作者：John Cowles 和 Barrie Gilbert

電子電路分為兩大類 - 處理和轉(zhuǎn)換信號(hào)的電路和測(cè)量信號(hào)的電路。它們的功能通常是組合的，例如接收器的IF部分 - 處理信號(hào)（通過放大和解調(diào)），并提供接收信號(hào)強(qiáng)度的指示（RSSI功能），一種緩慢變化的電壓，可以顯示和/或用于自動(dòng)控制增益和頻率等變量（AGC和AFC）。

測(cè)量RF信號(hào)強(qiáng)度的電路（其基本指標(biāo)是功率）通常稱為檢波器，但只有熱電堆（輻射熱計(jì)）直接測(cè)量該量。集成電路檢波器總是對(duì)待測(cè)信號(hào)的電壓樣本進(jìn)行操作。此類電路按其提供的信號(hào)轉(zhuǎn)換類型進(jìn)行分類。1976年，ADI公司提供了首款用于中等頻率的單片“真有效值”檢波器?，F(xiàn)在，該產(chǎn)品線包括AD8361等器件，這些器件已將此功能擴(kuò)展到微波域。準(zhǔn)確確定信號(hào)功率，與其波形無關(guān)（另有說明，其概率密度函數(shù)）在CDMA等現(xiàn)代通信系統(tǒng)中非常重要。與熱探測(cè)器不同，這些真均方根探測(cè)器使用模擬計(jì)算直接實(shí)現(xiàn)相關(guān)方程 - 千兆赫茲頻率。

另一種有價(jià)值的RF檢波器（也使用計(jì)算）是解調(diào)對(duì)數(shù)放大器。顧名思義，它放大信號(hào)，允許此類設(shè)備測(cè)量小信號(hào)，并將交變射頻波形解調(diào)為緩慢變化的“準(zhǔn)直流”輸出。然而，與均方根檢波器不同，均方根檢波器的輸出與輸入電壓的均方根值成正比，對(duì)數(shù)檢波器提供的輸出與信號(hào)電平的分貝值成比例，以固定電壓為基準(zhǔn)，V國際（定義如下）。輸出（通常是電壓）可以用電壓或功率來解釋，只需對(duì)稱為“斜率”的縮放參數(shù)使用不同的值即可。

對(duì)于RF對(duì)數(shù)放大器，有必要對(duì)所有信號(hào)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（這里的意思是相對(duì)于1 V rms的分貝），而不是“功率”，單位為dBm（相對(duì)于1 mW的分貝）。這是明確的，與輸入接口的阻抗選擇無關(guān)，適用于IC檢測(cè)器。例如，0 dBV 對(duì)應(yīng)于 2.83V 峰峰值幅度的正弦波;同樣，–60 dBV是指2.83 mV p-p正弦波。

這些RF對(duì)數(shù)檢波器的操作符合如下功能：

VOUT = VSLP log(VSIG/VINT) (1)

如果選擇以 10 為底的對(duì)數(shù) [log10（10） = 1 十進(jìn)制]，考慮到分貝，斜率電壓，VSLP，可以在電壓比的對(duì)數(shù)比例中以“伏特/十倍頻程”來查看。由于十年內(nèi)有 20 分貝，因此相應(yīng)的“伏特/分貝”只是該電壓的二十分之一。因此，對(duì)于VSLP400 mV/十倍頻程的斜率也可以表示為20 mV/dB。第二個(gè)縮放參數(shù)，稱為“截距”，V國際，是 log 參數(shù)為單位的輸入電壓。在此電壓下，與基極選擇無關(guān)，輸出將為零，因?yàn)閘og（1） = 0。實(shí)際上，RF對(duì)數(shù)放大器的有限可用增益、噪聲的存在以及其他實(shí)際限制導(dǎo)致其值V國際這是一個(gè)外推值，通常只有幾微伏，由設(shè)計(jì)固定。

