今天的RF功率檢測器將滿足3G應(yīng)用需要嗎？

差不多一個(gè)世紀(jì)以來，一直采用二極管整流器電路進(jìn)行信號(hào)電平檢測。采用非常簡單的半波整流電路就可以實(shí)現(xiàn)這種檢測功能，這種電路一般包括整流二極管、濾波電容和電阻，或者一個(gè)RF扼流圈外加一個(gè)次級(jí)電容，這兩個(gè)最簡單的檢測器電路都是半波整流器。

直到20世紀(jì)的早期，固態(tài)檢測器還是由類似于方鉛礦(鉛硫化物)的晶體組成的。當(dāng)用金屬接觸方鉛礦時(shí)方鉛礦就會(huì)產(chǎn)生整流特性。后來改進(jìn)的一種檢測器是點(diǎn)接觸二極管，它由均勻攙雜的半導(dǎo)體組成，其中釘入了一個(gè)非常小的尖角金屬須，通常這個(gè)金屬須是用鎢制造的，在金屬須與半導(dǎo)體接觸的地方就形成了整流結(jié)，金屬須就成了二極管的正極。

今天，點(diǎn)接觸二極管還在生產(chǎn)。這些二極管產(chǎn)生的正向電壓非常低，其寄生電容也非常小，卻具有相當(dāng)高的反向擊穿電壓，這些特性是這種二極管被用做檢測器的優(yōu)勢所在。點(diǎn)接觸二極管也是一個(gè)廣泛應(yīng)用的載波器件，具有良好的高頻信號(hào)整流能力，許多雷達(dá)和通訊接收器就使用了點(diǎn)接觸二極管檢測器。

不過，點(diǎn)接觸二極管有兩個(gè)主要的缺點(diǎn)，首先它非常脆，而且很難重復(fù)生產(chǎn)，振動(dòng)或機(jī)械沖擊就能引起金屬須移位，甚至?xí)簳r(shí)性地或永久性地失去與半導(dǎo)體的接觸，因此這種檢測器的可靠性就大打折扣，特別對移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用更是如此。

點(diǎn)接觸二極管的RF性能受到如下因素的影響：裸片上觸點(diǎn)的位置、金屬須對結(jié)施加的壓力，在形成接觸點(diǎn)所要求的作用力下金屬須的變形。確實(shí)，有時(shí)制造商會(huì)“修正”點(diǎn)接觸二極管，換句話說，制造商測量二極管的性能，然后用錘敲打它們來調(diào)整觸點(diǎn)。

PN結(jié)二極管解決了點(diǎn)接觸二極管的機(jī)械易碎問題，當(dāng)然也帶來了其它一些問題。PN結(jié)二極管是通過將一層P型摻雜半導(dǎo)體與一層N型摻雜半導(dǎo)體組合在一起形成的二極管。PN結(jié)的正向電壓比點(diǎn)接觸結(jié)的正向電壓高出很多，這取決于所使用的半導(dǎo)體材料。例如，一個(gè)鍺二極管的正向電壓大約為400mV，而一個(gè)硅二極管所產(chǎn)生的正向電壓約為700mV，一個(gè)砷化鎵(GaAs)PN結(jié)二極管則可以產(chǎn)生大約1.2V的正向電壓。

PN結(jié)二極管的高正向電壓限制了它對非常小的信號(hào)的靈敏度。與點(diǎn)接觸二極管相比，PN結(jié)二極管的結(jié)電容也大一個(gè)數(shù)量級(jí)或更大。在正偏壓作用下，PN結(jié)會(huì)在耗盡層臨時(shí)儲(chǔ)存少許的電荷載流子，當(dāng)了讓二極管實(shí)現(xiàn)整流，這些電荷那么從耗盡層導(dǎo)出要么與空穴重新結(jié)合，在后一種情況下這個(gè)過程需要花數(shù)微秒的時(shí)間才能完成，這樣PN結(jié)二極管整流高頻信號(hào)的能力就很差，所以，RF檢測器幾乎不使用PN結(jié)二極管。

