CN0187 針對(duì)高速、低功耗和3.3 V單電源而優(yōu)化的波峰因數(shù)、峰值和均方根RF功率測(cè)量電路

CN0187 對(duì)于需要較小RF檢波范圍的應(yīng)用，可以使用AD8363 均方根檢波器。AD8363檢波范圍為50 dB，工作頻率最高達(dá)6 GHz。對(duì)于非均方根檢波應(yīng)用，可使用AD8317/AD8318/AD8319或ADL5513 。這些器件提供不同的檢波范圍，輸入頻率范圍最高達(dá)10 GHz（有關(guān)詳情參見CN-0150）。 本電路使用EVAL-CN0187-SDPZ電路板和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)評(píng)估板。這兩片板提供120引腳的對(duì)接連接器，可以快速完成設(shè)置并評(píng)估電路性能。EVAL-CN0187-SDPZ板包含要評(píng)估的電路，如本筆記所述。SDP評(píng)估板與CN0187評(píng)估軟件一起使用，可從EVAL-CN0187-SDPZ電路板獲取數(shù)據(jù)。 設(shè)備要求 帶USB端口的Windows? XP、Windows Vista?（32位）或Windows? 7（32位）PC EVAL-CN0187-SDPZ電路評(píng)估板 EVAL-SDP-CB1Z SDP評(píng)估板 CN0187評(píng)估軟件 電源電壓：+6 V或+6 V壁式電源適配器 RF信號(hào)源 帶SMA連接器的同軸RF電纜 開始使用 將CN0187評(píng)估軟件光盤放入PC的光盤驅(qū)動(dòng)器，加載評(píng)估軟件。打開“我的電腦”，找到包含評(píng)估軟件光盤的驅(qū)動(dòng)器，打開Readme文件。按照Readme文件中的說(shuō)明安裝和使用評(píng)估軟件。 功能框圖 電路框圖參見本電路筆記的圖1，電路原理圖參見“EVAL-CN0187-SDPZ-SCH”pdf文件。此文件位于CN0187設(shè)計(jì)支持包中。 設(shè)置 EVAL-CN0187-SDPZ電路板上的120引腳連接器連接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)評(píng)估板上標(biāo)有“CON A”的連接器。應(yīng)使用尼龍五金配件，通過(guò)120引腳連接器兩端的孔牢牢固定這兩片板。使用適當(dāng)?shù)腞F電纜，通過(guò)SMA RF輸入連接器將RF信號(hào)源連接至EVAL-CN0187-SDPZ板。在斷電情況下，將一個(gè)+6 V電源連接到板上標(biāo)有+6 V和GND的引腳。如果有+6 V壁式電源適配器，可以將它連接到板上的管式插孔連接器，代替+6 V電源。SDP板附帶的USB電纜連接到PC上的USB端口。注意：此時(shí)請(qǐng)勿將該USB電纜連接到SDP板上的微型USB連接器。 測(cè)試 為連接到EVAL-CN0187-SDPZ電路板的+6 V電源（或壁式電源適配器）通電。,啟動(dòng)評(píng)估軟件，并通過(guò)USB電纜將PC連接到SDP板上的微型USB連接器。,如果“設(shè)備管理器”中列出了“ADI系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)”驅(qū)動(dòng)程序，則軟件能夠與SDP板通信。 一旦USB通信建立，就可以使用SDP板來(lái)發(fā)送、接收、捕捉來(lái)自EVAL-CN0187-SDPZ板的串行數(shù)據(jù)。 本電路筆記中的數(shù)據(jù)通過(guò)Rohde & Schwarz SMT-03 RF信號(hào)源和Agilent E3631A電源產(chǎn)生。信號(hào)源設(shè)定為圖表所示頻率，輸入功率按1 dB步進(jìn)，數(shù)據(jù)按1 dB增量記錄。 有關(guān)如何使用評(píng)估軟件來(lái)捕捉數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱CN0187評(píng)估軟件Readme文件。 有關(guān)SDP板的信息，請(qǐng)參閱SDP用戶指南。 經(jīng)測(cè)量的RF信號(hào)加在ADL5502上，RF輸入端的75 Ω端接電阻與ADL5502的輸入阻抗并聯(lián)，提供50 Ω寬帶匹配。更精確的電阻性或電抗性匹配可用于窄頻帶應(yīng)用（參見ADL5502數(shù)據(jù)手冊(cè)的“RF輸入接口”部分）。 ADL5502的內(nèi)部濾波器電容提供平方域內(nèi)的平均值，但在輸出端保留殘余交流信號(hào)。高峰均比信號(hào)（例如W-CDMA或CDMA2000）可在ADL5502 VRMS直流輸出端產(chǎn)生交流殘余電平。為減少這些低頻成分對(duì)波形形成的影響，需要一些額外的濾波處理。