利用對(duì)數(shù)放大器和MCU增強(qiáng)RF功率測(cè)量精度

精確的RF功率管理是現(xiàn)代無線發(fā)射器的熱點(diǎn)話題，從基站的功率放大器保護(hù)到移動(dòng)應(yīng)用中的延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，它都有很多的優(yōu)點(diǎn)。RF功率監(jiān)測(cè)器，比如對(duì)數(shù)放大器，允許RF功率測(cè)量系統(tǒng)在一個(gè)較寬的范圍監(jiān)控和動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率。盡管近幾年來功率監(jiān)測(cè)的精度已經(jīng)有了很大改進(jìn)，但是對(duì)于像那些需要高功率發(fā)射的應(yīng)用甚至受到0 dB功率監(jiān)測(cè)誤差微小變化引起的顯著影響。因此促使不斷提高檢測(cè)器性能。

將對(duì)數(shù)放大器和溫度傳感器結(jié)合起來是一種可行的設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償方案，以顯著減小RF功率管理中兩項(xiàng)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(bǔ)償硬件集成到功率檢測(cè)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(qū)動(dòng)能力超過需求的輸出功率水平會(huì)損失很大。過多的電流消耗不但導(dǎo)致增加成本而且還會(huì)引起需要增加散熱措施的散熱問題。在極端情況下，功率放大器過驅(qū)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致由燒毀故障產(chǎn)生的可靠性問題。

精確的基站RF功率管理另外一個(gè)好處同樣超過移動(dòng)發(fā)射器，因?yàn)樗麄冇邢嗤囊?。有了精確控制輸出功率的能力，移動(dòng)設(shè)備能夠使電源電流開支最小。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(zhǎng)通話時(shí)間，同時(shí)還允許移動(dòng)發(fā)射器符合蜂窩標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1示出典型RF功率管理電路的框圖。發(fā)射信號(hào)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(hào)到達(dá)天線之前，其中發(fā)射信號(hào)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(cè)器，在這里將它轉(zhuǎn)換為直流電壓。再將功率檢測(cè)器的輸出電壓數(shù)字化并且送到數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或微控制器（MCU）。一旦得到數(shù)字化的功率測(cè)量值，就可根據(jù)測(cè)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(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）調(diào)整輸出功率，以驅(qū)動(dòng)信號(hào)通道的功率控制——不論基帶信號(hào)、RF信號(hào)還是功率放大器。一旦測(cè)量的輸出功率與要求的輸出功率之間達(dá)到平衡，RF功率管理環(huán)路將達(dá)到穩(wěn)態(tài)。同時(shí)，引入溫度傳感器作為MCU的輸入以增加溫度補(bǔ)償能力。在發(fā)射器中僅用模擬電路，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)類似的RF功率管理環(huán)路。

圖1. RF功率管理電路使用對(duì)數(shù)放大器，充分利用其以dB為單位呈線性的寬檢測(cè)范圍

以前，在RF功率管理電路中一直使用二極管檢測(cè)器來調(diào)整發(fā)射功率。它們?cè)诟咻斎牍β手禃r(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(bǔ)償電路，由于二極管檢測(cè)器在低輸入功率下使溫度性能變壞，只能提供很小的檢測(cè)范圍，一種流行的取代二極管檢測(cè)器的方法是解調(diào)對(duì)數(shù)放大器。對(duì)數(shù)放大器提供一個(gè)很容易使用以dB為單位呈線性的RF功率檢測(cè)響應(yīng)并且具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。

對(duì)數(shù)放大器

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

圖3示出60 dB動(dòng)態(tài)范圍1 MHz～8 GHz帶寬對(duì)數(shù)放大器在2.2G Hz時(shí)的傳遞函數(shù)。RF輸出功率與其輸出電壓之間呈現(xiàn)一種線性關(guān)系，也就是說，當(dāng)輸入功率增加時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出電壓以dB為單位呈線性關(guān)系跟著增加。圖中還包括一條對(duì)數(shù)一致性誤差曲線。這條對(duì)數(shù)一致性誤差曲線用于更近一步的檢查對(duì)數(shù)放大器的性能。在用灰色亮線表示的檢測(cè)范圍的線性區(qū)，可計(jì)算該傳遞函數(shù)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(duì)數(shù)放大器的實(shí)際響應(yīng)來比較。理想的線性參考模型在圖中用虛線表示。理想的線性模型與實(shí)際的響應(yīng)曲線相比較產(chǎn)生對(duì)數(shù)一致性誤差曲線（以dB為單位）。

圖3.在對(duì)數(shù)放大器檢測(cè)范圍的線性區(qū)計(jì)算的理想的參考模型與其實(shí)際響應(yīng)曲線相比較。比較結(jié)果產(chǎn)生對(duì)數(shù)一致性誤差曲線。

