CN0187: 针对高速、低功耗和3.3 V单电源而优化的波峰因数、峰值和均方根RF功率测量电路

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优势和特点
  • 测量波峰因数、峰值功率和RMS功率
  • 宽频率范围:450 MHz至6 GHz
  • 宽频率范围:450 MHz至6 GHz
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  • EVAL-CFTL-6V-PWRZ ($ 16.60) Wall Power Supply for Eval Board
  • EVAL-CN0187-SDPZ ($ 50.00) Crest Factor, Peak, and RMS RF Power Measurement Circuit Optimized for High Speed, Low Power, and Single 3.3 V Supply
  • EVAL-SDP-CB1Z ($ 99.00) Eval Control Board SDP
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电路功能与优势

图1所示电路测量450 MHz至6 GHz的任意RF频率下的峰值和rms功率,动态范围约为45 dB。测量结果转换为差分信号以便消除噪声,并通过串行接口和集成基准电压源在12位SAR ADC的输出端形成数字代码。在数字域中执行简单的两点校准。

ADL5502 是一款均值响应(true rms)功率检波器,内置包络检波器,可以精确地测量调制信号的波峰因数(CF)。它可以用于450 MHz至6 GHz的高频接收机和发射机信号链,包络带宽超过10 MHz。峰值保持功能允许利用较低采样速率的ADC捕获包络中的短峰值。该器件的总功耗仅为3 mA (3 V)。

The ADA4891-4 是一款高速、四通道、CMOS放大器,兼具高性能、低成本优势。每个放大器的功耗仅为4.4 mA (3 V)。该放大器具有单电源供电能力,输入电压范围可扩展至负供电轨以下300 mV。轨到轨输出级使输出摆幅可以达到各供电轨50 mV以内,以确保最大的动态范围。低失真和快速建立时间则使该器件成为此应用的理想选择。

AD7266 是一款双通道、12位、高速、低功耗的逐次逼近型ADC,采用2.7 V至5.25 V单电源供电,采样速率最高可达2 MSPS。这款器件内置两个ADC,两者之前均配有一个3通道多路复用器和一个能够处理30 MHz以上输入频率的低噪声、宽带宽采样保持放大器。功耗仅为3 mA (3 V)。此外还内置一个2.5 V基准电压源。

电路采用ADP121的+3.3 V单电源供电,ADP121是一款低静态电流、低压差线性调节器,采用2.3 V至5.5 V电源供电,最大输出电流为150 mA。驱动150 mA负载时压差仅为135 mV,这种低压差特性不仅可改善功效,而且能使器件在很宽的输入电压范围内工作。满载时静态电流低至30 μA,因此ADP121非常适合电池供电的便携式设备使用。

ADP121可提供1.2 V至3.3 V范围内的输出电压,其性能经过优化,采用1 μF小型陶瓷输出电容可实现稳定工作。ADP121具有出色的瞬态响应性能,所占电路板面积极小。短路保护和热过载保护电路可以防止器件在不利条件下受损。ADP121提供5引脚TSOT和4引脚、0.4 mm间距无卤素WLCSP两种小型封装,是适合各种便携式应用的业界最小尺寸解决方案。

图1.高速、低功耗、波峰因数、峰值和功率测量系统(简化示意图:未显示去耦和所有连接)

电路描述

经测量的RF信号加在ADL5502上,RF输入端的75 Ω端接电阻与ADL5502的输入阻抗并联,提供50 Ω宽带匹配。更精确的电阻性或电抗性匹配可用于窄频带应用(参见ADL5502数据手册的“RF输入接口”部分)。

ADL5502的内部滤波器电容提供平方域内的平均值,但在输出端保留残余交流信号。高峰均比信号(例如W-CDMA或CDMA2000)可在ADL5502 VRMS直流输出端产生交流残余电平。为减少这些低频成分对波形形成的影响,需要一些额外的滤波处理。ADL5502的内部平方域滤波器电容可通过在引脚1 (FLTR)与引脚2 (VPOS)之间连接CFLTR电容来增强。交流残余电平则通过对VRMS输出增加电容来进一步减少。内部100 Ω输出电阻与添加的输出电容共同形成低通滤波器,从而减少VRMS输出端的输出纹波(更多信息请参见ADL5502数据手册的“选择平方域滤波器”和“输出低通滤波器”部分)。

要测量波形峰值,必须将控制线(CNTL)暂时设定为逻辑高电平(复位模式>1 μs),然后返回逻辑低电平(峰值保持模式)。这样便可将ADL5502初始化至已知状态。将器件设定为测量峰值时,应切换峰值保持模式,且在此期间输入rms功率和波峰因数(CF)不会改变。

如果ADL5502处于峰值保持模式,且CF从高变为低,或者输入功率从高变为低,则会报告错误峰值测量结果。ADL5502仅报告峰值保持模式启动,输入功率或CF较高时发生的最高峰值。除非CNTL复位,否则PEAK输出不会反映信号内的最新峰值。