ADL5502的內(nèi)部平方域?yàn)V波器電容可通過(guò)在引腳1 (FLTR)與引腳2 (VPOS)之間連接CFLTR電容來(lái)增強(qiáng)。交流殘余電平則通過(guò)對(duì)VRMS輸出增加電容來(lái)進(jìn)一步減少。內(nèi)部100 Ω輸出電阻與添加的輸出電容共同形成低通濾波器，從而減少VRMS輸出端的輸出紋波（更多信息請(qǐng)參見ADL5502數(shù)據(jù)手冊(cè)的“選擇平方域?yàn)V波器”和“輸出低通濾波器”部分）。 要測(cè)量波形峰值，必須將控制線(CNTL)暫時(shí)設(shè)定為邏輯高電平（復(fù)位模式>1 μs），然后返回邏輯低電平（峰值保持模式）。這樣便可將ADL5502初始化至已知狀態(tài)。將器件設(shè)定為測(cè)量峰值時(shí)，應(yīng)切換峰值保持模式，且在此期間輸入rms功率和波峰因數(shù)(CF)不會(huì)改變。 如果ADL5502處于峰值保持模式，且CF從高變?yōu)榈停蛘咻斎牍β蕪母咦優(yōu)榈?，則會(huì)報(bào)告錯(cuò)誤峰值測(cè)量結(jié)果。ADL5502僅報(bào)告峰值保持模式啟動(dòng)，輸入功率或CF較高時(shí)發(fā)生的最高峰值。除非CNTL復(fù)位，否則PEAK輸出不會(huì)反映信號(hào)內(nèi)的最新峰值。 ADL5502能夠提供大約3 mA的VRMS輸出電流。輸出電流通過(guò)片內(nèi)100 Ω串聯(lián)電阻提供；因此，任何負(fù)載電阻都會(huì)利用該片內(nèi)電阻形成分壓器。建議用ADL5502 VRMS輸出驅(qū)動(dòng)高阻性負(fù)載，從而維持輸出擺幅。如果應(yīng)用需要驅(qū)動(dòng)低電阻負(fù)載（以及需要增加標(biāo)稱轉(zhuǎn)換增益的情況），則需要緩沖電路。 PEAK輸出專為驅(qū)動(dòng)2 pF負(fù)載而設(shè)計(jì)。建議用ADL5502 PEAK輸出驅(qū)動(dòng)低容性負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)完整輸出響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)在下降轉(zhuǎn)換期間跟蹤包絡(luò)時(shí)，較大容性負(fù)載的效應(yīng)尤其明顯。當(dāng)包絡(luò)處于下降轉(zhuǎn)換中，負(fù)載電容通過(guò)1.9 kΩ的片內(nèi)負(fù)載電阻放電。如果無(wú)法避免使用較大容性負(fù)載，可通過(guò)將PEAK輸出端的分流電阻接地抵消額外電容，從而實(shí)現(xiàn)快速放電。該分流電阻可以使ADL5502流過(guò)更高的電流，不應(yīng)低于500 Ω。 圖2至圖5中顯示了該電路的典型測(cè)量性能特征。 圖2.測(cè)得的VRMS輸出與輸入電平（對(duì)數(shù)比例）的關(guān)系，450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz，+3.3 V電源 ? 圖3.測(cè)得的VRMS輸出與輸入電平（線性比例）的關(guān)系，450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz，+3.3 V電源 ? 圖4.測(cè)得的PEAK輸出與輸入電平（對(duì)數(shù)比例）的關(guān)系，450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz，+3.3 V電源 ? 圖5.測(cè)得的PEAK輸出與輸入電平（線性比例）的關(guān)系，450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz，+3.3 V電源 ? 開啟時(shí)間和脈沖響應(yīng)明顯受平方域?yàn)V波器大小(FLTR)和連接至VRMS輸出的輸出分流電容影響。圖6（摘自ADL5502數(shù)據(jù)手冊(cè)）顯示輸出響應(yīng)與RFIN引腳上RF脈沖之間的曲線圖，帶0.1 μF輸出濾波器電容，無(wú)平方域?yàn)V波器電容(CFLTR)下降沿明顯與輸出分流電容相關(guān)。 圖6.輸出響應(yīng)與各種RF輸入脈沖電平的關(guān)系，3 V電源， 900 MHz頻率，平方域?yàn)V波器開啟，0.1 μF輸出濾波器 ? 要改善使能和脈沖響應(yīng)的下降沿，可與輸出分流電容并聯(lián)放置電阻。添加的電阻有助于輸出濾波器電容的放電。盡管該方法縮短了關(guān)斷時(shí)間，但添加的負(fù)載電阻也會(huì)衰減輸出（參見ADL5502數(shù)據(jù)手冊(cè)的“輸出驅(qū)動(dòng)能力”和“緩沖”部分）。