計(jì)算對(duì)數(shù)放大器一致性誤差的方法類似于在RF功率管理系統(tǒng)校準(zhǔn)中采用的兩點(diǎn)校準(zhǔn)方法。產(chǎn)品測(cè)試過程中，在檢測(cè)器的線性范圍內(nèi)選擇兩個(gè)已知的RF信號(hào)強(qiáng)度。利用其產(chǎn)生的輸出電壓，可以計(jì)算斜率和截距響應(yīng)特性，并存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中以便建立一個(gè)簡(jiǎn)單的線性公式。利用以dB為單位呈線性的函數(shù)關(guān)系和測(cè)量到的檢測(cè)器電壓，很容易計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)射功率。利用兩點(diǎn)校準(zhǔn)的重要優(yōu)點(diǎn)就是減少成本、縮短測(cè)試時(shí)間。然而，這種校準(zhǔn)方法僅是由于對(duì)數(shù)放大器的線性性能才成為可能。

因?yàn)樾?zhǔn)通常是在一個(gè)溫度下做的，所以溫度對(duì)檢測(cè)器的定量影響是很非常重要的。對(duì)數(shù)檢測(cè)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(dá)3.5 GHz的45 dB對(duì)數(shù)放大器在900 MHz的傳遞函數(shù)。圖中包括在-40oC和+85oC時(shí)的傳遞函數(shù)，以及對(duì)數(shù)一致性誤差隨溫度變化的關(guān)系曲線。因?yàn)樗^的兩點(diǎn)校準(zhǔn)情況，用相同的25oC線性參考產(chǎn)生三條線性一致性誤差曲線。

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

對(duì)數(shù)放大器在25°C環(huán)境溫度的傳遞函數(shù)具有50.25 dB/V的斜率和-51.6 dBm的截距（線性參考直線的延長(zhǎng)線與X軸的交點(diǎn)）。25°C的曲線在0 dB誤差線周圍波動(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(cè)范圍內(nèi)，單個(gè)器件的對(duì)數(shù)一致性誤差保持在±0.5 dB以內(nèi)。在+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(nèi)可能會(huì)有好的精確度，然而由于半導(dǎo)體制造工藝引起的器件之間固有的細(xì)小差異可以證明對(duì)于精確的RF功率管理是一種障礙。

圖5示出70個(gè)器件對(duì)數(shù)一致性誤差的分布。在很寬的器件范圍內(nèi)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(duì)25°C線性參考值校準(zhǔn)的溫度曲線。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(cè)范圍內(nèi)器件的總體分布曲線具有±1 dB的精度。由于器件與器件之間具有可重復(fù)性的漂移從而引入溫度補(bǔ)償。

圖5.器件之間的對(duì)數(shù)一致性誤差明顯不同，但其總體分布非常接近。

通常無線通信標(biāo)準(zhǔn)要求發(fā)射功率檢測(cè)方案具有±1-dB和±2-dB的精度，而在極端溫度則放寬限制。對(duì)數(shù)放大器的初始精度無需精細(xì)調(diào)整便足夠滿足大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。盡管如此，對(duì)數(shù)放大器還是有很多明顯優(yōu)點(diǎn)，它們超出了由不同標(biāo)準(zhǔn)決定的RF功率管理要求。

MCU如何能補(bǔ)償誤差

正如前面所討論的，MCU能夠利用發(fā)射信號(hào)通道的偏置電壓有效地調(diào)整發(fā)射功率。通過增加溫度傳感器，MCU能夠更進(jìn)一步提高RF功率管理系統(tǒng)的精度。只要檢測(cè)器具有可重復(fù)性的溫度漂移，對(duì)某些測(cè)量值的誤差補(bǔ)償是可以實(shí)現(xiàn)的?？蓪⒖紤]到環(huán)境變化的補(bǔ)償算法程序集成到MCU的決策程序中以顯著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(cè)器具有可重復(fù)性的溫度漂移，那么為了消除已知溫度下預(yù)期的誤差可采用一種補(bǔ)償算法。

圖6示出許多對(duì)數(shù)放大器的對(duì)數(shù)一致性誤差曲線。在3.5 GHz，溫度漂移從+1 dB擴(kuò)展到-4 dB.器件在-40°C時(shí)的總體分布曲線緊隨25°C時(shí)的曲線。相反，在+85°C的該分布曲線移動(dòng)了2.5 dB，并且不再與25°C時(shí)的分布曲線平行。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(fù)性，所以能夠?qū)崿F(xiàn)一種補(bǔ)償方案顯著提高精度。

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