ADL5502能够提供大约3 mA的VRMS输出电流。输出电流通过片内100 Ω串联电阻提供;因此,任何负载电阻都会利用该片内电阻形成分压器。建议用ADL5502 VRMS输出驱动高阻性负载,从而维持输出摆幅。如果应用需要驱动低电阻负载(以及需要增加标称转换增益的情况),则需要缓冲电路。

PEAK输出专为驱动2 pF负载而设计。建议用ADL5502 PEAK输出驱动低容性负载,从而实现完整输出响应时间。当在下降转换期间跟踪包络时,较大容性负载的效应尤其明显。当包络处于下降转换中,负载电容通过1.9 kΩ的片内负载电阻放电。如果无法避免使用较大容性负载,可通过将PEAK输出端的分流电阻接地抵消额外电容,从而实现快速放电。该分流电阻可以使ADL5502流过更高的电流,不应低于500 Ω。

图2至图5中显示了该电路的典型测量性能特征。

图2.测得的VRMS输出与输入电平(对数比例)的关系,450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz,+3.3 V电源
图3.测得的VRMS输出与输入电平(线性比例)的关系,450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz,+3.3 V电源
图4.测得的PEAK输出与输入电平(对数比例)的关系,450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz,+3.3 V电源
图5.测得的PEAK输出与输入电平(线性比例)的关系,450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz,+3.3 V电源

开启时间和脉冲响应明显受平方域滤波器大小(FLTR)和连接至VRMS输出的输出分流电容影响。图6(摘自ADL5502数据手册)显示输出响应与RFIN引脚上RF脉冲之间的曲线图,带0.1 μF输出滤波器电容,无平方域滤波器电容(CFLTR)下降沿明显与输出分流电容相关。

图6.输出响应与各种RF输入脉冲电平的关系,3 V电源, 900 MHz频率,平方域滤波器开启,0.1 μF输出滤波器

要改善使能和脉冲响应的下降沿,可与输出分流电容并联放置电阻。添加的电阻有助于输出滤波器电容的放电。尽管该方法缩短了关断时间,但添加的负载电阻也会衰减输出(参见ADL5502数据手册的“输出驱动能力”和“缓冲”部分)。图7(摘自ADL5502数据手册)显示通过添加1 kΩ并联电阻实现的改良。

图7.输出响应与各种RF输入脉冲电平的关系,3 V电源, 900 MHz频率,平方域滤波器开启,0.1 μF输出滤波器及1 kΩ并联电阻

ADL5502的RMS和PEAK输出经过单位增益缓冲器,后者驱动交叉耦合级,将单端输出转换为差分信号。AD7266的+2.5 V内部基准电压源(通过DCAPA 和 DCAPB pins)引脚连接)则经过另一个单位增益缓冲器和分压器,这样,网络共模电压即设定为+1.25 V。

AD7266可实现RMS和PEAK输出的同时采样,并在1 μs响应时间内传输数据。数据通过单一串行数据线提供。由于斜率和截距随器件而改变,必须执行板级校准以实现高精度。一般而言,通过向ADL5502施加两个输入功率电平并测量相应的输出电压来执行校准。选择的校准点一般应在器件线性工作范围内,最佳拟合线通过下式计算转换增益(或斜率)和截距来表征:

equation

其中:

VIN RFIN的rms
VVRMSVRMS的电压输出。

计算增益和截距后,可得到一个公式,进而根据测量的输出电压计算(未知)输入功率。

equation

对于理想(已知)输入功率,测得的数据的法则一致性误差可计算如下:

equation

图8和图9显示了25°C时VRMS与PEAK误差曲线图,这是校准ADL5502时的温度。注意,该误差不为零,这是因为即使ADL5502在其工作区域内,也无法完全符合理想线性公式。然而,通过适当的调整,可以使校准点处的误差等于零。

图8.测得的VRMS线性度误差与输入电平的关系,450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz,+3.3 V电源
图9.测得的PEAK线性度误差与输入电平的关系,450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz,+3.3 V电源

已知VRMS和PEAK输出特征(斜率和截距)时,便可完成CF计算的校准。测量和计算任何波形的波峰因数必须采用三级过程。首先,必须将未知信号施加于RF输入,并测量相应的VRMS电平。该电平在图10中表示为VVRMS-UNKNOWNRF输入 input, VIN使用VVRMS-UNKNOWN和公式3计算。

图10.波峰因数计算程序

接下来,使用VIN 计算PEAK、VPEAK-CW的CW基准电平(即输入波形是CW信号时看到的输出电压)。

equation

最后,测量PEAK、VPEAK-UNKNOWN的实际电平,CF可计算为>/p>

equation

其中,VPEAK-CW 用作比较VPEAK-UNKNOWN的基准点。如果两个VPEAK值均相等,则CF为0 dB,如图11中的CW信号所示(摘自ADL5502数据手册)。在整个动态范围内,计算出的CF在0 dB线附近波动。同样,对于3 dB、6 dB和9 dB CF的复杂波形,计算结果精确地在CF电平附近波动。

图11. 报告的各种波形波峰因数
图12. 测得的CW信号的波峰因数与输入电平的关系,450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz,+3.3 V电源

该电路或任何高速电路的性能都高度依赖于适当的PCB布局,包括但不限于电源旁路、受控阻抗线路(如需要)、元件布局、信号布线以及电源层和接地层。(有关PCB布局的详情,请参见MT-031教程MT-101教程 高速印刷电路板布局实用指南一文。, 有关本电路笔记的完整设计支持包,请参阅 http://www.analog.com/CN0187-DesignSupport.

