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不断增强RF功率测量

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作者:Carlos Calvo,Anthony Mazzei


引言
精确的RF功率管理是现代无线发射器的热点话题,从基站的功率放大器保护到移动应用中的延长电池使用时间,它都有很多的优点。RF功率监测器,比如对数放大器,允许RF功率测量系统在一个较宽的范围监控和动态调整发射功率。尽管近几年来功率监测的精度已经有了很大改进,但是对于像那些需要高功率发射的应用甚至受到0 dB功率监测误差微小变化变化引起的显著影响。因此促使不断提高检测器性能。

将对数放大器和温度传感器结合起来是一种可行的设计温度补偿方案,以显著减小RF功率管理中两项主要误差因素的作用——温度和制造工艺变化。在某些情况下,将温度补偿硬件集成到功率检测芯片中。

RF功率管理概述
精确的基站RF功率管理非常重要,发射功率放大器的驱动能力超过需求的输出功率水平会损失很大。过多的电流消耗不但导致增加成本而且还会引起需要增加散热措施的散热问题。在极端情况下,功率放大器过驱动会导致由烧毁故障产生的可靠性问题。

精确的基站RF功率管理另外一个好处同样超过移动发射器,因为他们有相同的要求。有了精确控制输出功率的能力,移动设备能够使电源电流开支最小。例如,RF功率管理允许发射的功率被精密限制在需要功率水平的最小值,从而减小电池电流。精确地控制功率会延长通话时间,同时还允许移动发射器符合蜂窝标准要求。

图1示出典型RF功率管理电路的框图。发射信号通道由三个连贯的单元组成:基带,射频(RF)发射,功率放大器。在发射信号到达天线之前,其中发射信号的一部分被双向耦合器采样。将采样的RF功率送到功率检测器,在这里将它转换为直流电压。再将功率检测器的输出电压数字化并且送到数字信号处理器(DSP)或微控制器(MCU)。一旦得到数字化的功率测量值,就可根据测量的输出功率与要求的输出功率之间的关系做出决定。MCU可利用数模转换器(DAC)和可变增益放大器(VGA)调整输出功率,以驱动信号通道的功率控制——不论基带信号、RF信号还是功率放大器。一旦测量的输出功率与要求的输出功率之间达到平衡,RF功率管理环路将达到稳态。同时,引入温度传感器作为MCU的输入以增加温度补偿能力。在发射器中仅用模拟电路,就可以实现一个类似的RF功率管理环路。

图1. RF功率管理电路使用对数放大器,充分利用其以dB为单位呈线性的宽检测范围
图1. RF功率管理电路使用对数放大器,充分利用其以dB为单位呈线性的宽检测范围

以前,在RF功率管理电路中一直使用二极管检测器来调整发射功率。它们在高输入功率值时提供良好的温度性能,但在低输入功率时性能变坏。甚至使用温度补偿电路,由于二极管检测器在低输入功率下使温度性能变坏,只能提供很小的检测范围,一种流行的取代二极管检测器的方法是解调对数放大器。对数放大器提供一个很容易使用以dB为单位呈线性的RF功率检测响应并且具有很宽的动态范围。

对数放大器
图2示出逐级压缩对数放大器。在本例中, 有4个10 dB级联的限幅放大器构成了逐步的压缩链。5个全波整流检测器单元将RF信号电压转换为电流——其中一个检测器单元在RF输入端,其余4个在放大器级的输出端。检测器单元产生的电流与电压信号幅度成比例,并且将这些电流相加以近似一个对数函数。用一个高增益级将流入的电流总和转换成电压。跨接在4个10 dB放大器上的5个检测器单元允许对数放大器具有50 dB检测范围。

图2. 跨接在4个10 dB放大器之间的5个检波器允许逐级压缩对数放大器达到50 dB检测范围
图2. 跨接在4个10 dB放大器之间的5个检波器允许逐级压缩对数放大器达到50 dB检测范围

