改善 RMS 功率檢波器在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的輸出準(zhǔn)確度

引言
在基站設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定的溫度性能極其重要，因?yàn)橐暬局苓吳闆r和地點(diǎn)的不同而不同，環(huán)境溫度可能變化很大。RMS 檢波器如果隨溫度變化的準(zhǔn)確度很高，就可以提高基站設(shè)計(jì)的電源效率。LTC5582 和雙通道 LTC5583 是一個(gè) RMS 檢波器系列的兩款器件，LTC5582 在最高 10GHz 的頻率范圍內(nèi)可提供極其穩(wěn)定的溫度性能 (從 -40°C 至 85°C)，而 LTC5583 的頻率范圍則在 6GHz 內(nèi)。不過(guò)，它們的溫度系數(shù)隨頻率而改變，而沒(méi)有溫度補(bǔ)償下，隨溫度變化而產(chǎn)生的誤差可能大于 0.5dB。因此，有時(shí)有必要針對(duì)不同的頻率優(yōu)化溫度補(bǔ)償，以改善準(zhǔn)確度，使誤差 0.5dB。此外，溫度補(bǔ)償可以僅用兩個(gè)外部電阻器實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需外部電路。

輸出電壓的變化由以下等式?jīng)Q定：

V_OUT = TC1 x (T_A - t_NOM) + TC2 x (T_A - t_NOM)² + detV1 + detV2 (等式 1)

其中 TC1 和 TC2 分別是 1 階和 2 階溫度系數(shù)。T_A 是實(shí)際的環(huán)境溫度，t_NOM 是室內(nèi)基準(zhǔn)溫度25°C，detV1 和 detV2 是 R_T1 和 R_T2 未設(shè)定為零時(shí)的輸出電壓變化。

圖 1：1 階 V_OUT 隨溫度的變化

就 LTC5582 和 LTC5583 而言，計(jì)算溫度補(bǔ)償電阻值的方法是相同的 (參見(jiàn)圖 2 和圖 3)。兩個(gè)控制引腳是 RT1 和 RT2，RT1 設(shè)定 TC1 (1 階溫度補(bǔ)償系數(shù))，RT2 設(shè)定 TC2 (2 階溫度補(bǔ)償系數(shù))。如果不需要溫度補(bǔ)償，那么將 RT1 和 RT2 短路到地，就可以很方便地關(guān)閉溫度補(bǔ)償功能。

圖 2：引腳 RP1 和 RP2 的簡(jiǎn)化原理圖

圖 3：引腳 RT1 和 RT2 的簡(jiǎn)化原理圖

LTC5583 的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)
LTC5583 包括兩個(gè)額外的引腳 RP1 和 RP2，RP1 控制 TC1 的極性，RP2 控制 TC2 的極性。不過(guò)，在采用一個(gè)固定的 RT1 或 RT2 值時(shí), 溫度系數(shù)的大小相等, 只是極性倒轉(zhuǎn)。通道 A 和通道 B 共享補(bǔ)償電路，因此兩個(gè)通道一起受到控制。

圖 1 說(shuō)明了在 1 階溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下，V_OUT 作為溫度的函數(shù)是怎樣變化的。圖中僅顯示了 3 個(gè)電阻值，以說(shuō)明增大電阻值會(huì)使斜線斜率增大。斜線極性由 RP1 引腳控制。

圖 4 說(shuō)明了 2 階溫度補(bǔ)償對(duì) V_OUT 的影響。該曲線的極性由 RP2 控制。其曲率取決于電阻值。1 階和 2 階溫度補(bǔ)償合起來(lái)的總體影響由等式 1 給出。

圖 4：2 階 VOUT 隨溫度的變化

以 LTC5583 在 900MHz 輸入時(shí)的情況為例。第一步是測(cè)量沒(méi)有溫度補(bǔ)償時(shí) V_OUT 隨溫度的變化。圖 5 顯示未補(bǔ)償時(shí)的 V_OUT。線性誤差隨溫度的變化以 25°C 時(shí)的斜線和截取點(diǎn)為基準(zhǔn)。為了最大限度地減小輸出電壓隨溫度的變化，紅色 (85°C) 的線性度曲線必須下移，藍(lán)色 (-40°C) 的線性度曲線必須上移，以與黑色室溫時(shí)的曲線一致，并盡可能多地重疊。接下來(lái)就是一步一步地設(shè)計(jì)了。

圖 5：在 900MHz 時(shí)未補(bǔ)償?shù)?LTC5583

第一步。以 dB 為單位從圖 5 估計(jì)所需的溫度補(bǔ)償。例如，讀取輸入功率為 -25dBm 時(shí)的曲線值，這是動(dòng)態(tài)范圍的中部。將以 dB 為單位的線性誤差乘以 30mV/dB (典型的 V_OUT 斜率)，以將單位轉(zhuǎn)換為 mV。

低溫 (-40°C) = +13mV 或 +0.43dB

高溫 (85°C) = -20mV 或 -0.6dB

這是隨溫度變化所需的輸出電壓調(diào)節(jié)量。

第二步。確定 RP1 和 RP2 的極性以及 1 階和 2 階補(bǔ)償解決方案。為了找到解決方案，設(shè) a = 1 階項(xiàng)，b = 2 階項(xiàng)。設(shè)定這兩項(xiàng)的值，使它們滿足 -40°C 和 85°C 的溫度補(bǔ)償要求。

a – b = +13mV (等式 2)

a – b = -20mV (等式 3)

a = 16.5 (1 階解決方案)

b = 3.5（2 階解決方案）

等式 2 和等式 3 中“a”和“b”的極性由 1 階項(xiàng)和 2 階項(xiàng)的極性決定，這樣，它們的和在低溫 (-40°C) 時(shí)滿足 +13Mv 和高溫時(shí)滿足 -20mV (85°C) 的調(diào)節(jié)要求。參見(jiàn)圖 6。1 階項(xiàng)和 2 階項(xiàng)或者為正、或者為負(fù)。因此?？偣灿?4 種組合。在這種情況下，僅當(dāng)兩項(xiàng)均為負(fù)時(shí)，它們的和才能滿足所需補(bǔ)償。

