圖1顯示的是一個(gè)廣泛使用的、基于二極管的RF檢波電路原理圖。可以把它看成一個(gè)帶有輸出濾波的簡(jiǎn)易半波整流器。輸入信號(hào)的正半周期正向偏置肖特基二極管，進(jìn)而對(duì)電容充電。在負(fù)半周期時(shí)，二極管反向偏置，導(dǎo)致電容上的電壓處于保持狀態(tài)，產(chǎn)生與輸入信號(hào)成比例的直流輸出。為了在輸入信號(hào)下降或關(guān)斷時(shí)讓此電壓下降，采用電阻與電容的并聯(lián)組合來(lái)提供放電路徑。

 

圖1. 基于二極管的肖特基RF檢波器

 

圖2顯示了此電路的傳遞函數(shù)。輸入功率以dB為單位調(diào)整，輸出電壓以對(duì)數(shù)垂直刻度表示。觀察25°C傳遞函數(shù)，發(fā)現(xiàn)曲線(xiàn)上有兩個(gè)不同的工作區(qū)間。稱(chēng)為線(xiàn)性區(qū)間的區(qū)域?yàn)檩斎敕秶捻敹?約15 dBm)到大約0 dBm。術(shù)語(yǔ)“線(xiàn)性區(qū)間”是由于該區(qū)域內(nèi)的輸出電壓與輸入電壓大致成比例而得名。

 

圖2. 基于二極管的肖特基RF檢波器傳遞函數(shù)

 

0 dBm以下是所謂的平方律區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，輸出電壓大致與輸入電壓的平方成比例。這導(dǎo)致曲線(xiàn)的斜率較高。

 

圖2還顯示了–40°C和+85°C溫度下的電路輸出電壓與輸入功率傳遞函數(shù)的關(guān)系。它表明0 dBm以下的功率電平偏差較大。這使得器件在溫度變化稍大的應(yīng)用中變得不穩(wěn)定。

 

有一些技術(shù)可在某種程度上緩解溫度漂移。這些技術(shù)包括引入第二個(gè)參考二極管作為電路的一部分，或者作為獨(dú)立電路，具有獨(dú)立的輸出。參考二極管的溫度漂移與主二極管匹配。通過(guò)減法處理(模擬域或數(shù)字域，具體根據(jù)電路結(jié)構(gòu)決定)，可在一定程度上消除漂移。

 

圖3顯示了ADL6010——一款基于二極管的集成式肖特基檢波器，具有大量的創(chuàng)新特性——在25 GHz時(shí)的傳遞函數(shù)。作為信號(hào)處理的一部分，輸入信號(hào)通過(guò)一個(gè)僅在信號(hào)低于特定功率電平時(shí)才執(zhí)行平方根操作的電路。躍遷點(diǎn)故意設(shè)置為等于二極管從平方律區(qū)間躍遷至線(xiàn)性區(qū)間的功率電平。因此，二極管的平方律效應(yīng)得以消除，而兩個(gè)區(qū)間的傳遞函數(shù)也不如圖1那么明顯了。

 

圖3. 25 GHz時(shí)集成式肖特基二極管檢波器的輸出電壓與輸入功率和線(xiàn)性度誤差的關(guān)系

 

圖3還顯示了從–55°C到+125°C范圍內(nèi)各種溫度的傳遞函數(shù)曲線(xiàn)。另外，還標(biāo)出了傳遞函數(shù)隨溫度發(fā)生的變化。將25°C傳遞函數(shù)的線(xiàn)性回歸作為基準(zhǔn)，以dB為單位標(biāo)出每一溫度下的誤差。由于集成式溫度補(bǔ)償電路和平方律消除電路的作用，可以看到在輸入的絕大部分范圍內(nèi)，線(xiàn)性度和溫度漂移產(chǎn)生的誤差大約為±0.5 dB。

 

 

雖然有時(shí)候會(huì)在模擬電源控制環(huán)路中使用RF和微波檢波器1，但更普遍的是構(gòu)建一個(gè)數(shù)字電源控制環(huán)路，如圖4所示。在這些應(yīng)用中，功率檢波器的輸出采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化處理。在數(shù)字域中，使用來(lái)自ADC的碼來(lái)計(jì)算功率電平。一旦獲得了功率電平，系統(tǒng)就會(huì)作出響應(yīng)，按需調(diào)節(jié)傳輸功率。

 

圖4. 典型的數(shù)控RF功率控制環(huán)路

 