图3示出60 dB动态范围1 MHz~8 GHz带宽对数放大器在2.2G Hz时的传递函数。RF输出功率与其输出电压之间呈现一种线性关系,也就是说,当输入功率增加时,对应的输出电压以dB为单位呈线性关系跟着增加。图中还包括一条对数一致性误差曲线。这条对数一致性误差曲线用于更近一步的检查对数放大器的性能。在用灰色亮线表示的检测范围的线性区,可计算该传递函数的斜率和它与X轴的截距。这个信息提供了一个简单的理想模型以便与对数放大器的实际响应来比较。理想的线性参考模型在图中用虚线表示。理想的线性模型与实际的响应曲线相比较产生对数一致性误差曲线(以dB为单位)。

图3. 在对数放大器检测范围的线性区计算的理想的参考模型与其实际响应曲线相比较。比较结果产生对数一致性误差曲线
图3. 在对数放大器检测范围的线性区计算的理想的参考模型与其实际响应曲线相比较。比较结果产生对数一致性误差曲线。

计算对数放大器一致性误差的方法类似于在RF功率管理系统校准中采用的两点校准方法。产品测试过程中,在检测器的线性范围内选择两个已知的RF信号强度。利用其产生的输出电压,可以计算斜率和截距响应特性,并存储在非易失性存储器中以便建立一个简单的线性公式。利用以dB为单位呈线性的函数关系和测量到的检测器电压,很容易计算现场的发射功率。利用两点校准的重要优点就是减少成本、缩短测试时间。然而,这种校准方法仅是由于对数放大器的线性性能才成为可能。

因为校准通常是在一个温度下做的,所以温度对检测器的定量影响是很非常重要的。对数检测器的精度随温度的变化可用一致性误差表示。图4示出工作频率高达3.5 GHz的45 dB对数放大器在900 MHz的传递函数。图中包括在-40ºC和+85ºC时的传递函数,以及对数一致性误差随温度变化的关系曲线。因为所谓的两点校准情况,用相同的25ºC线性参考产生三条线性一致性误差曲线。

图4. 在900 MHz处单个器件的对数一致性误差示出工作温度范围内±0.5dB的精度
图4. 在900 MHz处单个器件的对数一致性误差示出工作温度范围内±0.5dB的精度。

对数放大器在25°C环境温度的传递函数具有50.25 dB/V的斜率和-51.6 dBm的截距(线性参考直线的延长线与X轴的交点)。25°C的曲线在0 dB误差线周围波动,然而,在两端温度处具有较小的斜率和截距偏移。在工作温度范围和40 dB检测范围内,单个器件的对数一致性误差保持在±0.5 dB以内。在+85°C时的温度漂移是动态范围的限制。虽然单个器件在工作温度范围内可能会有好的精确度,然而由于半导体制造工艺引起的器件之间固有的细小差异可以证明对于精确的RF功率管理是一种障碍。

图5示出70个器件对数一致性误差的分布。在很宽的器件范围内抽样以证明制造工艺引起的偏差。每个器件都有三条相对25°C线性参考值校准的温度曲线。尽管器件与器件之间有明显的偏差,但其分布值非常接近。在工作温度范围和大于40 dB的检测范围内器件的总体分布曲线具有±1 dB的精度。由于器件与器件之间具有可重复性的漂移从而引入温度补偿。

图5. 器件之间的对数一致性误差明显不同,但其总体分布非常接近。
图5. 器件之间的对数一致性误差明显不同,但其总体分布非常接近。

通常无线通信标准要求发射功率检测方案具有±1-dB 和±2-dB的精度,而在极端温度则放宽限制。对数放大器的初始精度无需精细调整便足够满足大多数标准。尽管如此,对数放大器还是有很多明显优点,它们超出了由不同标准决定的RF功率管理要求。

MCU如何能补偿误差
正如前面所讨论的,MCU能够利用发射信号通道的偏置电压有效地调整发射功率。通过增加温度传感器,MCU能够更进一步提高RF功率管理系统的精度。只要检测器具有可重复性的温度漂移,对某些测量值的误差补偿是可以实现的。可将考虑到环境变化的补偿算法程序集成到MCU的决策程序中以显著减少或消除制造工艺和温度变化。例如,如果一个功率检测器具有可重复性的温度漂移,那么为了消除已知温度下预期的误差可采用一种补偿算法。