圖 6：1 階和 2 階解決方案的極性

圖 7 顯示了在 -40°C 和 +85°C 時(shí)所需的 1 階和 2 階補(bǔ)償。請(qǐng)注意，1 階和 2 階補(bǔ)償?shù)臉O性是負(fù)的，這樣，當(dāng)兩條曲線相加時(shí)，它們的和才能對(duì) V_OUT 產(chǎn)生所需的調(diào)節(jié)。結(jié)果，TC1 和 TC2 為負(fù)，RP1 和 RP2 從圖 8 和圖 9 決定。請(qǐng)注意，兩個(gè)解決方案的值加起來(lái)在 -40°C 時(shí)約等于 +13mV，在 +85°C 時(shí)約等于 -20mV。

圖 7：溫度補(bǔ)償解決方案

圖 8：1 階溫度補(bǔ)償系數(shù) TC1 隨外部 R_T1 值的變化

圖 9：2 階溫度補(bǔ)償系數(shù) TC2 隨外部 R_T2 值的變化

第三步。計(jì)算一個(gè)溫度極限的溫度系數(shù)，利用圖 8 和圖 9 確定 RT1 和 RT2 的電阻值。

a = 16.5 =TC1 x (85 - 25)；TC1 = 0.275mV/°C

R_T1 = 11K (根據(jù)圖 8)

b = 3.5 = TC2 x (85 - 25)²；TC2 = 0.972uV/°C²

R_T2 = 499 (根據(jù)圖 9)

圖 10 顯示了 LTC5583 的兩個(gè)輸出通道之一隨溫度變化的性能。請(qǐng)注意與圖 5 中未補(bǔ)償 VOUT 相比的溫度性能改進(jìn)。就大多數(shù)應(yīng)用而言，這也許能滿足要求了。不過(guò)，對(duì)于某些需要更佳準(zhǔn)確度的應(yīng)用, 可以執(zhí)行二次迭代以進(jìn)一步改善溫度性能。為了簡(jiǎn)化計(jì)算可忽略 detV1 和 detV2 項(xiàng)，因?yàn)檫@兩項(xiàng)不受溫度影響。因此，解決方案是不精確的。不過(guò)，在改進(jìn)隨溫度變化的準(zhǔn)確度方面，這么做很有用，如下所示。

圖 10：1 階迭代溫度補(bǔ)償?shù)?LTC5583 輸出

2 次迭代計(jì)算

第一步。從圖 10 中確定所需補(bǔ)償，采用與第一次迭代時(shí)相同的方法。

低溫 (-40°C) = -3mV 或 -0.1dB

高溫 (85°C) = -3mV 或 -0.1dB

給 1 次迭代增加新值

低溫 (-40°C) = -3mV + 13mV = 10mV

高溫 (85°C) = -3mV - 20mV = -23mV

重復(fù)第二步和第三步，計(jì)算 RT1 和 RT2 值。

R_T1 = 11K

R_T2 = 953

RP1 = 開路

RP2 = 短路

經(jīng)過(guò)兩次迭代后的性能結(jié)果如圖 11 所示。隨著溫度變化，動(dòng)態(tài)范圍為 50dB (0.2dB 線性誤差) 和 56dB (1.0dB 的線性誤差)。從表 1 中可查到其他頻率時(shí)的溫度補(bǔ)償值。

圖 11：2 階迭代后溫度補(bǔ)償?shù)?V_OUT

表 1：LTC5583 要在各種不同的頻率時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳的溫度性能，推薦采用以下設(shè)定和電阻值

這種迭代過(guò)程可以一再重復(fù)，以進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度。就大多數(shù)應(yīng)用而言，這將允許設(shè)計(jì)師按照所需要的準(zhǔn)確度引入補(bǔ)償。

LTC5582 單檢波器
計(jì)算 LTC5582 的補(bǔ)償值以求出 RT1 和 RT2 的方法是相同的，而且更容易，因?yàn)闃O性已經(jīng)預(yù)先確定了。TC1 和 TC2 為負(fù)。從表 2 中可查出在其他頻率時(shí)的 RT1 和 RT2 值。圖 8 和圖 9 中顯示的補(bǔ)償系數(shù)對(duì) LTC5582 而言是不同的。在數(shù)據(jù)表中進(jìn)行查找，以獲得更多信息。

表 2：LTC5582 要在各種不同的頻率時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳的溫度性能，推薦采用以下 RT1 和 RT2 值

結(jié)論
LTC5582 和 LTC5583 僅用兩個(gè)外部補(bǔ)償電阻器，就可以提供卓越的溫度性能。計(jì)算補(bǔ)償電阻器的過(guò)程很簡(jiǎn)單，而且可以迭代，以實(shí)現(xiàn)更高的性能。本文所舉例子是 LTC5583 在 900MHz RF 輸入時(shí)的情況，但是在該 IC 允許頻率范圍內(nèi)的任何頻率上，同樣的方法都可以應(yīng)用于LTC5582 和 LTC5583。隨溫度變化的性能相當(dāng)一致。所得性能結(jié)果為，隨溫度變化的準(zhǔn)確度可低于輸出電壓的 1%。