現(xiàn)在，我們來看一下肖特基二極管檢測器。這種二極管具備點(diǎn)接觸二極管的許多優(yōu)點(diǎn)，但沒有機(jī)械易碎的毛病，它是通過在均勻摻雜的半導(dǎo)體片上沉積一層非常薄非常小的金屬層而形成的，由于是物理接觸，所以就迫使金屬層與半導(dǎo)體的費(fèi)爾米水平相等，金屬作用與半導(dǎo)體材料電子吸引力之差就決定了勢壘的高度，也就決定了結(jié)的正向電壓。

市面上一般提供四種硅肖特基二極管，高勢壘正向電壓近600mV，中等勢壘正向電壓大約為330mV，而低勢壘硅肖特基二極管的正向電壓為280mV，零偏壓檢測器的正向電壓為180mV。砷化鎵肖特基二極管的正向電壓可以達(dá)到近700mV。像點(diǎn)接觸二極管一樣，肖特基二極管也是以多數(shù)載流子導(dǎo)電的器件，因此它們開關(guān)阻抗的速度非?？?，大多數(shù)情況都在1ns以內(nèi)。

肖特基二極管的結(jié)可以做得非常小，因此其結(jié)電容也相應(yīng)很小。這兩個(gè)因素使肖特基二極管成為高頻微波和低頻至毫米波頻率應(yīng)用的優(yōu)良選擇。需要注意的是肖特基二極管對靜電放電非常敏感，也很容易損壞。

固態(tài)溫度計(jì)

所有這些二極管的性能對溫度的變化都很敏感。確實(shí)，在許多電子溫度調(diào)節(jié)裝置中，PN結(jié)二極管被用作溫度傳感器。在這種情況下，二極管檢測器的輸出電壓就不僅僅是輸入信號(hào)幅值的函數(shù)了，它也是結(jié)溫的函數(shù)，這一特性使得我們必須對檢測器電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，增加一個(gè)二極管可以進(jìn)行有限程度的補(bǔ)償。要獲得更有效的補(bǔ)償，就需要增加一個(gè)二極管(作為溫度計(jì))和一個(gè)差動(dòng)放大器。實(shí)際的檢測器電路并不像最初的電路這么簡單。

二極管檢測器的傳遞函數(shù)可以劃分為不同的兩個(gè)區(qū)域，即所謂的“平方律區(qū)”和“線性區(qū)”(見圖1)。平方律區(qū)適應(yīng)于非常小的輸入信號(hào)，在這個(gè)區(qū)域所檢測的輸出電壓正比于輸入信號(hào)電壓的平方。對于更大的輸入信號(hào)，檢測器則隨輸入信號(hào)電壓線性地變化。

這里討論的所有二極管都有這種現(xiàn)象。不過，還是有一個(gè)區(qū)別，對于每一種結(jié)，發(fā)生這種轉(zhuǎn)換(躍遷)時(shí)的輸入信號(hào)電平是不相同的。這個(gè)從平方律區(qū)域向線性區(qū)的轉(zhuǎn)換并不是當(dāng)輸入信號(hào)電壓逐漸接近轉(zhuǎn)換區(qū)域時(shí)突然發(fā)生的，準(zhǔn)確地說，它是逐漸發(fā)生的，所以在檢測輸入信號(hào)電壓時(shí)幾乎不會(huì)產(chǎn)生誤差。

對數(shù)放大器

對于頻率高達(dá)8GHz的信號(hào)，IC檢波對數(shù)放大(log-amp)檢測器相比二極管檢測器來說具有許多優(yōu)點(diǎn)。在輸入動(dòng)態(tài)范圍、輸入靈敏度及溫度穩(wěn)定性方面，設(shè)計(jì)優(yōu)良的log-amp相比二級(jí)管檢測器來說更好。檢波對數(shù)放大器由一系列級(jí)聯(lián)的線性放大器單元組成，這些放大器單元的增益一般來說都是相同的，都在6-12 dB之間，具體值取決于不同的設(shè)計(jì)目的。封包檢測器與每個(gè)增益級(jí)相連，在第一個(gè)增益級(jí)的輸入端。