那么就出現(xiàn)了一個(gè)問題，即對(duì)什么的精確解釋V國際代表。這個(gè)數(shù)量是“伏特直流”，還是“伏特有效值”？還是其他指標(biāo)，例如簡(jiǎn)單的平均值或峰值？對(duì)于從一個(gè)水平到另一個(gè)水平的比率測(cè)量，值V國際不重要。但是，如果需要確定絕對(duì)水平V特別興趣小組，測(cè)量精度直接取決于V國際就像DVM中的參考電壓一樣。

對(duì)使用該技術(shù)的射頻對(duì)數(shù)放大器的仔細(xì)研究1被稱為“漸進(jìn)式壓縮”，顯示了經(jīng)典對(duì)數(shù)放大器實(shí)踐中沒有遇到的另一種效果，即有效值V國際強(qiáng)烈依賴于輸入信號(hào)的波形。出于這個(gè)原因，我們選擇定義V國際對(duì)于正弦輸入，然后為各種其他波形提供轉(zhuǎn)換因子。

實(shí)際上，未修整的生產(chǎn)IC中的VINT控制無法像精密RF公制中經(jīng)常需要的那樣精確。激光調(diào)整首先用于AD640/641的RF對(duì)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(duì)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，但仍然存在波形依賴性的基本問題。這在波形未知且變化迅速的當(dāng)代系統(tǒng)中提出了一個(gè)問題。

測(cè)量 2.5 GHz 的信號(hào)比

在AD8302中，通過使用兩個(gè)相同的對(duì)數(shù)放大器以單芯片形式集成，解決了這個(gè)問題，如圖1所示。每個(gè)通道都能夠測(cè)量 60 dB 范圍內(nèi)的信號(hào)，從極低頻率到 2.5 GHz。幅度（“增益”）輸出的定義函數(shù)為

VMAG = VSLP log (VA/VB) + VCP (2)

其中VA和VB是兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)，應(yīng)用于AD8302的兩個(gè)相同輸入端口，以及V正中電是中心點(diǎn)，定義為輸出的值，V馬格，電平差為 0 dB。(VSLP和V正中電是設(shè)計(jì)選擇，考慮到易用性;兩者都可溯源至帶隙基準(zhǔn)電壓源）。

圖1.AD8302包括一對(duì)精確匹配的對(duì)數(shù)放大器和一個(gè)高頻鑒相器。

在AD8302中，通過取兩個(gè)獨(dú)立對(duì)數(shù)放大器輸出的差值，可以消除公式1的常規(guī)固定截距。此關(guān)鍵步驟計(jì)算比率 （V一個(gè)/VB)*(V國際/V國際塔);而且，由于對(duì)數(shù)放大器相同，因此第二項(xiàng)非常精確地統(tǒng)一，與溫度、電源電壓和眾多生產(chǎn)差異無關(guān)。

在許多應(yīng)用中，這種優(yōu)雅的固定截點(diǎn)消除可實(shí)現(xiàn)高度精確的信號(hào)電平測(cè)量?，F(xiàn)在，對(duì)數(shù)參數(shù)準(zhǔn)確性的主要限制是兩個(gè)協(xié)集成通道的匹配。這種新穎的結(jié)構(gòu)2開辟了許多測(cè)量可能性，否則需要使用兩個(gè)不同的對(duì)數(shù)放大器，因?yàn)樗鼈冊(cè)谛甭屎徒鼐嘈?zhǔn)方面存在固有差異。AD8302是首款允許直接測(cè)量交流信號(hào)比的IC。這種在很寬的頻率范圍內(nèi)測(cè)量增益/損耗和兩個(gè)信號(hào)端口之間的相對(duì)相位（見下文）的獨(dú)特功能將在許多其他應(yīng)用中具有價(jià)值。

