今天的RF功率檢測(cè)器將滿足3G應(yīng)用需要嗎？

差不多一個(gè)世紀(jì)以來，一直采用二極管整流器電路進(jìn)行信號(hào)電平檢測(cè)。采用非常簡(jiǎn)單的半波整流電路就可以實(shí)現(xiàn)這種檢測(cè)功能，這種電路一般包括整流二極管、濾波電容和電阻，或者一個(gè)RF扼流圈外加一個(gè)次級(jí)電容，這兩個(gè)最簡(jiǎn)單的檢測(cè)器電路都是半波整流器。

直到20世紀(jì)的早期，固態(tài)檢測(cè)器還是由類似于方鉛礦(鉛硫化物)的晶體組成的。當(dāng)用金屬接觸方鉛礦時(shí)方鉛礦就會(huì)產(chǎn)生整流特性。后來改進(jìn)的一種檢測(cè)器是點(diǎn)接觸二極管，它由均勻攙雜的半導(dǎo)體組成，其中釘入了一個(gè)非常小的尖角金屬須，通常這個(gè)金屬須是用鎢制造的，在金屬須與半導(dǎo)體接觸的地方就形成了整流結(jié)，金屬須就成了二極管的正極。

今天，點(diǎn)接觸二極管還在生產(chǎn)。這些二極管產(chǎn)生的正向電壓非常低，其寄生電容也非常小，卻具有相當(dāng)高的反向擊穿電壓，這些特性是這種二極管被用做檢測(cè)器的優(yōu)勢(shì)所在。點(diǎn)接觸二極管也是一個(gè)廣泛應(yīng)用的載波器件，具有良好的高頻信號(hào)整流能力，許多雷達(dá)和通訊接收器就使用了點(diǎn)接觸二極管檢測(cè)器。

不過，點(diǎn)接觸二極管有兩個(gè)主要的缺點(diǎn)，首先它非常脆，而且很難重復(fù)生產(chǎn)，振動(dòng)或機(jī)械沖擊就能引起金屬須移位，甚至?xí)簳r(shí)性地或永久性地失去與半導(dǎo)體的接觸，因此這種檢測(cè)器的可靠性就大打折扣，特別對(duì)移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用更是如此。

點(diǎn)接觸二極管的RF性能受到如下因素的影響：裸片上觸點(diǎn)的位置、金屬須對(duì)結(jié)施加的壓力，在形成接觸點(diǎn)所要求的作用力下金屬須的變形。確實(shí)，有時(shí)制造商會(huì)“修正”點(diǎn)接觸二極管，換句話說，制造商測(cè)量二極管的性能，然后用錘敲打它們來調(diào)整觸點(diǎn)。

PN結(jié)二極管解決了點(diǎn)接觸二極管的機(jī)械易碎問題，當(dāng)然也帶來了其它一些問題。PN結(jié)二極管是通過將一層P型摻雜半導(dǎo)體與一層N型摻雜半導(dǎo)體組合在一起形成的二極管。PN結(jié)的正向電壓比點(diǎn)接觸結(jié)的正向電壓高出很多，這取決于所使用的半導(dǎo)體材料。例如，一個(gè)鍺二極管的正向電壓大約為400mV，而一個(gè)硅二極管所產(chǎn)生的正向電壓約為700mV，一個(gè)砷化鎵(GaAs)PN結(jié)二極管則可以產(chǎn)生大約1.2V的正向電壓。

PN結(jié)二極管的高正向電壓限制了它對(duì)非常小的信號(hào)的靈敏度。與點(diǎn)接觸二極管相比，PN結(jié)二極管的結(jié)電容也大一個(gè)數(shù)量級(jí)或更大。在正偏壓作用下，PN結(jié)會(huì)在耗盡層臨時(shí)儲(chǔ)存少許的電荷載流子，當(dāng)了讓二極管實(shí)現(xiàn)整流，這些電荷那么從耗盡層導(dǎo)出要么與空穴重新結(jié)合，在后一種情況下這個(gè)過程需要花數(shù)微秒的時(shí)間才能完成，這樣PN結(jié)二極管整流高頻信號(hào)的能力就很差，所以，RF檢測(cè)器幾乎不使用PN結(jié)二極管。

