頻響高達2.5GHz的高精度真有效值功率檢測器AD8361

摘要：AD8361是AD公司生產(chǎn)的高精度真有效值功率檢測器，它采用了獨特的雙平方單元閉環(huán)比效轉換電路技術，因而具有優(yōu)良的性能?？捎糜?.5GHz高頻范圍的射頻發(fā)射接收信號鏈的測試及CDMA、W-CDMA、QAM和其它一些復雜調制波形的測量。文中給出了詳實的使用技術參數(shù)和各種典型的性能分析。

關鍵詞：有效值 功率 平方 AD8361

1 概述

AD8361是一個真有效值的功率檢測器，可應用于高達2.5GHz的高頻率范圍的發(fā)射接收信號鏈的測試。采用單一電源，并能在2.7V～5.5V之間工作。在大多數(shù)應用中，只需一個電源退耦電容和輸入耦合電容即可工作且輸出呈線性響應（直流輸出具有7.5V/Vrms的轉換增益）。增加一個外部濾波電容可以增大平均時間常數(shù)。

AD8361特別適用于各種簡單或復雜波形的真有效值功率測量，尤其是測量高峰值調制系數(shù)（峰值-有效值比）的信號，例如：CDMA和W-CD-MA信號等。

為滿足各種模擬/數(shù)字轉換器的要求，AD8361具有下列三種工作方式：

●接地基準方式，初始值為0；

●內部基準方式，初始值輸出高于地電平350mV；

●電源基準方式，初始值為Vs/7.5(Vs為供電電壓)。

●AD8361可在-40℃～+85℃的溫度范圍內工作，采用8引腳的微型SOIC封裝（單個集成電路），使用專門的高載止頻率fT硅片并采用雙極工藝制造。因此，具有如下特點：

●有校正后的真有效值響應；

●具有優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性；

●2.5GHz時的輸入范圍高達30dB；

●最大輸入700mV rms，30dB，50Ω電阻；

●在頻率高達2.5GHz時，仍有±0.25dB的線性響應；

●單一電源工作：2.7V～5.5V；

●低功耗：3V電源時為3.3mW；

●快速降低功耗，電流小于1μA；

●用于CDMA、W-CDMA、QAM及其它復雜調制波形的測量。

2 引腳功能及參數(shù)

2.1 引腳功能

AD8361的引腳排列如圖1所示。各引腳功能如下：

●VPOS：電源電壓輸入端。工作范圍為2.7V～5.5V。

●IREF：輸出基準控制端。此端懸空為內部基準工作方式使能；其它工作方式下此端應與VPOS端相連。不能將此端接地。

●RFIN：信號輸入端。本端須由耦合電源驅動。低頻時，實際輸入阻抗為225Ω。

●PWDN：降低功耗控制端。此端接邏輯低電平（小于100mV）時，器件正常工作；接邏輯高電平（大于Vs-0.5V）時，器件將被關斷并使電源電流趨于0（接地和內部基準方式下電流小于1μA；在電源基準方式下，電源被100kΩ電阻隔斷）。

●COMM：器件公共接地端。

●FLTR：在此端與VPOS端配置一個電容器可降低調制濾波器的轉折點頻率。對于小信號輸入，由片內27pF電容和2kΩ電阻并聯(lián)組成濾波器。

●VRMS：輸出電壓端。輸出具有有限驅動和接近于軌-軌的電壓能力。后級負載電阻應在大于10kΩ。

●SREF：電源基準控制端。將此端接到VPOS為使能電源基準工作方式；其它工作方式下SREF接COMM端（接地）。

2.2 極限參數(shù)

下面是AD8361的極限工作參數(shù)：

●電源電壓Vs:5.5V；

●SREF和PWDN端輸入分別為0V和Vs；

●IREF端輸入：Vs-0.3V、Vs；

●RFIN端輸入：1V rms；

等效功率電阻為50Ω時為3dBm；

●內部功率耗散：200mW；

●結溫熱阻QJA：200℃/W；

●最高結溫：125℃；

●工作溫度范圍：-40℃～+85℃；

●存儲溫度范圍：-65℃～+150℃；

●引腳耐受溫度范圍（焊接時間60秒以內）：300℃。

3 工作原理

AD8361是一個有效值響應的檢測器。它提供了一種準確測量射頻功率的方法，其測量結果基本上與波形無關（真有效值）。它的內部電路框圖如圖2所示。AD8361器件采用了獨家擁有兩個相同的平方單元的電路技術，并采用一個高增益的誤差放大器平衡這兩個平方單元的輸出。