圖2顯示了在900 MHz至2.2 GHz頻率范圍內(nèi)輸出電壓變化與信號(hào)比（例如，可能對(duì)應(yīng)于被監(jiān)控通道的增益或損耗）的函數(shù)關(guān)系。呈現(xiàn)給通道B的信號(hào)電平是固定的，而通道A的信號(hào)電平相對(duì)于通道B在–30 dB至+30 dB之間變化。輸出，V馬格，演示精確的斜率，VSLP， 20 mV/dB 和一個(gè)中心點(diǎn)，V正中電，為 900 mV。與理想對(duì)數(shù)定律（圖2b）的極小偏差證明了使用協(xié)積分對(duì)數(shù)放大器的價(jià)值。

（a） 顯示錯(cuò)誤

（b） 小于 0.2 dB 直至高頻

圖 2。信號(hào)電平比的測(cè)量

測(cè)量 2.5 GHz 的相對(duì)相位

AD8302還可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)之間的相位差，范圍為低頻至2.5 GHz。每個(gè)單獨(dú)的對(duì)數(shù)放大器在其最后階段產(chǎn)生一個(gè)“硬限制”輸出。這些信號(hào)被施加到一種新型乘法器式鑒相器的兩個(gè)輸入端，該鑒相器在兩個(gè)輸入端和180°范圍內(nèi)具有精確的對(duì)稱性。相位輸出，V小 靈通，由下式給出，

V小 靈通= ±VF（F – 90°） + V正中電 (3)

哪里VF是相位輸出的縮放電壓，（F是兩個(gè)輸入之間的相位差。符號(hào)的選擇取決于哪個(gè)象限構(gòu)成 180° 相位間隔。集成此功能后，AD8302將成為“片上網(wǎng)絡(luò)分析儀”。

圖3顯示了900 MHz、1.9 GHz和2.2 GHz下的相位測(cè)量。在這里，相位差作為“滑移”產(chǎn)生，通過稍微偏移兩個(gè)輸入頻率并允許角度累積。斜率V小 靈通輸出為 10 mV/度，以V正中電900 mV。當(dāng)相位滑過 180° 間隔時(shí)，斜率的交替符號(hào)很明顯。圖3b顯示了測(cè)量誤差。0°和180°附近的誤差迅速增加主要是由于硬限制信號(hào)的有限上升和下降時(shí)間引起的死區(qū)。AD8302能夠精確測(cè)量這些頻率下的相位，這是其兩個(gè)緊密集成的對(duì)數(shù)放大器實(shí)現(xiàn)出色平衡的結(jié)果。

（a） 表現(xiàn)出低誤差

（b） 在寬角度范圍內(nèi)和高達(dá)高頻

圖 3。相位測(cè)量

使用AD8302

這些用于測(cè)量增益/損耗和兩個(gè)信號(hào)端口之間相對(duì)相位的新功能在許多RF和IF應(yīng)用中具有價(jià)值。這種“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合原位診斷和系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)控，以及子系統(tǒng)的反饋和前饋線性化和控制。以下是AD8302的一些應(yīng)用。

現(xiàn)在可以使用已知的交流基準(zhǔn)電壓源測(cè)量絕對(duì)信號(hào)電平。如圖4所示，施加到通道B的參考信號(hào)產(chǎn)生有效的值截距VB.當(dāng)兩個(gè)信號(hào)具有相似的波形時(shí)，測(cè)量可以非常準(zhǔn)確。如果能夠確保兩個(gè)輸入的幅度接近相等，即使是斜率電壓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(gè)簡(jiǎn)單的安排問題，在較大的信號(hào)上使用衰減器墊來定位比率V一個(gè)/VB接近團(tuán)結(jié)。當(dāng)需要最高精度或必須處理非常大的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，定心技術(shù)非常有用。