現(xiàn)在，我們來看一下肖特基二極管檢測(cè)器。這種二極管具備點(diǎn)接觸二極管的許多優(yōu)點(diǎn)，但沒有機(jī)械易碎的毛病，它是通過在均勻摻雜的半導(dǎo)體片上沉積一層非常薄非常小的金屬層而形成的，由于是物理接觸，所以就迫使金屬層與半導(dǎo)體的費(fèi)爾米水平相等，金屬作用與半導(dǎo)體材料電子吸引力之差就決定了勢(shì)壘的高度，也就決定了結(jié)的正向電壓。

市面上一般提供四種硅肖特基二極管，高勢(shì)壘正向電壓近600mV，中等勢(shì)壘正向電壓大約為330mV，而低勢(shì)壘硅肖特基二極管的正向電壓為280mV，零偏壓檢測(cè)器的正向電壓為180mV。砷化鎵肖特基二極管的正向電壓可以達(dá)到近700mV。像點(diǎn)接觸二極管一樣，肖特基二極管也是以多數(shù)載流子導(dǎo)電的器件，因此它們開關(guān)阻抗的速度非常快，大多數(shù)情況都在1ns以內(nèi)。

肖特基二極管的結(jié)可以做得非常小，因此其結(jié)電容也相應(yīng)很小。這兩個(gè)因素使肖特基二極管成為高頻微波和低頻至毫米波頻率應(yīng)用的優(yōu)良選擇。需要注意的是肖特基二極管對(duì)靜電放電非常敏感，也很容易損壞。

固態(tài)溫度計(jì)

所有這些二極管的性能對(duì)溫度的變化都很敏感。確實(shí)，在許多電子溫度調(diào)節(jié)裝置中，PN結(jié)二極管被用作溫度傳感器。在這種情況下，二極管檢測(cè)器的輸出電壓就不僅僅是輸入信號(hào)幅值的函數(shù)了，它也是結(jié)溫的函數(shù)，這一特性使得我們必須對(duì)檢測(cè)器電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償，增加一個(gè)二極管可以進(jìn)行有限程度的補(bǔ)償。要獲得更有效的補(bǔ)償，就需要增加一個(gè)二極管(作為溫度計(jì))和一個(gè)差動(dòng)放大器。實(shí)際的檢測(cè)器電路并不像最初的電路這么簡(jiǎn)單。

二極管檢測(cè)器的傳遞函數(shù)可以劃分為不同的兩個(gè)區(qū)域，即所謂的“平方律區(qū)”和“線性區(qū)”(見圖1)。平方律區(qū)適應(yīng)于非常小的輸入信號(hào)，在這個(gè)區(qū)域所檢測(cè)的輸出電壓正比于輸入信號(hào)電壓的平方。對(duì)于更大的輸入信號(hào)，檢測(cè)器則隨輸入信號(hào)電壓線性地變化。

這里討論的所有二極管都有這種現(xiàn)象。不過，還是有一個(gè)區(qū)別，對(duì)于每一種結(jié)，發(fā)生這種轉(zhuǎn)換(躍遷)時(shí)的輸入信號(hào)電平是不相同的。這個(gè)從平方律區(qū)域向線性區(qū)的轉(zhuǎn)換并不是當(dāng)輸入信號(hào)電壓逐漸接近轉(zhuǎn)換區(qū)域時(shí)突然發(fā)生的，準(zhǔn)確地說，它是逐漸發(fā)生的，所以在檢測(cè)輸入信號(hào)電壓時(shí)幾乎不會(huì)產(chǎn)生誤差。

對(duì)數(shù)放大器

對(duì)于頻率高達(dá)8GHz的信號(hào)，IC檢波對(duì)數(shù)放大(log-amp)檢測(cè)器相比二極管檢測(cè)器來說具有許多優(yōu)點(diǎn)。在輸入動(dòng)態(tài)范圍、輸入靈敏度及溫度穩(wěn)定性方面，設(shè)計(jì)優(yōu)良的log-amp相比二級(jí)管檢測(cè)器來說更好。檢波對(duì)數(shù)放大器由一系列級(jí)聯(lián)的線性放大器單元組成，這些放大器單元的增益一般來說都是相同的，都在6-12 dB之間，具體值取決于不同的設(shè)計(jì)目的。封包檢測(cè)器與每個(gè)增益級(jí)相連，在第一個(gè)增益級(jí)的輸入端。