如果被測信號接到第一個平方單元的輸入端，則在RFIN端與COMM端之間的輸入阻抗為225Ω。由于輸入引腳上有一個相對于地電平約為0.8V的電壓，故須接一個耦合電容。由于采用了這個外部元件，測量范圍可擴展到任意低的頻率范圍。

當AD8361輸入端的輸入電壓值為VIN時，經(jīng)平方單元將產(chǎn)生一個與電壓VIN的平方成比例的電流，該電流通過內部負載電阻及電容構成一個低通濾波器，可提取電壓VIN平方的平均值，雖然本質上電壓響應與輸入阻抗有關，但可根據(jù)等效功率校正使1mW對應的輸入電壓為4477mV rms。在本文的應用實例部分將說明如何實現(xiàn)輸入與50Ω阻抗匹配。

通過低通濾波器后的輸入電壓幅值可能降低，可將它加到誤差放大器的一端上。第二個完全相同的電壓平方單元對此誤差放大器構成一個閉合的負反饋電路，第二個平方單元由AD8361的準直流輸出電壓的分壓驅動，當?shù)诙€平方單元的輸入電壓等于VIN的有效值時，閉環(huán)電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時，輸出電壓就是輸入電壓的有效值。此反饋回路的反饋系數(shù)是0.133，有效值-直流（rms-dc）的轉換增益為7.5，即：

Vout=7.5VIN rms

利用第二個平方單元構成的反饋通道可實現(xiàn)對接收信號的精密測量，這種方法的優(yōu)點有兩點：第一是量程變化的影響在兩個平方單元中消除了；第二是在溫升時，兩個平方單元的響應跟蹤過程非常接近，從而有極好的校準穩(wěn)定性。

平方單元具有非常寬的頻帶寬度，從而有從直流到微波的固有響應。然而，在動態(tài)范圍的末端底部會產(chǎn)生很小的誤差信號，由于有內部的小量偏移，因而在小信號時，其精度將受到一些影響。

另一方面，AD8361中的平方單元有“AB”類的特征：輸入峰值不受靜態(tài)偏置條件的限制，主要取決于平方律一致性的最終損失。其結果是，平方單元的響應范圍的頂部末端在相當大的輸入電壓（大約700mV rms）時出現(xiàn)，實際上，最大可用范圍將受到輸出擺幅的限制。軌-軌的輸出能從此地電平高幾個毫伏擺幅到僅比電源電壓低（小于100mV）的電壓。

4 AD8361的應用

4.1 基本連接方式

圖3為AD8361采用電源基準的基本連接方式。器件采用單一電源（2.7V～5.5V之間），VPOS端由100pF和0.01μF的電容器退耦，在工作狀態(tài)下，其靜態(tài)電流為1.1mA，可將PWDN與VPOS連接以使靜態(tài)電流減小到1μA。

將一個75Ω外部電阻與交流耦合輸入相連接可等效為一個覆蓋全部帶寬的近似50Ω的輸入阻抗。注意：耦合電容必須連接在輸入端與該支路阻抗之間。

輸入耦合電容與內部輸入電阻組合，產(chǎn)生的高通轉折頻率可用下式計算：

f3dB=1/2πCcRin

圖3電路中采用10pF電容，其高通轉折頻率約為8MHz。

輸出電壓的標稱值是輸入電壓有效值的7.5倍（7.5V/V rms轉換增益），可由SREF和IREF端設定接地基準、內部基準和電源基準三種不同的工作方式。在圖3所示的接地基準方式下，輸出電壓的擺幅可從接近地電平到5V電源下的4.9V。如將IREF和VPOS端相連，則設定為內部基準方式。電源基準方式的連接方法是在內部基準方式的基礎上再將SREF端與VPOS端連接起來。在這兩種方式下，允許在輸出端上加一個補償電壓。內部基準方式時的輸出電壓擔架幅將被350mV的內部基準電壓向上平移；電源基準方式是將Vs/7.5的補償電壓加到輸出電壓上。表1匯總了三種方式下的連接、輸出轉換系數(shù)和輸出電壓。

表1 三種連接方式和標稱轉換的關系

AD8361芯片能產(chǎn)生近3mA的輸出電流，在輸出端采用運算放大器驅動電路可增加或減少7.5V/V rms的標稱輸出（見圖3）。通過電位器分壓可得到3.75V/V rms的斜率。調整運算放大器的增益同樣可使斜率增加或減少。如果需要高輸出電流（>10mA），可利用AD8361所具有的軌-軌功能，它可使電流達到45mA。