使用MAX2016測量RF增益的技術

本應用筆記討論如何將MAX2016 RF檢波器集成到外差收發(fā)器應用中的增益測量自動測試系統(tǒng)中。本文比較了三種不同方法的質(zhì)量和測量精度：增益測量和校準;僅帶偏移的增益測量;以及通過偏移和斜率校準進行增益測量。

介紹

作為雙路RF功率檢波器，MAX2016能夠?qū)蝹€RF模塊或更復雜的外差收發(fā)器進行增益測量。該器件的主要特性之一是包含一個片內(nèi)比較器電路，用于計算兩個施加功率電平之間的差值。通過該電路可以輕松實現(xiàn)增益 = POUTPUT - PINPUT = POUTA - POUTB = POUTD 的簡單增益計算。但是，必須注意確保充分滿足測量的精度要求。

根據(jù)應用的不同，可能需要一次性校準，以抵消線路和耦合器損耗的任何差異，以及器件之間的差異。以下應用筆記概述了RF增益測量中采用的一些基本校準方法。介紹了兩種常見的應用。第一個示例詳細介紹了如何測量外差收發(fā)器的增益。第二個例子顯示了校準后的MAX2016如何替代工廠自動化測試設備（ATE）應用中緩慢而昂貴的功率計。在ATE示例中，提供了使用和不使用校準所達到的精度的比較以供參考。這兩個示例都說明了充分校準測量設置的重要性。

典型RF收發(fā)器增益測量

由于MAX2016的功率檢波器具有DC至2.5GHz的擴展頻率范圍，因此可以輕松配置器件，以測量單個增益模塊（圖1a）或完整的外差接收/發(fā)送陣容（圖1b）的增益。

圖 1a.單個RF增益模塊的增益測量。

圖 1b.外差接收器的增益測量。

在上述兩種配置中，測量不確定度都會影響增益測量的精度。MAX2016中的器件間變化可能會影響絕對增益測量受到線路差和耦合器損耗以及器件間變化的影響。雖然MAX2016包括兩個相同的集成對數(shù)檢測器，但斜率和截點的微小差異會導致差分輸出出現(xiàn)小誤差。

補償這些變化的一種簡單方法是在工廠測試期間實施一次性斜率和截距校準。圖2概述了外差接收器的測試配置。如圖所示，具有已知功率電平的RF信號被注入接收器的前端。然后使用外部功率檢波器來確定下變頻信號的接收功率電平。如果下變頻信號不能輕易采樣，可以使用收發(fā)器的板載高速ADC來近似接收功率電平。由于大多數(shù)接收器采用某種可變增益放大器/可變電壓放大器（VGA/VVA）來增強動態(tài)范圍，因此可以在測試和后續(xù)測量中改變該系列的增益，以確定增益相對于V的斜率和截距出響應。響應的斜率和截距存儲在收發(fā)器的非易失性存儲器（NVM）中，允許后續(xù)V出測量值映射到絕對增益值。為了提高精度，具有多個 V 值的完整矩陣出增益可以創(chuàng)建并存儲在 NVM 中。然后可以實現(xiàn)插值算法來計算任何測量值V的增益出.圖 3 描述了這兩種替代方法。

圖2.工廠增益校準設置 — 被測接收機。

圖3.外差接收器的增益校準方案。

注意，MAX2016的兩個內(nèi)部對數(shù)檢測器在整個溫度范圍內(nèi)映射良好，在計算收發(fā)器絕對增益時無需補償溫度失調(diào)。如果需要更高的精度，當然可以測量典型的溫度偏移并將其輸入NVM。增益與 V 的關系出算法可以通過測量當前工作溫度并在溫度極端值之間進行插值來添加這些偏移。

在ATE應用中使用MAX2016作為兩個功率計的替代方案

如上所述，測量被測器件（DUT）增益的最直接方法是直接測量其輸入和輸出功率（以dBm為單位），然后從輸出功率中減去輸入功率以獲得增益。傳統(tǒng)上，獲得非常精確的寬帶功率測量的唯一方法是使用功率計。然而，功率計的緩慢測量速度使其無法在短測試時間至關重要的生產(chǎn)環(huán)境中使用。 由于MAX2016的雙對數(shù)檢波器的響應時間相當短（~100ns），因此在生產(chǎn)環(huán)境中可以進行快速增益測量。如上例所示，通過將DUT的輸入功率耦合到MAX2016的一個端口，同時將DUT的輸出功率耦合到MAX2016的第二個端口，可以進行簡單的增益測量。直流電壓（VOUTD_MEAS）與器件的增益成正比，可以在V處捕獲出針。增益可通過以下表達式計算：

增益 （dB） = （VOUTD_OFFSET， wOUTD_MEAS） / VOUTD_SLOPE

不使用校準和 V 的典型值OUTD_OFFSET和 VOUTD_SLOPE根據(jù)MAX2016的數(shù)據(jù)資料，該公式可以簡化為增益（dB）= （1.0 - VOUTD_MEAS) / 0.025.請參考MAX2016數(shù)據(jù)資料了解更多詳情。