像AD8306這樣的精密對(duì)數(shù)放大器的總電壓增益可以達(dá)到120dB(百萬分之一的因子)。即使在放大器初級(jí)沒有輸入信號(hào)，輸出級(jí)也接近于抑制狀態(tài)。這個(gè)抑制狀態(tài)是由逐級(jí)放大的內(nèi)部噪聲造成的。當(dāng)輸入信號(hào)幅值增大時(shí)，每個(gè)增益級(jí)就進(jìn)入抑制狀態(tài)，抑制狀態(tài)開始于輸出級(jí)，并逐漸延伸到輸入級(jí)。

與這些增益級(jí)輸出端相連的檢測(cè)器會(huì)產(chǎn)生與這些點(diǎn)的信號(hào)電壓成比例的電流，所有輸出電流之和與輸入信號(hào)幅值存在對(duì)數(shù)關(guān)系，檢測(cè)到的輸出信號(hào)相對(duì)于輸入電壓呈線性增益變化，對(duì)數(shù)放大器檢測(cè)器的線性增益響應(yīng)特性有兩個(gè)優(yōu)于平方律檢測(cè)器的重要優(yōu)點(diǎn)。

由于其對(duì)數(shù)關(guān)系，非常大的輸入電壓變化可以用相對(duì)較小的檢測(cè)器輸出電壓變化來表示。就增益dB而言，在整個(gè)額定的輸入信號(hào)范圍內(nèi)對(duì)數(shù)放大檢測(cè)器具有良好的穩(wěn)定的靈敏度。另外，對(duì)數(shù)放大器一般由數(shù)百個(gè)晶體管組成，因此增加幾個(gè)用于溫度補(bǔ)償?shù)木w管幾乎不會(huì)增加額外的成本，還可以大大簡(jiǎn)化采用對(duì)數(shù)放大檢測(cè)器電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的工程師的任務(wù)。

隨著對(duì)數(shù)放大器輸入電壓波峰因數(shù)的增加，對(duì)數(shù)放大器的輸出電壓將發(fā)生平移(傳遞函數(shù)垂直平移，mV/dB不變)，以響應(yīng)輸入信號(hào)電壓峰值的變化。表1中給出了各種輸入電壓的校正因數(shù)。如果不知道信號(hào)的波峰因數(shù)，那么解釋對(duì)數(shù)放大器輸出時(shí)就有可能產(chǎn)生錯(cuò)誤，例如在呼叫負(fù)載和載波功率不斷改變的多路載波W-CDMA基站發(fā)射機(jī)應(yīng)用中就可能遇到這種情況。由于二極管檢測(cè)器也不具有均方根響應(yīng)特性，所以波峰因數(shù)對(duì)二極管檢測(cè)器也有同樣的影響。

自動(dòng)增益控制對(duì)數(shù)放大檢測(cè)器

圖2中給出了TruPwr指數(shù)AGC對(duì)數(shù)放大檢測(cè)器的簡(jiǎn)化框圖。這里RF信號(hào)電壓被加到微分可變鏈?zhǔn)剿p器上，衰減器的輸出傳遞給一個(gè)固定增益放大器。鏈?zhǔn)剿p器的衰減率由高斯內(nèi)插轉(zhuǎn)發(fā)器來控制，這三個(gè)單元構(gòu)成了類似于AD8367 VGA中所發(fā)現(xiàn)的X-AMP結(jié)構(gòu)。

RF輸入信號(hào)接到微分鏈?zhǔn)剿p器的輸入端，后者由數(shù)個(gè)6dB的級(jí)聯(lián)段組成，在這些級(jí)聯(lián)段之間的每個(gè)結(jié)點(diǎn)都接有跨導(dǎo)單元，同時(shí)這些跨導(dǎo)單元還連接到第一段的輸入和最后一段的輸出上，通過接通一個(gè)跨導(dǎo)而斷開其它跨導(dǎo)就可以獲得6dB及數(shù)倍的衰減。