圖7（摘自ADL5502數(shù)據(jù)手冊(cè)）顯示通過(guò)添加1 kΩ并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)的改良。 圖7.輸出響應(yīng)與各種RF輸入脈沖電平的關(guān)系，3 V電源， 900 MHz頻率，平方域?yàn)V波器開啟，0.1 μF輸出濾波器及1 kΩ并聯(lián)電阻 ? ADL5502的RMS和PEAK輸出經(jīng)過(guò)單位增益緩沖器，后者驅(qū)動(dòng)交叉耦合級(jí)，將單端輸出轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。AD7266的+2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源（通過(guò)DCAPA 和 DCAPB pins)引腳連接）則經(jīng)過(guò)另一個(gè)單位增益緩沖器和分壓器，這樣，網(wǎng)絡(luò)共模電壓即設(shè)定為+1.25 V。 AD7266可實(shí)現(xiàn)RMS和PEAK輸出的同時(shí)采樣，并在1 μs響應(yīng)時(shí)間內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過(guò)單一串行數(shù)據(jù)線提供。由于斜率和截距隨器件而改變，必須執(zhí)行板級(jí)校準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)高精度。一般而言，通過(guò)向ADL5502施加兩個(gè)輸入功率電平并測(cè)量相應(yīng)的輸出電壓來(lái)執(zhí)行校準(zhǔn)。選擇的校準(zhǔn)點(diǎn)一般應(yīng)在器件線性工作范圍內(nèi)，最佳擬合線通過(guò)下式計(jì)算轉(zhuǎn)換增益（或斜率）和截距來(lái)表征： 其中： VIN RFIN的rms VVRMSVRMS的電壓輸出。 計(jì)算增益和截距后，可得到一個(gè)公式，進(jìn)而根據(jù)測(cè)量的輸出電壓計(jì)算（未知）輸入功率。 對(duì)于理想（已知）輸入功率，測(cè)得的數(shù)據(jù)的法則一致性誤差可計(jì)算如下： 圖8和圖9顯示了25°C時(shí)VRMS與PEAK誤差曲線圖，這是校準(zhǔn)ADL5502時(shí)的溫度。注意，該誤差不為零，這是因?yàn)榧词笰DL5502在其工作區(qū)域內(nèi)，也無(wú)法完全符合理想線性公式。然而，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可以使校準(zhǔn)點(diǎn)處的誤差等于零。 圖8.測(cè)得的VRMS線性度誤差與輸入電平的關(guān)系，450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz，+3.3 V電源 ? 圖9.測(cè)得的PEAK線性度誤差與輸入電平的關(guān)系，450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz，+3.3 V電源 ? 已知VRMS和PEAK輸出特征（斜率和截距）時(shí)，便可完成CF計(jì)算的校準(zhǔn)。測(cè)量和計(jì)算任何波形的波峰因數(shù)必須采用三級(jí)過(guò)程。首先，必須將未知信號(hào)施加于RF輸入，并測(cè)量相應(yīng)的VRMS電平。該電平在圖10中表示為VVRMS-UNKNOWNRF輸入 input, VIN使用VVRMS-UNKNOWN和公式3計(jì)算。 圖10.波峰因數(shù)計(jì)算程序 ? 接下來(lái)，使用VIN 計(jì)算PEAK、VPEAK-CW的CW基準(zhǔn)電平（即輸入波形是CW信號(hào)時(shí)看到的輸出電壓）。 最后，測(cè)量PEAK、VPEAK-UNKNOWN的實(shí)際電平，CF可計(jì)算為>/p> 其中，VPEAK-CW 用作比較VPEAK-UNKNOWN的基準(zhǔn)點(diǎn)。如果兩個(gè)VPEAK值均相等，則CF為0 dB，如圖11中的CW信號(hào)所示（摘自ADL5502數(shù)據(jù)手冊(cè)）。在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，計(jì)算出的CF在0 dB線附近波動(dòng)。同樣，對(duì)于3 dB、6 dB和9 dB CF的復(fù)雜波形，計(jì)算結(jié)果精確地在CF電平附近波動(dòng)。 圖11. 報(bào)告的各種波形波峰因數(shù) ? 圖12. 測(cè)得的CW信號(hào)的波峰因數(shù)與輸入電平的關(guān)系，450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz，+3.3 V電源 ? 