基于AD8302的RF信號精確增益/相位測量

電子電路分為兩大類 - 處理和轉(zhuǎn)換信號的那些以及測量信號的那些。它們的功能經(jīng)常被組合在一起，如接收器的IF部分 - 處理信號（通過放大和解調(diào)），并且還提供接收信號強(qiáng)度（RSSI功能）的指示，可以是緩慢變化的電壓。顯示和/或用于自動控制變量，如增益和頻率（AGC和AFC）。

測量射頻信號強(qiáng)度的電路，其基本指標(biāo)是功率，通常是稱為探測器，但只有熱電堆（輻射熱測量計）直接測量 。集成電路檢測器總是對要測量的信號的電壓樣本進(jìn)行操作。這類電路按其提供的信號變換類型進(jìn)行分類。 1976年，ADI公司提供了第一款用于中等頻率的單片“真有效值”探測器?，F(xiàn)在，該產(chǎn)品系列包括AD8361等已將此功能擴(kuò)展到微波域的設(shè)備。在諸如CDMA的現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，信號功率的精確確定（與其波形無關(guān)，另外說明，其概率密度函數(shù)）是重要的。與熱探測器不同，這些真有效值探測器使用模擬計算直接實現(xiàn)千兆赫頻率的相關(guān)方程。

另一種有價值的射頻探測器（也使用計算）是解調(diào)對數(shù)放大器。顧名思義，它放大信號，允許這類設(shè)備測量小信號，并且解調(diào)交替的RF波形到緩慢變化的“準(zhǔn)”直流“輸出。然而，與rms檢測器不同，其輸出與輸入電壓的均方根值成比例，對數(shù)檢測器提供與信號電平的分貝值成比例的輸出，參考固定的電壓， V INT （定義如下）。輸出（通常是電壓）可以用電壓或功率來解釋，只需使用一個稱為“斜率”的縮放參數(shù)的不同值即可。

對于RF對數(shù)放大器，有必要對所有信號和縮放參數(shù)使用電壓指標(biāo)。為了定義輸入電平，我們將使用dBV（這里意味著相對于1 V rms的分貝）而不是指“功率”，單位為dBm（相對于1 mW的分貝）。這是明確的，與輸入接口處的阻抗選擇無關(guān)，并且適用于IC檢測器。例如，0 dBV對應(yīng)于2.83-V峰 - 峰幅度的正弦波;類似地，-60 dBV指的是2.83-mV pp正弦波。

這些RF對數(shù)檢測器的操作符合如下函數(shù)：

V OUT = V SLP 日志（ V SIG / V 《子》 INT 的）《跨度》 （1）

如果選擇基數(shù)為10的對數(shù)［log 10 （10）= 1 decade］，考慮到分貝，斜率電壓 V SLP 《 / em》，可以在電壓比的對數(shù)的縮放中以“每十倍電壓”來觀察。由于十年內(nèi)有20分貝，相應(yīng)的“伏特/分貝”僅為該電壓的二十分之一。因此，對于400 mV / decade的 V SLP ，斜率也可以表示為20 mV / dB。第二個縮放參數(shù)，稱為“攔截”， V INT ，是log參數(shù)為1的輸入電壓。在此電壓下，獨立于基極的選擇，輸出將為零，因為log（1）= 0.實際上，RF對數(shù)放大器中的有限可用增益，噪聲的存在以及其他實際限制導(dǎo)致值對于 V INT 這是一個外推值，通常只有幾微伏，并且由設(shè)計修復(fù)。

A然后出現(xiàn)關(guān)于 V INT 代表什么的精確解釋的問題。這個數(shù)量是“伏特直流”，還是“伏特有效值”？或者它是一些其他指標(biāo)，例如簡單的平均值，還是峰值？對于從一個級別到另一個級別的比率的測量， V INT 的值是不重要的。但是，在需要確定 V SIG 的絕對級別時，測量精度直接取決于 V 《的值《 sub》 INT 的方式與DVM中的參考電壓相同。

RF對數(shù)放大器的近距離研究，使用 1技術(shù)稱為“漸進(jìn)式壓縮”，顯示了經(jīng)典對數(shù)放大器實踐中未遇到的另一種效應(yīng)，即 V INT 的有效值強(qiáng)烈依賴于《 em》輸入信號的波形。因此，我們選擇為正弦輸入定義 V INT ，然后為各種其他波形提供轉(zhuǎn)換因子。

