CN0366

図1に示す回路は、ADL6010 RFおよびマイクロ波パワー検出器を使用して、AC波形を、入力波形の振幅に合わせてスケーリングした出力電圧に変換します。出力電圧は電圧に対して線形で、勾配の単位はV/Vrmsです。ADL6010は、最大帯域幅40MHzのRF信号のエンベロープを取り出すことができます。ただし、ほとんどのパワー・メーター・アプリケーションの出力電圧は、入力波形の振幅を表わす安定したDC値です。

AD7091R 12ビット1MSPS ADCは、検出器出力のサンプリングを行います。そのデータはデータ・キャプチャ・ボードによって処理され、さらに処理と解析を行うためにPCへ送られます。ADCには内部2.5Vリファレンス電圧があり、これはフルスケール電圧を設定するために使用できます。より大きいフルスケール電圧が必要な場合は、内部リファレンスをオーバーライドすることができます。

出力電圧は入力波形の周波数によって変化するので、システムには校正が必要です。変調信号を測定する時は補正係数も必要です。計算には、シンプルなグラフィカル・ユーザ・インターフェースを備えたPCベースのソフトウェアを使用することができます（CN-0366評価用ソフトウェア）。

パワー検出器

ADL6010は、500MHz～43.5GHzで動作する45dBのエンベロープ検出器です。電圧に対して線形な勾配は約5.9V/Vrmsで、50Ωシステムにおける絶対検出器入力範囲は-30dBm～+15dBmまたは-43dBV～+2dBVです。検出セルは、8個のショットキー・ダイオードを使用した独自のダイオード・アレイを使用しており、このアレイは、rms入力電圧振幅を基準とした場合に全体的スケーリング・ファクタ（または伝達ゲイン）公称値が×5.9の線形電圧計を形成する、新型のリニアライザ回路に接続されています。出力平均化コンデンサを備えたADL6010は、エンベロープが変化する信号を検出できますが、同じ入力電力に対する出力電圧の変化を補正するために、補正係数を使用する必要があります。出力電圧とrms入力電圧の関係は次式で表されます。

ここで、

V_OUTはVOUTピンの電圧、
Slopeは10GHzで約5.9V/Vrms、
V_RFINはrms入力電圧、
Interceptはデータ延長時にデータとy軸が交差する位置の値です。

ADL6010の機能ブロック図を図2に示します。

周波数に伴う伝達関数の変化を図3に示します。1GHzと40GHzの出力には、約300mVの電圧差があります。全周波数範囲にわたる温度変動は±0.5dB未満です。図4と図5は、それぞれ10GHzと40GHzにおける温度別の特性変化を示しています。

A/Dコンバータ

AD7091Rは12ビット1MSPSのADCで、入力電圧範囲は0V～V_REFです。リファレンス電圧は、内部2.5Vリファレンスか、内部リファレンスをオーバーライドする外部リファレンスによって供給されます。外部リファレンスは5Vとすることができます。2.5Vフルスケール電圧（V_REF = 2.5 V）の場合のLSBの大きさは次のようになります。

ADL6010の出力電圧は約25mV～4Vなので、内部2.5Vリファレンスを使用する時は、減衰約1.6の200Ω/340Ω抵抗分圧器により信号振幅を下げて、常にAD7091Rの範囲内となるようにします。

データ解析

ADCによってサンプリングされるデータを取り込むには、EVAL-SDP-CB1Zシステム・デモンストレーション・プラットフォーム（SDP）ボードを、AD7091R評価ボード制御ソフトウェアをベースにしたソフトウェアと組み合わせて使用します。このソフトウェアには、パワー・メーターの読み出しおよび校正用のオプションがあります。パワー・メーターの表示は、ADL6010の入力に加わる電力を示します。ADL6010とAD7091Rで正確な電力測定を行うには、レベルの異なる2つの既知の入力電力をADL6010の入力に加えて、それぞれに対応する出力のADCコードを読み取ります。これら4つの値はグラフ上で2つのポイントを表します。これらの値は、後で校正手順に使用するために保存しておく必要があります。これら2つのポイントを以下に示します。

• ポイント1：（V_LOW, CODE_LOW）
• ポイント2：（V_HIGH, CODE_HIGH）

これら2つのポイントから勾配と切片が得られ、特定の動作周波数でシステムを校正するために使用することができます。

ソフトウェアのパワー・レベル表示画面を図6に示します。

システムの伝達関数

検出器入力からADC出力までのシステムの勾配と切片は、次式で表されます。

ここで、

Slope_SYSはシステムの勾配、
CODE_HIGHとCODE_LOWは、それぞれADCのハイレベル・コード出力とローレベル・コード出力、
V_HIGH、V_LOWは、それぞれハイレベルRF電圧とローレベルRF電圧、
INT_SYSはシステムの切片です。

