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(zhuǎn)換電路技術(shù)，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(fù)雜調(diào)制波形的測量。文中給出了詳實的使用技術(shù)參數(shù)和各種典型的性能分析。

關(guān)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(yīng)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(yīng)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(yīng)（直流輸出具有7.5V/Vrms的轉(zhuǎn)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(fù)雜波形的真有效值功率測量，尤其是測量高峰值調(diào)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(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(yīng)；

●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(yīng)；

●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(fù)雜調(diào)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(nèi)部基準工作方式使能；其它工作方式下此端應(yīng)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(qū)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(guān)斷并使電源電流趨于0（接地和內(nèi)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(diào)制濾波器的轉(zhuǎn)折點頻率。對于小信號輸入，由片內(nèi)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(qū)動和接近于軌-軌的電壓能力。后級負載電阻應(yīng)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(nèi)部功率耗散：200mW；

●結(jié)溫?zé)嶙鑁JA：200℃/W；

●最高結(jié)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(nèi)）：300℃。

3 工作原理

AD8361是一個有效值響應(yīng)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(jié)果基本上與波形無關(guān)（真有效值）。它的內(nèi)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(shù)，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(nèi)部負載電阻及電容構(gòu)成一個低通濾波器，可提取電壓VIN平方的平均值，雖然本質(zhì)上電壓響應(yīng)與輸入阻抗有關(guān)，但可根據(jù)等效功率校正使1mW對應(yīng)的輸入電壓為4477mV rms。在本文的應(yīng)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(gòu)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(qū)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(zhuǎn)換增益為7.5，即：

Vout=7.5VIN rms

利用第二個平方單元構(gòu)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(yīng)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(yīng)。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(nèi)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(jié)果是，平方單元的響應(yīng)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(yīng)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(nèi)部輸入電阻組合，產(chǎn)生的高通轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換增益），可由SREF和IREF端設(shè)定接地基準、內(nèi)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(shè)定為內(nèi)部基準方式。電源基準方式的連接方法是在內(nèi)部基準方式的基礎(chǔ)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(nèi)部基準方式時的輸出電壓擔架幅將被350mV的內(nèi)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(zhuǎn)換系數(shù)和輸出電壓。

表1 三種連接方式和標稱轉(zhuǎn)換的關(guān)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(qū)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(diào)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。