實際上，在未經(jīng)修整的生產(chǎn)IC中對VINT的控制不能像精確RF測量中經(jīng)常需要的那樣精確。激光微調(diào)首先用于AD640 / 641中的RF對數(shù)放大器，最近用于AD8306等產(chǎn)品，可以在校準(zhǔn)期間使用正弦波輸入提供非常精確的校準(zhǔn)。然而，雖然對已知波形使用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換因子可以保持良好的精度，但仍存在波形依賴的基本問題。這在現(xiàn)代系統(tǒng)中存在問題，其中波形未知并且可以快速變化。

信號比率測量到2.5 GHz

這個問題已在AD8302中通過使用兩個相同的對數(shù)放大器以單片形式集成，如圖1所示。每個通道都能夠測量60 dB范圍內(nèi)的信號，從極低頻率到2.5 GHz。 幅度（“增益”）輸出的定義函數(shù)是

V MAG = V SLP 日志（ V A / V B ）+ V 《子》 CP 《跨度》 （2）

其中 V A 和 V B 是兩個獨立的信號，應(yīng)用于兩個相同的輸入端口AD8302和 V CP 是中心點，定義為輸出值 V MAG ，電平差為0 dB。 （ V SLP 和 V CP 是設(shè)計選擇，考慮到易用性;兩者都是可追溯到帶隙參考）。

通過獲取兩個獨立對數(shù)放大器輸出的差值，AD8302中消除了公式1的慣常固定截距。此關(guān)鍵步驟計算比率的對數(shù)（ V A / V B ）*（ V 《子》 INTB / V 《子》 INTA 的）;并且，由于對數(shù)放大器是相同的，第二項非常準(zhǔn)確地統(tǒng)一，與溫度，電源電壓和眾多的生產(chǎn)差異無關(guān)。

這種優(yōu)雅的固定截距消除導(dǎo)致高度精確的測量信號電平，在許多應(yīng)用中。對log參數(shù)準(zhǔn)確性的主要限制現(xiàn)在是兩個共同集成通道的匹配。這種新穎的結(jié)構(gòu) 2 開辟了許多測量可能性，否則需要使用兩個不同的對數(shù)放大器，它們在斜率和截距校準(zhǔn)方面具有固有的差異。 AD8302是第一款允許直接測量交流信號比的IC。這種獨特的功能可以在很寬的頻率范圍內(nèi)測量兩個信號端口之間的增益/損耗和相對相位（見下文），在許多其他應(yīng)用中都具有價值。

圖2顯示了輸出電壓變化與信號比的函數(shù)關(guān)系（例如，可能對應(yīng)于被監(jiān)控信道的增益或損耗），頻率范圍為900 MHz至2.2千兆赫。提供給通道B的信號電平是固定的，而通道A處的信號電平相對于通道B從-30 dB變化到+30 dB。輸出 V MAG ，演示精確斜率 V SLP ，20 mV / dB，中心點 V CP ， 900 mV。與理想對數(shù)定律的極小偏差（圖2b）證明了使用共積分對數(shù)放大器的價值。

相對相位測量到2.5 GHz

AD8302還可以測量兩個信號之間的相位差，從低頻到2.5 GHz。每個單獨的對數(shù)放大器在其最后階段產(chǎn)生“硬限制”輸出。這些信號被應(yīng)用于新型乘法器式相位檢測器的兩個輸入端，該相位檢測器關(guān)于其兩個輸入和180°范圍具有精確對稱性。相位輸出 V PHS 由下式給出，

V PHS =±V F （F - 90°）+ V CP （3）

其中 V F 是相位輸出的定標(biāo)電壓，（F是兩個輸入之間的相位差。符號的選擇取決于哪兩個象限構(gòu)成由于包含此功能，AD8302成為“片上網(wǎng)絡(luò)分析儀”。

圖3顯示了900 MHz，1.9 GHz和2.2 GHz的相位測量。通過略微偏移兩個輸入頻率并允許角度累積，產(chǎn)生相位差，作為“滑動”。 V PHS 輸出的斜率為10 mV /度，以 V CP 為中心，為900 mV。當(dāng)相位滑動180°時，斜率的交替符號是明顯的。圖3b顯示了測量誤差。 0°和180°附近誤差的快速增加主要是由于硬限制信號的有限上升和下降時間引起的死區(qū).AD8302在這些頻率上精確測量相位的獨特能力是兩個緊密集成的對數(shù)放大器的良好平衡的結(jié)果。

使用AD8302

這些用于測量增益/損耗的新功能和在許多RF和IF應(yīng)用中，兩個信號端口之間的相對相位將是有價值的。該“片上網(wǎng)絡(luò)分析儀”的功能，多功能性和緊湊的外形非常適用于原位診斷和系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)控以及反饋和饋送 - 子系統(tǒng)的前向線性化和控制。以下是AD8302的一些應(yīng)用。