システム全体の伝達関数は次式で表されます。

ここで、V_INは入力RF信号のrms電圧です。

これをV_INについて解きます。

したがって、dBmで表した電力P_INは次のようになります。

入力インピーダンスが50Ωの場合、この式は次のように整理できます。

ユーザ校正アルゴリズム

CN-0366評価用ソフトウェアは、特定の動作周波数でワンタイム校正を行います。校正は、図6に示すウィンドウのCalibrationタブを使用して行います。校正ルーチンは以下の通りです。

1. RF電力をハイレベル（V_HIGH）に設定します。
2. ADCからのコード（CODE_HIGH）を測定します。
3. RF電力をローレベル（V_LOW）に設定します。
4. ADCからのコード（CODE_LOW）を測定します。
5. システムの勾配を計算します（単位はコード数／V）。
6. システムの切片を計算します（単位はコード数）。
7. 勾配と切片を校正係数として保存します。
8. 任意の入力RF電力でADCコードを測定します。
9. コード、勾配、切片を使用して入力電力を計算します。

ADCを含む全シグナル・チェーンの測定結果

測定は、CN-0366評価用ソフトウェアを使用して複数の周波数で行いました。各周波数では、測定実施前に校正を行っています。その結果を図7、図8、および図9に示します。図7では、誤差の校正電力レベルへの依存性に注意してください。適切な校正レベルを選ぶには、ある程度の試行錯誤が必要です。

図7から図9は、測定入力電力とADL6010の入力に実際に加えられた電力、および両者の誤差を示しています。 データは0℃、25℃、70℃の各温度で測定され、1GHz、10GHz、20GHz、および30GHzの各周波数に対する結果が図10、図11、図12、図13に示されています。 いくつかの測定値は、平均化機能を持たない初期バージョンのソフトウェアを使用して得られたものなので、低入力電力レベル側に大きなリップルが見られます。

式の概要

以下に、CN-0366の式の概要と、パワー・メーター回路の機能を理解する手掛かりとなる追加的な式を示します。

ADL6010の伝達関数は次式で表されます。

ここで、

V_OUTは検出器のDC出力電圧、
Slope_DETはV/Vrmsで示した検出器のゲイン／勾配、
V_INは入力RF信号のrms電圧、
INT_DETはV単位で表した検出器の切片です。

これをV_INについて解きます。

ADCの伝達関数は次式で与えられます（ADL6010でドライブした場合）。

CODE = V_OUT/LSB
LSB = V_REF/4096

ここで、

CODE はADCの出力コードで0～4096の無次元数、
V_REFはADCのフルスケール・リファレンス電圧で、単位はV、
LSBはADCにより識別可能な最小量子化電圧で、単位はV／ステップまたはV／ビットです。

これをV_OUTについて解きます。

V_OUT = CODE × LSB

これを前出のV_INの式に代入すると次式が得られます。

すべての式を参照して入力電力の式に戻ると、次式が得られます。

ここで、RはADL6010のRFINピンのインピーダンスです。

電力の式にV_INを代入すると次式が得られます。

この式を整理すると次式が得られます。

この式はADL6010検出器出力の勾配と切片に関する式で、システム内の相互関係を明らかにするという概念的な目的に有効です。ただし、実際的な目的のためには、システム全体の勾配と切片という観点に基づくシステムの伝達関数が必要です。この場合、勾配の単位はコード数／Vで、切片の単位はコード数です。最終的な伝達関数は次のように導くことができます。

システムの勾配（slope_SYS）とシステムの切片（INT_SYS）に基づくシステムの伝達関数の導出は、式2から始まります。この式は、検出器の勾配（slope_DET）と切片（INT_DET）に基づいて入力電力を導きます。この導出は、以下に示すように、V_INの式（式2）の分子と分母の両方に1/LSBを乗じることによって行われます。

V_INに関するこの式を式2に代入すると、式1が得られます。

INT_DETの単位はV、Slope_DETの単位はV/Vrms、LSBの単位はV／コード数です。1/LSBを乗じるとINT_DETが等価ADCコードに、検出器勾配がコード数／Vrms単位のシステム勾配に変換され、次の関係が得られます。

INT_SYS = INT_DET/LSB
Slope_sys = Slope_DET/LSB

CN-0366回路用の回路図、レイアウト図、ガーバーファイル、部品表を含むすべての設計ファイルのセットは、CN-0366 Design Support Packageに含まれています。