雖然此環(huán)路的響應(yīng)時(shí)間只在較少程度上依賴(lài)于檢波器響應(yīng)時(shí)間，但ADC采樣速率和功率控制算法速度的影響會(huì)大得多。

 

環(huán)路測(cè)量以及精確設(shè)置RF功率電平的能力受一系列因素影響，包括RF檢波器的傳遞函數(shù)和ADC分辨率。為了更好地理解這一點(diǎn)，讓我們進(jìn)一步看看檢波器的響應(yīng)。圖5將基于二極管的檢波器ADL6010在20 GHz時(shí)的響應(yīng)與微波對(duì)數(shù)放大器HMC1094進(jìn)行對(duì)比。對(duì)數(shù)放大器具有線(xiàn)性dB的傳遞函數(shù)，其輸入功率的1 dB變化始終導(dǎo)致輸出端具有相同的電壓變化(大約–50 dBm至0 dBm的線(xiàn)性輸入范圍)。相比之下，在橫軸采用dB刻度以及線(xiàn)性縱軸用于輸出電壓的情況下，諸如ADL6010等基于二極管的檢波器具有指數(shù)形式的傳遞函數(shù)。

 

圖5. 線(xiàn)性dB對(duì)比

 

由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)單位為位/電壓，這意味著以dB/位表示的系統(tǒng)分辨率會(huì)隨著輸入功率的下降而不斷下降。圖5中的曲線(xiàn)還顯示了位/dB分辨率，可由ADL6010以5 V滿(mǎn)量程電壓驅(qū)動(dòng)一個(gè)12位ADC實(shí)現(xiàn)(為了方便查看，該曲線(xiàn)以對(duì)數(shù)副軸標(biāo)記刻度)。在器件功率范圍的低端約–25 dBm處，遞增斜率約為每dB2位，從而使分辨率約為0.5 dB/位。這表示一個(gè)12位ADC足以在滿(mǎn)量程范圍內(nèi)精確解析ADL6010輸出。

 

隨著RF輸入功率的增加，以位/dB為單位的遞增斜率將在15 dBm的最大輸入功率下穩(wěn)步上升至大約300位/dB的最大值。這對(duì)于RF功率控制應(yīng)用而言是有價(jià)值的；當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到最大功率時(shí)，這類(lèi)應(yīng)用的精度性能至關(guān)重要。RF檢波器用來(lái)測(cè)量和控制高功率放大器(HPA)是一個(gè)非常典型的應(yīng)用場(chǎng)景。在那些經(jīng)常需要控制功率以防HPA過(guò)熱的應(yīng)用中，以最大功率進(jìn)行高分辨率功率測(cè)量具有極大的價(jià)值。

 

相比之下，圖5中的HMC1094對(duì)數(shù)放大器傳遞函數(shù)還顯示出它在線(xiàn)性工作范圍內(nèi)的斜率不變。這意味著若要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)低于1 dB的分辨率，則使用較低分辨率的ADC (10位甚至8位)就足夠了。

 

在圖6顯示的應(yīng)用電路中，ADL6010與AD7091對(duì)接，后者是一個(gè)12位精密ADC，采樣速率最高為1 MSPS。該ADC內(nèi)置2.5 V基準(zhǔn)電壓源，可設(shè)置滿(mǎn)量程輸入電壓。由于ADL6010檢波器可達(dá)到的最大電壓約為4.25 V，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器便可將該電壓向下調(diào)節(jié)，從而使其永不超過(guò)2.5 V。這種調(diào)節(jié)可以在沒(méi)有運(yùn)算放大器緩沖器的情況下完成部署。輸入功率范圍下限處可以實(shí)現(xiàn)的dB/位分辨率與上文示例類(lèi)似(即大約0.5 dB/位)。2

 

圖6. 集成式微波功率檢波器與精密ADC接口

 

 

與分立式部署相比，集成式RF和微波檢波器具有眾多優(yōu)勢(shì)。集成式溫度補(bǔ)償電路提供即用型輸出電壓，其在寬溫度范圍內(nèi)可以穩(wěn)定在±0.5 dB左右。使用內(nèi)部平方根函數(shù)可以有效消除低輸入功率電平時(shí)的平方律特性。這樣便可具有單個(gè)線(xiàn)性傳遞函數(shù)，使器件校準(zhǔn)更為方便。集成式檢波器的緩沖輸出可以直接驅(qū)動(dòng)ADC，不必?fù)?dān)心負(fù)載會(huì)影響計(jì)算精度。選擇和設(shè)計(jì)ADC時(shí)必須仔細(xì)，以便在低輸入功率下具有足夠的位/dB。