如果要求衰減必須在6dB的倍數(shù)之間，接通相應(yīng)大小的跨導(dǎo)即可，在高斯轉(zhuǎn)發(fā)器的控制下這些跨導(dǎo)的輸出迭加在一起，高斯轉(zhuǎn)發(fā)器控制跨導(dǎo)的大小以產(chǎn)生正確的輸出信號(hào)幅值。這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器負(fù)責(zé)對(duì)規(guī)律曲線中的紋波進(jìn)行處理。

接下來，放大器的輸出被加到平方運(yùn)算單元，這個(gè)平方運(yùn)算單元的輸出電流再加到內(nèi)部迭加結(jié)點(diǎn)。一個(gè)穩(wěn)定的片內(nèi)電壓基準(zhǔn)產(chǎn)生的電壓通過緩沖器加到第二個(gè)同樣的平方運(yùn)算單元，其輸出電流與信號(hào)路徑平方運(yùn)算單元的輸出電流相減，然后由內(nèi)外部電容均分，所產(chǎn)生的電壓緩沖后加到定點(diǎn)電路的輸入端。

然后定點(diǎn)電路將這個(gè)電壓衰減或放大后加到可變鏈?zhǔn)剿p器的衰減控制端，鏈?zhǔn)剿p器自動(dòng)調(diào)節(jié)衰減率，直到加在信號(hào)路徑平方運(yùn)算單元上的信號(hào)達(dá)到目標(biāo)值。當(dāng)流出信號(hào)路徑平方運(yùn)算單元的平均電流等于流入基準(zhǔn)路徑平方運(yùn)算單元的電流時(shí)，就會(huì)達(dá)到上述狀態(tài)：

當(dāng)這個(gè)狀態(tài)存在時(shí)，有：

這里VATG是加在VTGT腳上的衰減/放大目標(biāo)電壓。

當(dāng)達(dá)到這個(gè)狀態(tài)時(shí)，緩沖放大器輸出電壓就與輸入信號(hào)均方根電壓的對(duì)數(shù)成比例，這個(gè)值直接與輸入信號(hào)功率成比例。正如與解調(diào)對(duì)數(shù)放大器的情況一樣，其響應(yīng)特性也是線性增益(dB)特性。在這個(gè)系統(tǒng)中，不需要進(jìn)行平方根運(yùn)算，在設(shè)計(jì)這個(gè)電路時(shí)正確選擇基準(zhǔn)路徑電流值。

就性能而言，對(duì)于波峰因數(shù)大的輸入信號(hào)，與均方根-直流檢測(cè)器相比，指數(shù)AGC對(duì)數(shù)放大器有了一定的改進(jìn)。與輸入信號(hào)為純正弦波情況下的性能相比，15個(gè)呼叫負(fù)載的WCDMA信號(hào)的平均誤差只有0.5dB。

利用抖動(dòng)特性可以進(jìn)一步改善指數(shù)AGC對(duì)數(shù)放大器的性能。取決于所測(cè)量輸入信號(hào)的類型，可以加一個(gè)噪聲信號(hào)到VSET或VTGT引腳上。這樣做的目的是以減小定律適應(yīng)曲線的紋波幅值這樣一種方式來運(yùn)用高斯轉(zhuǎn)發(fā)器。

無論在什么情況下，諸如CDMA或WCDMA這樣的RF輸入信號(hào)與噪聲類似，則應(yīng)該使用改進(jìn)的對(duì)數(shù)放大電路(圖3)。連接到低通轉(zhuǎn)角頻率(CLPF)引腳的外部濾波電容是有意選擇用來對(duì)加到緩沖放大器的凈電流進(jìn)行非常細(xì)小的濾波處理，但這個(gè)濾波處理足以有效地平均輸入信號(hào)電壓的平方。