圖4.使用通道B上的交流參考作為通道A的截距進(jìn)行信號(hào)電平的絕對(duì)測(cè)量。

AD8302最有用的應(yīng)用是監(jiān)控和報(bào)告功能模塊或子系統(tǒng)的增益或損耗。在圖5所示的示例中，監(jiān)控標(biāo)稱增益為20 dB的500 MHz IF放大器的輸入和輸出信號(hào)樣本。通過使用衰減器和耦合器，兩個(gè)信號(hào)被調(diào)理為具有相同的一般幅度。增益響應(yīng)顯示中間電平低頻值，對(duì)應(yīng)于放大器處的20 dB電平差和約500 MHz的3 dB帶寬。此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(gè)輸入將處于不同的頻率，測(cè)得的數(shù)量將是轉(zhuǎn)換增益。由于波形保持相似，因此再次消除了誤差源。但是，當(dāng)輸入頻率差異很大時(shí)，由于阻抗匹配的不等式以及兩個(gè)對(duì)數(shù)放大器在千兆赫茲區(qū)域中縮放的頻率依賴性，可能會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)失調(diào)。

圖5.AD8302監(jiān)測(cè)被測(cè)放大器的頻率響應(yīng)并報(bào)告增益。

在許多通信系統(tǒng)中，外部接口端口存在不可預(yù)測(cè)的負(fù)載。這種負(fù)載的變化可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能的變化，甚至在極端情況下會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。提供監(jiān)測(cè)負(fù)載阻抗（或RF中的反射系數(shù)）而不擾動(dòng)負(fù)載阻抗的方法具有重要價(jià)值。在圖6中，AD8302配置為測(cè)量任意負(fù)載的反射系數(shù)，在本例中，該負(fù)載是一個(gè)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歐姆特性線路阻抗的近似匹配，其中反射信號(hào)幾乎為零。

圖6.AD8302監(jiān)控負(fù)載的反射系數(shù)，負(fù)載是PIN二極管，其阻抗由其偏置控制。

多功能性和易用性

AD8302還提供其他幾種工作模式，這是精心規(guī)劃的結(jié)果，也是這種不同尋常結(jié)構(gòu)的基本通用特性。前面的示例演示了AD8302的典型測(cè)量模式，其中V馬格和V小 靈通輸出報(bào)告其輸入之間的信號(hào)電平和相位差。但是，傳遞函數(shù)的內(nèi)置縮放和中心點(diǎn)可以使用外部電阻和VREF引腳上提供的1.80 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行調(diào)整。

通過將輸出引腳與反饋引腳MSET和PSET斷開，可以實(shí)現(xiàn)增益和相位比較器，如圖7所示。在這里，V馬格和V小 靈通輸出在0 V和最大輸出電壓1.8 V之間切換，具體取決于信號(hào)電平和相位差是大于還是小于提供給MSET和PSET引腳的閾值。

圖7.AD8302配置為增益和相位比較器，具有可控閾值。

在控制器模式下，如圖8所示，VMAG和VPHS引腳驅(qū)動(dòng)被監(jiān)控信號(hào)鏈中包含的增益/相位調(diào)節(jié)器，以便將系統(tǒng)的整體增益和相位伺服到提供給MSET和PSET引腳的所需設(shè)定點(diǎn)。

圖8.AD8302 在控制環(huán)路中，將DUT的增益和相位驅(qū)動(dòng)到規(guī)定的設(shè)定點(diǎn)。

AD8302的輸入頻率范圍很寬，從任意低頻（甚至音頻）到2.5 GHz不等。對(duì)數(shù)放大器的寬動(dòng)態(tài)范圍不僅可以適應(yīng)相對(duì)信號(hào)電平的較大變化，還可以適應(yīng)絕對(duì)電平的變化。代表幅度和相位差的輸出量的最大小信號(hào)包絡(luò)帶寬為30 MHz;這可以通過添加外部濾波電容來減少。

AD8302首次采用先進(jìn)的雙極性工藝，以單芯片形式提供這種強(qiáng)大的計(jì)算功能。出色的對(duì)數(shù)放大器匹配、高頻能力以及增益和相位測(cè)量的精確縮放，所有這些都在小尺寸中，為以非侵入式方式對(duì)RF和IF系統(tǒng)進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)和控制開辟了新的機(jī)會(huì)。電源電壓范圍為 2.7V 至 5.5V 電源電壓，電流僅為 20mA。該產(chǎn)品采用 14 引腳 TSSOP 封裝。

審核編輯：郭婷