常见变化

对于需要较小RF检波范围的应用,可以使用AD8363 均方根检波器。AD8363检波范围为50 dB,工作频率最高达6 GHz。对于非均方根检波应用,可使用AD8317/AD8318/AD8319ADL5513 。这些器件提供不同的检波范围,输入频率范围最高达10 GHz(有关详情参见CN-0150)。

电路评估与测试

本电路使用EVAL-CN0187-SDPZ电路板和EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台(SDP)评估板。这两片板提供120引脚的对接连接器,可以快速完成设置并评估电路性能。EVAL-CN0187-SDPZ板包含要评估的电路,如本笔记所述。SDP评估板与CN0187评估软件一起使用,可从EVAL-CN0187-SDPZ电路板获取数据。

设备要求

  • 带USB端口的Windows® XP、Windows Vista®(32位)或Windows® 7(32位)PC
  • EVAL-CN0187-SDPZ电路评估板
  • EVAL-SDP-CB1Z SDP评估板
  • CN0187评估软件
  • 电源电压:+6 V或+6 V壁式电源适配器
  • RF信号源
  • 带SMA连接器的同轴RF电缆

开始使用
将CN0187评估软件光盘放入PC的光盘驱动器,加载评估软件。打开“我的电脑”,找到包含评估软件光盘的驱动器,打开Readme文件。按照Readme文件中的说明安装和使用评估软件。

功能框图
电路框图参见本电路笔记的图1,电路原理图参见“EVAL-CN0187-SDPZ-SCH”pdf文件。此文件位于CN0187设计支持包中。

设置
EVAL-CN0187-SDPZ电路板上的120引脚连接器连接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)评估板上标有“CON A”的连接器。应使用尼龙五金配件,通过120引脚连接器两端的孔牢牢固定这两片板。使用适当的RF电缆,通过SMA RF输入连接器将RF信号源连接至EVAL-CN0187-SDPZ板。在断电情况下,将一个+6 V电源连接到板上标有+6 V和GND的引脚。如果有+6 V壁式电源适配器,可以将它连接到板上的管式插孔连接器,代替+6 V电源。SDP板附带的USB电缆连接到PC上的USB端口。注意:此时请勿将该USB电缆连接到SDP板上的微型USB连接器。

测试
为连接到EVAL-CN0187-SDPZ电路板的+6 V电源(或壁式电源适配器)通电。,启动评估软件,并通过USB电缆将PC连接到SDP板上的微型USB连接器。,如果“设备管理器”中列出了“ADI系统开发平台”驱动程序,则软件能够与SDP板通信。

一旦USB通信建立,就可以使用SDP板来发送、接收、捕捉来自EVAL-CN0187-SDPZ板的串行数据。

本电路笔记中的数据通过Rohde & Schwarz SMT-03 RF信号源和Agilent E3631A电源产生。信号源设定为图表所示频率,输入功率按1 dB步进,数据按1 dB增量记录。

有关如何使用评估软件来捕捉数据的详细信息,请参阅CN0187评估软件Readme文件。

有关SDP板的信息,请参阅SDP用户指南

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD7266 差分/单端输入、双核2 MSPS、12位、3通道SAR A/D转换器 AD7266BCPZ AD7266BSUZ
ADA4891-4 低成本CMOS、高速、轨到轨放大器(四通道) ADA4891-4ARZ ADA4891-4ARUZ
ADL5502 450 MHz 至 6000 MHz 波峰因数检波器

欲获取样片,请 联系ADI公司

ADP121 150 mA,低静态电流,CMOS线性稳压器,采用5引脚TSOT封装 ADP121-ACBZ18R7 ADP121-ACBZ30R7 ADP121-ACBZ33R7 ADP121-AUJZ33R7 ADP121-AUJZ15R7 ADP121-ACBZ165R7 ADP121-AUJZ20R7 ADP121-ACBZ20R7 ADP121-AUJZ30R7 ADP121-ACBZ188R7 ADP121-ACBZ28R7 ADP121-AUJZ18R7 ADP121-AUJZ12R7 ADP121-AUJZ25R7 ADP121-AUJZ28R7
评估硬件
评估此款电路所需的评估板
产品型号 描述 报价 RoHS 查看库存/
购买/样片
EVAL-CFTL-6V-PWRZ Wall Power Supply for Eval Board $ 16.60 Yes
EVAL-CN0187-SDPZ Crest Factor, Peak, and RMS RF Power Measurement Circuit Optimized for High Speed, Low Power, and Single 3.3 V Supply $ 50.00 Yes
EVAL-SDP-CB1Z Eval Control Board SDP $ 99.00 Yes
所示报价为单片价格。所列的美国报价单仅供预算参考,指美元报价(每片美国离岸价),如有修改,恕不另行通知。由于地区关税、商业税、汇率及手续费原因,国际报价可能不同。
沪ICP备09046653号
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