躍遷到線性區(qū)域的功率電平。因此，二極管的平方律效應(yīng)被抵消，并且沒有圖1中如此明顯的兩區(qū)傳遞函數(shù)的跡象。

圖3.輸出電壓與輸入功率的關(guān)系以及25 GHz時集成肖特基二極管檢波器的線性誤差。

圖3還包括在–55°C至+125°C不同溫度下的傳遞函數(shù)圖。 還繪制了傳遞函數(shù)與溫度的變化。使用25°C傳遞函數(shù)的線性回歸作為參考，每個溫度下的誤差以dB為單位繪制。由于集成了溫度補償電路和平方律消除電路，我們看到在大部分輸入范圍內(nèi)，線性度和溫度漂移引起的誤差約為±0.5 dB。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口

雖然RF和微波檢波器有時用于模擬功率控制環(huán)路1，但更常見的是構(gòu)建數(shù)字功率控制環(huán)路，如圖4所示。在這些應(yīng)用中，功率檢波器的輸出由模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。在數(shù)字域中，功率電平是使用ADC的代碼計算的。一旦知道功率電平，系統(tǒng)將在必要時通過調(diào)整發(fā)射功率來響應(yīng)。

圖4.典型的數(shù)字控制RF功率控制環(huán)路。

雖然該環(huán)路的響應(yīng)時間在很大程度上取決于檢波器的響應(yīng)時間，但ADC的采樣速率和功率控制算法的速度將產(chǎn)生更大的影響。

環(huán)路測量和精確設(shè)置RF功率電平的能力受到許多因素的影響，包括RF檢波器的傳遞函數(shù)和ADC的分辨率。為了更好地理解這一點，讓我們仔細(xì)看看探測器的響應(yīng)。圖5比較了基于二極管的檢波器ADL6010與微波對數(shù)放大器HMC1094在20 GHz時的響應(yīng)。對數(shù)放大器具有線性dB傳遞函數(shù)，其中輸入功率的1 dB變化始終導(dǎo)致輸出端的電壓變化相同（在大約–50 dBm至0 dBm的線性輸入范圍內(nèi)）。與此相反，基于二極管的檢波器（如ADL6010）具有傳遞函數(shù)，當(dāng)在水平軸上使用dB刻度而線性垂直軸用于輸出電壓時，傳遞函數(shù)呈指數(shù)級。

圖5.線性分貝的比較。

由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有以位/電壓為單位的傳遞函數(shù)，這意味著以每比特dB為單位的系統(tǒng)分辨率隨著輸入功率的降低而不斷降低。圖5中的曲線還顯示了如果ADL6010驅(qū)動滿量程電壓為5 V的12位ADC，可以實現(xiàn)的每dB位數(shù)分辨率（該圖在對數(shù)次級軸上縮放，便于查看）。在器件功率范圍的低端（約–25 dBm），增量斜率約為每dB2位，分辨率約為0.5 dB/位。這表明12位ADC足以在整個范圍內(nèi)精確解析ADL6010的輸出。

隨著RF輸入功率的增加，以位/dB為單位的增量斜率穩(wěn)步增加，在最大輸入功率為15 dBm時，最大約為300位/dB。這在RF功率控制應(yīng)用中很有價值，當(dāng)系統(tǒng)處于最大功率時，精度最為關(guān)鍵。在使用RF檢波器測量和控制高功率放大器（HPA）功率的應(yīng)用中，這是一個非常典型的場景。在通?？刂乒β室苑乐笻PA過熱的應(yīng)用中，最大功率下的高分辨率功率測量具有重要價值。

相比之下，圖5中HMC1094對數(shù)放大器的傳遞函數(shù)也表明，它在其線性工作范圍內(nèi)具有恒定的斜率。這表明較低分辨率的ADC（10位甚至8位）足以實現(xiàn)遠(yuǎn)低于1 dB的分辨率。

圖6所示為應(yīng)用電路，其中ADL6010與AD7091接口，AD7091是一款12位精密ADC，采樣速率最高可達1 MSPS。ADC具有一個內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓源，用于設(shè)置滿量程輸入電壓。由于ADL6010檢波器的最大電壓可達約4.25 V，因此使用簡單的電阻分壓器來降低該電壓，使其永遠(yuǎn)不會超過2.5 V。無需運算放大器緩沖器即可實現(xiàn)這種縮放。在輸入功率范圍底端，以每比特dB表示的可實現(xiàn)分辨率與上述示例類似（即每比特約0.5 dB）。2

圖6.將集成微波功率檢波器與精密ADC接口。

結(jié)論

與分立式方案相比，集成RF和微波檢波器具有許多優(yōu)勢。集成溫度補償電路提供開箱即用的輸出電壓，在寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定在 ±0.5 dB 左右。使用內(nèi)部平方根功能可有效消除低輸入功率電平下的平方律特性。這導(dǎo)致單個線性傳遞函數(shù)，使設(shè)備校準(zhǔn)更容易。集成檢波器的緩沖輸出可以直接驅(qū)動ADC，無需擔(dān)心負(fù)載會影響計算精度。在選擇和確定ADC尺寸時需要小心，以便在低輸入功率下實現(xiàn)足夠的位/dB。

審核編輯：郭婷