像AD8306這樣的精密對數(shù)放大器的總電壓增益可以達(dá)到120dB(百萬分之一的因子)。即使在放大器初級(jí)沒有輸入信號(hào)，輸出級(jí)也接近于抑制狀態(tài)。這個(gè)抑制狀態(tài)是由逐級(jí)放大的內(nèi)部噪聲造成的。當(dāng)輸入信號(hào)幅值增大時(shí)，每個(gè)增益級(jí)就進(jìn)入抑制狀態(tài)，抑制狀態(tài)開始于輸出級(jí)，并逐漸延伸到輸入級(jí)。

與這些增益級(jí)輸出端相連的檢測器會(huì)產(chǎn)生與這些點(diǎn)的信號(hào)電壓成比例的電流，所有輸出電流之和與輸入信號(hào)幅值存在對數(shù)關(guān)系，檢測到的輸出信號(hào)相對于輸入電壓呈線性增益變化，對數(shù)放大器檢測器的線性增益響應(yīng)特性有兩個(gè)優(yōu)于平方律檢測器的重要優(yōu)點(diǎn)。

由于其對數(shù)關(guān)系，非常大的輸入電壓變化可以用相對較小的檢測器輸出電壓變化來表示。就增益dB而言，在整個(gè)額定的輸入信號(hào)范圍內(nèi)對數(shù)放大檢測器具有良好的穩(wěn)定的靈敏度。另外，對數(shù)放大器一般由數(shù)百個(gè)晶體管組成，因此增加幾個(gè)用于溫度補(bǔ)償?shù)木w管幾乎不會(huì)增加額外的成本，還可以大大簡化采用對數(shù)放大檢測器電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的工程師的任務(wù)。

隨著對數(shù)放大器輸入電壓波峰因數(shù)的增加，對數(shù)放大器的輸出電壓將發(fā)生平移(傳遞函數(shù)垂直平移，mV/dB不變)，以響應(yīng)輸入信號(hào)電壓峰值的變化。表1中給出了各種輸入電壓的校正因數(shù)。如果不知道信號(hào)的波峰因數(shù)，那么解釋對數(shù)放大器輸出時(shí)就有可能產(chǎn)生錯(cuò)誤，例如在呼叫負(fù)載和載波功率不斷改變的多路載波W-CDMA基站發(fā)射機(jī)應(yīng)用中就可能遇到這種情況。由于二極管檢測器也不具有均方根響應(yīng)特性，所以波峰因數(shù)對二極管檢測器也有同樣的影響。

自動(dòng)增益控制對數(shù)放大檢測器

圖2中給出了TruPwr指數(shù)AGC對數(shù)放大檢測器的簡化框圖。這里RF信號(hào)電壓被加到微分可變鏈?zhǔn)剿p器上，衰減器的輸出傳遞給一個(gè)固定增益放大器。鏈?zhǔn)剿p器的衰減率由高斯內(nèi)插轉(zhuǎn)發(fā)器來控制，這三個(gè)單元構(gòu)成了類似于AD8367 VGA中所發(fā)現(xiàn)的X-AMP結(jié)構(gòu)。

RF輸入信號(hào)接到微分鏈?zhǔn)剿p器的輸入端，后者由數(shù)個(gè)6dB的級(jí)聯(lián)段組成，在這些級(jí)聯(lián)段之間的每個(gè)結(jié)點(diǎn)都接有跨導(dǎo)單元，同時(shí)這些跨導(dǎo)單元還連接到第一段的輸入和最后一段的輸出上，通過接通一個(gè)跨導(dǎo)而斷開其它跨導(dǎo)就可以獲得6dB及數(shù)倍的衰減。