該電路或任何高速電路的性能都高度依賴于適當(dāng)?shù)?a href='http://www.ttokpm.com/v/tag/82/' target='_blank' class='arckwlink_none'>PCB布局，包括但不限于電源旁路、受控阻抗線路（如需要）、元件布局、信號(hào)布線以及電源層和接地層。（有關(guān)PCB布局的詳情，請(qǐng)參見MT-031教程、MT-101教程和 高速印刷電路板布局實(shí)用指南一文。, 有關(guān)本電路筆記的完整設(shè)計(jì)支持包，請(qǐng)參閱http://www.analog.com/CN0187-DesignSupport. CN0187 針對(duì)高速、低功耗和3.3 V單電源而優(yōu)化的波峰因數(shù)、峰值和均方根RF功率測(cè)量電路 圖1所示電路測(cè)量450 MHz至6 GHz的任意RF頻率下的峰值和rms功率，動(dòng)態(tài)范圍約為45 dB。測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)以便消除噪聲，并通過(guò)串行接口和集成基準(zhǔn)電壓源在12位SAR ADC的輸出端形成數(shù)字代碼。在數(shù)字域中執(zhí)行簡(jiǎn)單的兩點(diǎn)校準(zhǔn)。 ADL5502 是一款均值響應(yīng)（true rms)功率檢波器，內(nèi)置包絡(luò)檢波器，可以精確地測(cè)量調(diào)制信號(hào)的波峰因數(shù)(CF)。它可以用于450 MHz至6 GHz的高頻接收機(jī)和發(fā)射機(jī)信號(hào)鏈，包絡(luò)帶寬超過(guò)10 MHz。峰值保持功能允許利用較低采樣速率的ADC捕獲包絡(luò)中的短峰值。該器件的總功耗僅為3 mA (3 V)。 The ADA4891-4 是一款高速、四通道、CMOS放大器，兼具高性能、低成本優(yōu)勢(shì)。每個(gè)放大器的功耗僅為4.4 mA (3 V)。該放大器具有單電源供電能力，輸入電壓范圍可擴(kuò)展至負(fù)供電軌以下300 mV。軌到軌輸出級(jí)使輸出擺幅可以達(dá)到各供電軌50 mV以內(nèi)，以確保最大的動(dòng)態(tài)范圍。低失真和快速建立時(shí)間則使該器件成為此應(yīng)用的理想選擇。 AD7266 是一款雙通道、12位、高速、低功耗的逐次逼近型ADC，采用2.7 V至5.25 V單電源供電，采樣速率最高可達(dá)2 MSPS。這款器件內(nèi)置兩個(gè)ADC，兩者之前均配有一個(gè)3通道多路復(fù)用器和一個(gè)能夠處理30 MHz以上輸入頻率的低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器。功耗僅為3 mA (3 V)。此外還內(nèi)置一個(gè)2.5 V基準(zhǔn)電壓源。 電路采用ADP121的+3.3 V單電源供電，ADP121是一款低靜態(tài)電流、低壓差線性調(diào)節(jié)器，采用2.3 V至5.5 V電源供電，最大輸出電流為150 mA。驅(qū)動(dòng)150 mA負(fù)載時(shí)壓差僅為135 mV，這種低壓差特性不僅可改善功效，而且能使器件在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作。滿載時(shí)靜態(tài)電流低至30 μA，因此ADP121非常適合電池供電的便攜式設(shè)備使用。 ADP121可提供1.2 V至3.3 V范圍內(nèi)的輸出電壓，其性能經(jīng)過(guò)優(yōu)化，采用1 μF小型陶瓷輸出電容可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作。ADP121具有出色的瞬態(tài)響應(yīng)性能，所占電路板面積極小。短路保護(hù)和熱過(guò)載保護(hù)電路可以防止器件在不利條件下受損。ADP121提供5引腳TSOT和4引腳、0.4 mm間距無(wú)鹵素WLCSP兩種小型封裝，是適合各種便攜式應(yīng)用的業(yè)界最小尺寸解決方案。 圖1.高速、低功耗、波峰因數(shù)、峰值和功率測(cè)量系統(tǒng)（簡(jiǎn)化示意圖：未顯示去耦和所有連接） ? CN0187 圖1所示電路測(cè)量450 MHz至6 GHz的任意RF頻率下的峰值和rms功率，動(dòng)態(tài)范圍約為45 dB。測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)以便消除噪聲，并通過(guò)串行接口和集成基準(zhǔn)電壓源在12位SAR ADC的輸出端形成數(shù)字代碼。在數(shù)字域中執(zhí)行簡(jiǎn)單的兩點(diǎn)校準(zhǔn)。

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