利用對數放大器和MCU增強RF功率測量精度

精確的RF功率管理是現代無(wú)線(xiàn)發(fā)射器的熱點(diǎn)話(huà)題，從基站的功率放大器保護到移動(dòng)應用中的延長(cháng)電池使用時(shí)間，它都有很多的優(yōu)點(diǎn)。RF功率監測器，比如對數放大器，允許RF功率測量系統在一個(gè)較寬的范圍監控和動(dòng)態(tài)調整發(fā)射功率。盡管近幾年來(lái)功率監測的精度已經(jīng)有了很大改進(jìn)，但是對于像那些需要高功率發(fā)射的應用甚至受到0 dB功率監測誤差微小變化引起的顯著(zhù)影響。因此促使不斷提高檢測器性能。

將對數放大器和溫度傳感器結合起來(lái)是一種可行的設計溫度補償方案，以顯著(zhù)減小RF功率管理中兩項主要誤差因素的作用——溫度和制造工藝變化。在某些情況下，將溫度補償硬件集成到功率檢測芯片中。

RF功率管理概述

精確的基站RF功率管理非常重要，發(fā)射功率放大器的驅動(dòng)能力超過(guò)需求的輸出功率水平會(huì )損失很大。過(guò)多的電流消耗不但導致增加成本而且還會(huì )引起需要增加散熱措施的散熱問(wèn)題。在極端情況下，功率放大器過(guò)驅動(dòng)會(huì )導致由燒毀故障產(chǎn)生的可靠性問(wèn)題。

精確的基站RF功率管理另外一個(gè)好處同樣超過(guò)移動(dòng)發(fā)射器，因為他們有相同的要求。有了精確控制輸出功率的能力，移動(dòng)設備能夠使電源電流開(kāi)支最小。例如，RF功率管理允許發(fā)射的功率被精密限制在需要功率水平的最小值，從而減小電池電流。精確地控制功率會(huì )延長(cháng)通話(huà)時(shí)間，同時(shí)還允許移動(dòng)發(fā)射器符合蜂窩標準要求。

圖1示出典型RF功率管理電路的框圖。發(fā)射信號通道由三個(gè)連貫的單元組成：基帶，射頻（RF）發(fā)射，功率放大器。在發(fā)射信號到達天線(xiàn)之前，其中發(fā)射信號的一部分被雙向耦合器采樣。將采樣的RF功率送到功率檢測器，在這里將它轉換為直流電壓。再將功率檢測器的輸出電壓數字化并且送到數字信號處理器（DSP）或微控制器（MCU）。一旦得到數字化的功率測量值，就可根據測量的輸出功率與要求的輸出功率之間的關(guān)系做出決定。MCU可利用數模轉換器（DAC）和可變增益放大器（VGA）調整輸出功率，以驅動(dòng)信號通道的功率控制——不論基帶信號、RF信號還是功率放大器。一旦測量的輸出功率與要求的輸出功率之間達到平衡，RF功率管理環(huán)路將達到穩態(tài)。同時(shí)，引入溫度傳感器作為MCU的輸入以增加溫度補償能力。在發(fā)射器中僅用模擬電路，就可以實(shí)現一個(gè)類(lèi)似的RF功率管理環(huán)路。

圖1. RF功率管理電路使用對數放大器，充分利用其以dB為單位呈線(xiàn)性的寬檢測范圍

以前，在RF功率管理電路中一直使用二極管檢測器來(lái)調整發(fā)射功率。它們在高輸入功率值時(shí)提供良好的溫度性能，但在低輸入功率時(shí)性能變壞。甚至使用溫度補償電路，由于二極管檢測器在低輸入功率下使溫度性能變壞，只能提供很小的檢測范圍，一種流行的取代二極管檢測器的方法是解調對數放大器。對數放大器提供一個(gè)很容易使用以dB為單位呈線(xiàn)性的RF功率檢測響應并且具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。

對數放大器

圖2示出逐級壓縮對數放大器。在本例中，有4個(gè)10 dB級聯(lián)的限幅放大器構成了逐步的壓縮鏈。5個(gè)全波整流檢測器單元將RF信號電壓轉換為電流——其中一個(gè)檢測器單元在RF輸入端，其余4個(gè)在放大器級的輸出端。檢測器單元產(chǎn)生的電流與電壓信號幅度成比例，并且將這些電流相加以近似一個(gè)對數函數。用一個(gè)高增益級將流入的電流總和轉換成電壓?？缃釉?個(gè)10 dB放大器上的5個(gè)檢測器單元允許對數放大器具有50 dB檢測范圍。

圖2.跨接在4個(gè)10 dB放大器之間的5個(gè)檢波器允許逐級壓縮對數放大器達到50 dB檢測范圍

圖3示出60 dB動(dòng)態(tài)范圍1 MHz～8 GHz帶寬對數放大器在2.2G Hz時(shí)的傳遞函數。RF輸出功率與其輸出電壓之間呈現一種線(xiàn)性關(guān)系，也就是說(shuō)，當輸入功率增加時(shí)，對應的輸出電壓以dB為單位呈線(xiàn)性關(guān)系跟著(zhù)增加。圖中還包括一條對數一致性誤差曲線(xiàn)。這條對數一致性誤差曲線(xiàn)用于更近一步的檢查對數放大器的性能。在用灰色亮線(xiàn)表示的檢測范圍的線(xiàn)性區，可計算該傳遞函數的斜率和它與X軸的截距。這個(gè)信息提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的理想模型以便與對數放大器的實(shí)際響應來(lái)比較。理想的線(xiàn)性參考模型在圖中用虛線(xiàn)表示。理想的線(xiàn)性模型與實(shí)際的響應曲線(xiàn)相比較產(chǎn)生對數一致性誤差曲線(xiàn)（以dB為單位）。