如果要求衰減必須在6dB的倍數(shù)之間，接通相應(yīng)大小的跨導(dǎo)即可，在高斯轉(zhuǎn)發(fā)器的控制下這些跨導(dǎo)的輸出迭加在一起，高斯轉(zhuǎn)發(fā)器控制跨導(dǎo)的大小以產(chǎn)生正確的輸出信號(hào)幅值。這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器負(fù)責(zé)對規(guī)律曲線中的紋波進(jìn)行處理。

接下來，放大器的輸出被加到平方運(yùn)算單元，這個(gè)平方運(yùn)算單元的輸出電流再加到內(nèi)部迭加結(jié)點(diǎn)。一個(gè)穩(wěn)定的片內(nèi)電壓基準(zhǔn)產(chǎn)生的電壓通過緩沖器加到第二個(gè)同樣的平方運(yùn)算單元，其輸出電流與信號(hào)路徑平方運(yùn)算單元的輸出電流相減，然后由內(nèi)外部電容均分，所產(chǎn)生的電壓緩沖后加到定點(diǎn)電路的輸入端。

然后定點(diǎn)電路將這個(gè)電壓衰減或放大后加到可變鏈?zhǔn)剿p器的衰減控制端，鏈?zhǔn)剿p器自動(dòng)調(diào)節(jié)衰減率，直到加在信號(hào)路徑平方運(yùn)算單元上的信號(hào)達(dá)到目標(biāo)值。當(dāng)流出信號(hào)路徑平方運(yùn)算單元的平均電流等于流入基準(zhǔn)路徑平方運(yùn)算單元的電流時(shí)，就會(huì)達(dá)到上述狀態(tài)：

當(dāng)這個(gè)狀態(tài)存在時(shí)，有：

這里VATG是加在VTGT腳上的衰減/放大目標(biāo)電壓。

當(dāng)達(dá)到這個(gè)狀態(tài)時(shí)，緩沖放大器輸出電壓就與輸入信號(hào)均方根電壓的對數(shù)成比例，這個(gè)值直接與輸入信號(hào)功率成比例。正如與解調(diào)對數(shù)放大器的情況一樣，其響應(yīng)特性也是線性增益(dB)特性。在這個(gè)系統(tǒng)中，不需要進(jìn)行平方根運(yùn)算，在設(shè)計(jì)這個(gè)電路時(shí)正確選擇基準(zhǔn)路徑電流值。

就性能而言，對于波峰因數(shù)大的輸入信號(hào)，與均方根-直流檢測器相比，指數(shù)AGC對數(shù)放大器有了一定的改進(jìn)。與輸入信號(hào)為純正弦波情況下的性能相比，15個(gè)呼叫負(fù)載的WCDMA信號(hào)的平均誤差只有0.5dB。

利用抖動(dòng)特性可以進(jìn)一步改善指數(shù)AGC對數(shù)放大器的性能。取決于所測量輸入信號(hào)的類型，可以加一個(gè)噪聲信號(hào)到VSET或VTGT引腳上。這樣做的目的是以減小定律適應(yīng)曲線的紋波幅值這樣一種方式來運(yùn)用高斯轉(zhuǎn)發(fā)器。

無論在什么情況下，諸如CDMA或WCDMA這樣的RF輸入信號(hào)與噪聲類似，則應(yīng)該使用改進(jìn)的對數(shù)放大電路(圖3)。連接到低通轉(zhuǎn)角頻率(CLPF)引腳的外部濾波電容是有意選擇用來對加到緩沖放大器的凈電流進(jìn)行非常細(xì)小的濾波處理，但這個(gè)濾波處理足以有效地平均輸入信號(hào)電壓的平方。