图6示出许多对数放大器的对数一致性误差曲线。在3.5 GHz,温度漂移从+1 dB扩展到-4 dB。器件在-40°C时的总体分布曲线紧随25°C时的曲线。相反,在+85°C 的该分布曲线移动了2.5 dB,并且不再与25°C时的分布曲线平行。尽管在这个频率处的温度漂移很大,但在每个特定温度下的分布保持的非常接近。由于这些飘移的可重复性,所以能够实现一种补偿方案显著提高精度。

图6. 在3.5 GHz处+85°C时的温度漂移分布曲线移动并不再与25°C时的分布曲线平行。
图6. 在3.5 GHz 处+85°C时的温度漂移分布曲线移动并不再与25°C时的分布曲线平行。
通过+85°C对数一致性曲线的线性区的趋势线表示该温度的误差模型。

由于斜率和截距随温度变化导致温度漂移。鉴于这种认识,通过分析器件的总体分布曲线可以总结出一个误差模型。可以建立分布曲线随温度移动的误差表达式,如图6所示。图中画出的通过+85°C对数一致性曲线的线性区的趋势线——误差线,它表示在+85°C时的误差模型。应用该误差线的斜率和截距特性,利用补偿函数关系可抵消这种温度变化。尽管如此,该误差模型仅描述+85°C时温度漂移带来的误差。

大多数的温度漂移发生在+25°C和+85°C之间。对所有温度都普遍适用的误差函数可利用一个温度比例因子k(T)来建立各种温度范围的函数关系,其中k(T)是温度的函数。将补偿误差函数和温度比例因子函数结合起来,组合结果如图7所示。当温度升高的时候,比例因数将跟着变化,从而可消除由于温度漂移上升引起的误差。

图7示出AD8312采用上述误差补偿方法的对数一致性分布。误差补偿前,对数一致性误差为5 dB。误差补偿后,在从-30 dBm 至 0 dBm功率输入范围之间,在整个工作温度范围内对数一致性误差提高到大约±0.5 dB。这种RF功率管理系统可达到的精度是由器件的总体分布曲线确定的。同样的结果对于温度漂移不显著的低温和低频情况也可适用。

图7. 用补偿误差函数抵消温温度变化引起的误差。用误差补偿改善整个温度范围内的对数一致性误差。
图7. 用补偿误差函数抵消温温度变化引起的误差。
用误差补偿改善整个温度范围内的对数一致性误差。

在半导体制造过程期间,有些参数在变化,比如薄层电阻、电容和β值。所有这些参数变化都会影响对数放大器的斜率、截距及检测器的温度性能。减轻制造工艺参数变化造成影响的一种方法就是使用激光微调对数放大器。图8示出经过激光微调的60 dB对数放大器在1.9 GHz处的对数一致性误差分布曲线。该器件不采用数字补偿而是模拟补偿方法,即使用内置温度电路和外部电阻器来优化温度性能。电阻值依赖于修正系数要求的数值。这种模拟补偿电路的作用能够使测量结果偏离总体分布曲线中心值的程度达到±0.5-dB。

图8. 激光微调对数放大器采用模拟补偿电路可完成精确的RF功率管理,而不是数字补偿。
图8. 激光微调对数放大器采用模拟补偿电路可完成精确的RF功率管理,而不是数字补偿。

结论
使用精确的RF功率管理,基站和手机发射器能够从功率放大器保护和减少功耗方面获得好处,从而远远超过了蜂窝标准的要求。利用稳定的对数放大器和温度传感器,MCU能够补偿温度漂移误差以提高RF功率管理系统的总精度。对数放大器与温度分布密切相关,所以允许简单的误差补偿。用于适中温度漂移的两点校准能够为在整个温度范围内达到±0.5-dB精度的精确RF功率管理成为可能。

作者简介
Carlos Roberto Calvo 先生现任ADI公司高级线性产品部(与Anthony Mazzei先生在同一产品部门)RF 应用工程师。他毕业于美国伍斯特理工大学,分别于2000年和2003年获得理学学士和理学硕士学位。

Anthony Mazzei 现任ADI公司高级线性产品部产品工程师,在马赛诸塞州威尔明顿市为RFW部工作。他于2001年获得Massachusetts Lowell 大学电子工程学学士学位。

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