這樣，放大器的輸出電壓帶有很大的噪聲成分，但是其平均值處于正確電壓的中心，對(duì)應(yīng)于輸入信號(hào)電壓的均方根值。這個(gè)幅值大約在300mVp-p的嘈雜信號(hào)直接被加到定點(diǎn)電壓輸入端VSET。 這樣迫使控制輸入信號(hào)衰減的高斯轉(zhuǎn)發(fā)器在平衡AGC回路所必需的電壓值上下波動(dòng)，所產(chǎn)生的衰減就更加依賴于輸入信號(hào)電壓的均方根值，而與高斯轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)部的衰減紋波有較弱的依賴關(guān)系，簡(jiǎn)單點(diǎn)說，就是規(guī)律曲線中的紋波被扁平化了。

如果像CW正弦波或FM信號(hào)一樣，輸入信號(hào)具有恒定的包絡(luò)，仍然可以實(shí)現(xiàn)抖動(dòng)效應(yīng)。但是這需要一個(gè)通過交流耦合加到VTGT引腳的外部噪聲源。在這種情況下，來自基準(zhǔn)平方運(yùn)算器的電流在VREF電壓所產(chǎn)生的直流電流上下波動(dòng)，這個(gè)波動(dòng)便在緩沖放大器輸出端VOUT引腳產(chǎn)生噪聲，最終被加到高斯衰減器衰減控制端，其凈效果與前面描述的效果一樣。

控制：額外的一個(gè)應(yīng)用

到現(xiàn)在為止，這篇文章已經(jīng)討論了多種檢測(cè)器的信號(hào)電平測(cè)量。然而，指數(shù)AGC對(duì)數(shù)放大器還可以用作幅值控制器。例如，可以用對(duì)數(shù)放大器的輸出電壓來控制像可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)或電壓可變衰減器(VVA)這樣的外部電路元件。在這種情況下，外部電路就成了對(duì)數(shù)放大器AGC反饋網(wǎng)絡(luò)的一部分。

將一個(gè)與有效信號(hào)水平對(duì)應(yīng)的定點(diǎn)電壓加到VSET引腳，對(duì)數(shù)放大器的輸出電壓會(huì)被迫達(dá)到一個(gè)電壓值(在電壓范圍內(nèi))，這個(gè)電壓值必須能夠驅(qū)使外部幅值控制元件(本例中為VVA)產(chǎn)生一個(gè)可在電流迭加結(jié)點(diǎn)平衡平方運(yùn)算單元電流的輸入信號(hào)。在VSET引腳加定點(diǎn)電壓使鏈?zhǔn)剿p器的衰減率保持不變，這樣外部系統(tǒng)級(jí)控制就可以實(shí)現(xiàn)平衡AGC回路的功能。

注意，加到VSET的定點(diǎn)電壓決定著用于平衡回路的信號(hào)電壓均方根值，因此它也決定著一個(gè)大功率放大器的輸出功率。例如，在控制模式下，在輸入端產(chǎn)生一個(gè)給定信號(hào)水平的定點(diǎn)電壓。它與在測(cè)量模式下出現(xiàn)所有效輸入信號(hào)電壓時(shí)對(duì)數(shù)放大器將產(chǎn)生的電壓相等。

標(biāo)有“可選調(diào)理電路”的電路塊用于平移和放大對(duì)數(shù)放大器的輸出電壓，其變化在VVA所要求的0~3.6V的控制電壓范圍內(nèi)。如果VVA的控制電壓范圍等于或略微小于對(duì)數(shù)放大器的輸出電壓范圍，那么可以省略這個(gè)電路塊。

顯然，可用于檢測(cè)RF信號(hào)水平的技術(shù)已經(jīng)有了很大的改進(jìn)，從原始的晶體檢測(cè)器，已經(jīng)發(fā)展到了解調(diào)-指數(shù)對(duì)數(shù)放大器架構(gòu)以及直接RF均方根-直流轉(zhuǎn)換器。這些進(jìn)步使RF信號(hào)水平的檢測(cè)具有更高的精確度和更好的穩(wěn)定性，甚至對(duì)于那些已在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中大量應(yīng)用的大波峰因數(shù)信號(hào)的也是如此。

作者：Rick Cory, Eamon Nash