這樣，放大器的輸出電壓帶有很大的噪聲成分，但是其平均值處于正確電壓的中心，對應(yīng)于輸入信號(hào)電壓的均方根值。這個(gè)幅值大約在300mVp-p的嘈雜信號(hào)直接被加到定點(diǎn)電壓輸入端VSET。 這樣迫使控制輸入信號(hào)衰減的高斯轉(zhuǎn)發(fā)器在平衡AGC回路所必需的電壓值上下波動(dòng)，所產(chǎn)生的衰減就更加依賴于輸入信號(hào)電壓的均方根值，而與高斯轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)部的衰減紋波有較弱的依賴關(guān)系，簡單點(diǎn)說，就是規(guī)律曲線中的紋波被扁平化了。

如果像CW正弦波或FM信號(hào)一樣，輸入信號(hào)具有恒定的包絡(luò)，仍然可以實(shí)現(xiàn)抖動(dòng)效應(yīng)。但是這需要一個(gè)通過交流耦合加到VTGT引腳的外部噪聲源。在這種情況下，來自基準(zhǔn)平方運(yùn)算器的電流在VREF電壓所產(chǎn)生的直流電流上下波動(dòng)，這個(gè)波動(dòng)便在緩沖放大器輸出端VOUT引腳產(chǎn)生噪聲，最終被加到高斯衰減器衰減控制端，其凈效果與前面描述的效果一樣。

控制：額外的一個(gè)應(yīng)用

到現(xiàn)在為止，這篇文章已經(jīng)討論了多種檢測器的信號(hào)電平測量。然而，指數(shù)AGC對數(shù)放大器還可以用作幅值控制器。例如，可以用對數(shù)放大器的輸出電壓來控制像可變增益放大器(VGA)或電壓可變衰減器(VVA)這樣的外部電路元件。在這種情況下，外部電路就成了對數(shù)放大器AGC反饋網(wǎng)絡(luò)的一部分。

將一個(gè)與有效信號(hào)水平對應(yīng)的定點(diǎn)電壓加到VSET引腳，對數(shù)放大器的輸出電壓會(huì)被迫達(dá)到一個(gè)電壓值(在電壓范圍內(nèi))，這個(gè)電壓值必須能夠驅(qū)使外部幅值控制元件(本例中為VVA)產(chǎn)生一個(gè)可在電流迭加結(jié)點(diǎn)平衡平方運(yùn)算單元電流的輸入信號(hào)。在VSET引腳加定點(diǎn)電壓使鏈?zhǔn)剿p器的衰減率保持不變，這樣外部系統(tǒng)級(jí)控制就可以實(shí)現(xiàn)平衡AGC回路的功能。

注意，加到VSET的定點(diǎn)電壓決定著用于平衡回路的信號(hào)電壓均方根值，因此它也決定著一個(gè)大功率放大器的輸出功率。例如，在控制模式下，在輸入端產(chǎn)生一個(gè)給定信號(hào)水平的定點(diǎn)電壓。它與在測量模式下出現(xiàn)所有效輸入信號(hào)電壓時(shí)對數(shù)放大器將產(chǎn)生的電壓相等。

標(biāo)有“可選調(diào)理電路”的電路塊用于平移和放大對數(shù)放大器的輸出電壓，其變化在VVA所要求的0~3.6V的控制電壓范圍內(nèi)。如果VVA的控制電壓范圍等于或略微小于對數(shù)放大器的輸出電壓范圍，那么可以省略這個(gè)電路塊。

顯然，可用于檢測RF信號(hào)水平的技術(shù)已經(jīng)有了很大的改進(jìn)，從原始的晶體檢測器，已經(jīng)發(fā)展到了解調(diào)-指數(shù)對數(shù)放大器架構(gòu)以及直接RF均方根-直流轉(zhuǎn)換器。這些進(jìn)步使RF信號(hào)水平的檢測具有更高的精確度和更好的穩(wěn)定性，甚至對于那些已在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中大量應(yīng)用的大波峰因數(shù)信號(hào)的也是如此。

作者：Rick Cory, Eamon Nash