雖然這種用于計算增益的簡化表達式很有用，但建議進行更徹底的校準以提高增益測量的精度?？梢詫嵤┒鄠€校準步驟，以產(chǎn)生不同程度的絕對精度。以下文本詳細介紹了一種校準方法，該方法涉及測量V的精確值OUTD_OFFSET和 VOUTD_SLOPE.用戶可以選擇實現(xiàn)一種或兩種校準類型，具體取決于所需的精度水平。提供了一個比較（見下文），概述了僅使用 V 獲得的預期精度OUTD_OFFSET校準與 VOUTD_OFFSET 和VOUTD_SLOPE校準。

常規(guī)測試設置

獲得 V 的更精確值OUTD_OFFSET，MAX2016的兩個輸入端口必須以相同的功率電平驅(qū)動。V 上的直流電平出引腳等于 VOUTD_OFFSET.使用校準衰減器與MAX2016輸入端口串聯(lián)并測量V出值，允許用戶查找 VOUTD_SLOPE.VOUTD_SLOPE然后可以求解給定的 VOUTD_OFFSET以及衰減器的損失。圖4概述了這種表征的測試設置。MAX2016評估板用作增益測量/校準技術的一部分。

圖4.實驗室評估設置。

在此評估中，使用固定功率衰減器來校準VOUTD_SLOPE.但是，請注意，獲得的結(jié)果同樣適用于具有增益的器件。所選頻率和精確衰減由MAX3654 VGA的測試要求驅(qū)動：MAX0 VGA是一款帶AGC的CATV跨阻放大器，可在20dB至<>dB范圍內(nèi)改變增益?？梢赃x擇不同的頻率和衰減器值，以滿足其他應用的要求。

校準 VOUTD_OFFSET和 VOUTD_SLOPE

首先使用URV5 RF功率計對各種衰減器進行表征。該測量在圖4中的A點進行，以確保它代表真實的衰減，同時考慮到任何電纜損耗。

接下來，V 的值OUTD_OFFSET和 VOUTD_SLOPE在每個測試頻率下測量。

測量五OUTD_OFFSET，衰減器被旁路，MAX2016的兩個端口以相同的信號電平驅(qū)動。產(chǎn)生的直流電壓在 V出是 V 的校準值OUTD_OFFSET.

測量五OUTD_SLOPE，插入校準的10dB衰減器，直流電壓為V出再次測量。（將此值稱為 VOUTD_MEAS.)V 的值OUTD_SLOPE現(xiàn)在可以使用公式1計算，給定VOUTD_OFFSET， VOUTD_MEAS，以及已知的衰減器值為10dB。請注意，衰減器值在公式10中表示為-1dB的增益。選擇10dB衰減器是因為它位于MAX3654增益范圍的中間。表 1 顯示了 V 的相應值OUTD_OFFSET和 VOUTD_SLOPE.

校準精度比較

V出在每個測試頻率下測量了六個獨立的衰減器（1、2、8、10、12 和 20dB）。進行了計算以確定三種情況下的測量衰減和結(jié)果精度：

無校準

僅偏移校準

偏移和斜率校準

結(jié)果在下面的表2至表6中給出。

MAX2016作為RF檢波器用于量產(chǎn)測試的結(jié)論

從上面提供的數(shù)據(jù)中可以得出一些觀察結(jié)果。

首先，未校準的相關誤差（表2）很大。如果像MAX3654 VGA這樣的器件的增益是在量產(chǎn)中使用未校準的MAX2016測試的，那么VGA測試限值需要非常寬，以允許這些較大的誤差。這反過來又會轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)手冊中更寬的增益規(guī)格，從而使該器件對設計人員的吸引力降低。

其次，0.9dB和2.0dB衰減器的誤差是可控的，只需進行失調(diào)校準（表3和表5）。當僅測量一個DUT增益值時，這很有用。如果 DUT 板的設計使 DUT 輸出端的衰減等于典型的預期 DUT 增益，則功率檢波器端口的輸入電平將大致相等。假設增益規(guī)格的擴散小于約2dB。那么0.9dB和2.0dB衰減器的精度數(shù)據(jù)意味著只需要進行失調(diào)校準即可精確測量與典型增益的微小偏差。但是，請注意精度如何隨著衰減值的增加而迅速降低。因此，這種技術會出現(xiàn)VGA等VGA常見的大增益偏差問題。

表4和表6中的數(shù)據(jù)顯示，在大范圍內(nèi)測量增益時，同時執(zhí)行偏移和斜率校準可提供最佳結(jié)果。為了執(zhí)行校準，DUT板硬件必須能夠?qū)AX2016功率檢測器驅(qū)動到同一電平，并切換校準衰減器。

圖5所示為MAX2016輸入端所需RF開關的一種可能方案。DUT 增益測量在開關位于位置 A 時執(zhí)行。失調(diào)校準是在開關處于位置B的情況下執(zhí)行的。斜率校準是在開關位于位置 C 的情況下執(zhí)行的。用于斜率校準的衰減器值等于DUT增益規(guī)格的典型值。請注意，對于遠離執(zhí)行斜率校準時的值（10dB）的衰減，誤差仍然很小。數(shù)據(jù)支持增益非線性與V的假設出曲線最小，也表明只需要進行一次斜率校準。

圖5.MAX2016射頻輸入校準開關

審核編輯：郭婷