現(xiàn)在可以使用已知的交流參考來測量絕對信號電平。如圖4所示，應(yīng)用于通道B的參考信號創(chuàng)建了一個有效的值截距 V B 。當(dāng)兩個信號具有相似的波形時，測量可以非常準(zhǔn)確。如果可以確保兩個輸入的幅度接近相等，則即使由斜率電壓的不確定性引起的誤差也可以最小化（原則上消除）。這通常是一個簡單的事情，使用較大信號上的衰減器墊來定位比率 V A / V B 接近統(tǒng)一。當(dāng)需要最高精度或必須處理非常大的動態(tài)范圍時，對中技術(shù)很有價值。

AD8302最有用的應(yīng)用是監(jiān)控和報告功能的獲得或丟失塊或子系統(tǒng)。在圖5所示的示例中，監(jiān)視標(biāo)稱增益為20 dB的500 MHz IF放大器的輸入和輸出信號樣本。通過使用衰減器和耦合器，兩個信號被調(diào)節(jié)為具有相同的一般幅度。增益響應(yīng)顯示中等規(guī)模的低頻值，對應(yīng)于放大器的20 dB電平差和約500 MHz的3 dB帶寬。該示例中的功能塊可以是頻率轉(zhuǎn)換設(shè)備，例如混頻器。在這種情況下，兩個輸入將處于不同的頻率，測量的數(shù)量將是轉(zhuǎn)換增益。由于波形保持相似，因此再次消除了該誤差源。但是，當(dāng)輸入頻率差別很大時，由于阻抗匹配的不等式和千兆赫區(qū)域內(nèi)兩個對數(shù)放大器的縮放的頻率依賴性，可能會發(fā)生系統(tǒng)偏移。

在許多通信系統(tǒng)中，存在向外部接口端口提供的不可預(yù)測的負(fù)載。此負(fù)載的變化可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能發(fā)生變化，甚至在極端情況下導(dǎo)致災(zāi)難性故障。提供以RF方式監(jiān)視負(fù)載阻抗或反射系數(shù)的方法是非常有價值的 - 而不會干擾它。在圖6中，AD8302配置為測量任意負(fù)載的反射系數(shù)，在這種情況下，它是一個PIN二極管，其偏置被掃描以改變其阻抗。響應(yīng)曲線中的陷波表示與50歐姆特性線阻抗的近似匹配，其中反射信號幾乎為零。

多功能性和易用性

AD8302提供多種其他操作模式，精心規(guī)劃的結(jié)果以及這種不尋常結(jié)構(gòu)的基本通用特性。前面的示例演示了AD8302的典型測量模式，其中 V MAG 和 V PHS 輸出報告其輸入之間的信號電平和相位差。但是，傳輸功能的內(nèi)置標(biāo)定和中心點可以使用外部電阻和VREF引腳提供的1.80 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行調(diào)整。

通過斷開輸出引腳與反饋引腳的連接，MSET和PSET，實現(xiàn)增益和相位比較器，如圖7所示。這里， V MAG 和 V PHS 輸出在0 V和1.8 V的最大輸出電壓之間切換，具體取決于信號電平和相位差是否大于或小于提供給MSET的閾值和PSET引腳。

在 controller 模式下，如圖8所示，VMAG和VPHS引腳驅(qū)動信號鏈中包含的增益/相位調(diào)整器監(jiān)控，以便將系統(tǒng)的整體增益和相位伺服到MSET和PSET引腳所需的設(shè)定點。

AD8302在其輸入端具有寬頻率范圍，范圍從任意低頻（甚至音頻）到2.5 GHz。對數(shù)放大器的寬動態(tài)范圍不僅適應(yīng)相對信號電平的大的變化，而且還適應(yīng)絕對電平的變化。表示幅度和相位差的輸出量具有30MHz的最大小信號包絡(luò)帶寬;這可以通過增加外部濾波電容來減少。

AD8302首次使用先進(jìn)的雙極性工藝以單片形式提供這種強(qiáng)大的計算功能。卓越的對數(shù)放大器匹配，高頻能力以及增益和相位測量的精確縮放，所有這些都占用空間小，為非侵入式方式的RF和IF系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測和控制開辟了新的機(jī)會。采用2.7 V至5.5 V電源供電時，電流僅為20 mA。該產(chǎn)品采用14引腳TSSOP封裝。