圖3.在對數放大器檢測范圍的線(xiàn)性區計算的理想的參考模型與其實(shí)際響應曲線(xiàn)相比較。比較結果產(chǎn)生對數一致性誤差曲線(xiàn)。

計算對數放大器一致性誤差的方法類(lèi)似于在RF功率管理系統校準中采用的兩點(diǎn)校準方法。產(chǎn)品測試過(guò)程中，在檢測器的線(xiàn)性范圍內選擇兩個(gè)已知的RF信號強度。利用其產(chǎn)生的輸出電壓，可以計算斜率和截距響應特性，并存儲在非易失性存儲器中以便建立一個(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性公式。利用以dB為單位呈線(xiàn)性的函數關(guān)系和測量到的檢測器電壓，很容易計算現場(chǎng)的發(fā)射功率。利用兩點(diǎn)校準的重要優(yōu)點(diǎn)就是減少成本、縮短測試時(shí)間。然而，這種校準方法僅是由于對數放大器的線(xiàn)性性能才成為可能。

因為校準通常是在一個(gè)溫度下做的，所以溫度對檢測器的定量影響是很非常重要的。對數檢測器的精度隨溫度的變化可用一致性誤差表示。圖4示出工作頻率高達3.5 GHz的45 dB對數放大器在900 MHz的傳遞函數。圖中包括在-40oC和+85oC時(shí)的傳遞函數，以及對數一致性誤差隨溫度變化的關(guān)系曲線(xiàn)。因為所謂的兩點(diǎn)校準情況，用相同的25oC線(xiàn)性參考產(chǎn)生三條線(xiàn)性一致性誤差曲線(xiàn)。

圖4.在900 MHz處單個(gè)器件的對數一致性誤差示出工作溫度范圍內±0.5dB的精度。

對數放大器在25°C環(huán)境溫度的傳遞函數具有50.25 dB/V的斜率和-51.6 dBm的截距（線(xiàn)性參考直線(xiàn)的延長(cháng)線(xiàn)與X軸的交點(diǎn)）。25°C的曲線(xiàn)在0 dB誤差線(xiàn)周?chē)▌?dòng)，然而，在兩端溫度處具有較小的斜率和截距偏移。在工作溫度范圍和40 dB檢測范圍內，單個(gè)器件的對數一致性誤差保持在±0.5 dB以?xún)?。?85°C時(shí)的溫度漂移是動(dòng)態(tài)范圍的限制。雖然單個(gè)器件在工作溫度范圍內可能會(huì )有好的精確度，然而由于半導體制造工藝引起的器件之間固有的細小差異可以證明對于精確的RF功率管理是一種障礙。

圖5示出70個(gè)器件對數一致性誤差的分布。在很寬的器件范圍內抽樣以證明制造工藝引起的偏差。每個(gè)器件都有三條相對25°C線(xiàn)性參考值校準的溫度曲線(xiàn)。盡管器件與器件之間有明顯的偏差，但其分布值非常接近。在工作溫度范圍和大于40 dB的檢測范圍內器件的總體分布曲線(xiàn)具有±1 dB的精度。由于器件與器件之間具有可重復性的漂移從而引入溫度補償。

圖5.器件之間的對數一致性誤差明顯不同，但其總體分布非常接近。

通常無(wú)線(xiàn)通信標準要求發(fā)射功率檢測方案具有±1-dB和±2-dB的精度，而在極端溫度則放寬限制。對數放大器的初始精度無(wú)需精細調整便足夠滿(mǎn)足大多數標準。盡管如此，對數放大器還是有很多明顯優(yōu)點(diǎn)，它們超出了由不同標準決定的RF功率管理要求。

MCU如何能補償誤差

正如前面所討論的，MCU能夠利用發(fā)射信號通道的偏置電壓有效地調整發(fā)射功率。通過(guò)增加溫度傳感器，MCU能夠更進(jìn)一步提高RF功率管理系統的精度。只要檢測器具有可重復性的溫度漂移，對某些測量值的誤差補償是可以實(shí)現的?？蓪⒖紤]到環(huán)境變化的補償算法程序集成到MCU的決策程序中以顯著(zhù)減少或消除制造工藝和溫度變化。例如，如果一個(gè)功率檢測器具有可重復性的溫度漂移，那么為了消除已知溫度下預期的誤差可采用一種補償算法。

圖6示出許多對數放大器的對數一致性誤差曲線(xiàn)。在3.5 GHz，溫度漂移從+1 dB擴展到-4 dB.器件在-40°C時(shí)的總體分布曲線(xiàn)緊隨25°C時(shí)的曲線(xiàn)。相反，在+85°C的該分布曲線(xiàn)移動(dòng)了2.5 dB，并且不再與25°C時(shí)的分布曲線(xiàn)平行。盡管在這個(gè)頻率處的溫度漂移很大，但在每個(gè)特定溫度下的分布保持的非常接近。由于這些飄移的可重復性，所以能夠實(shí)現一種補償方案顯著(zhù)提高精度。

圖6.在3.5 GHz處+85°C時(shí)的溫度漂移分布曲線(xiàn)移動(dòng)并不再與25°C時(shí)的分布曲線(xiàn)平行。