由于其基本的整流特性，只要有二極管，二極管就被用來(lái)產(chǎn)生與交流和射頻信號(hào)電平成比例的直流電壓。本文將比較基于二極管的RF和微波與集成電路替代方案的性能。涵蓋的主題包括傳遞函數(shù)線(xiàn)性度、溫度穩(wěn)定性和ADC接口。

基于分立二極管的RF檢波器

圖1所示為一種常用的基于二極管的RF檢測(cè)電路的原理圖。這可以被認(rèn)為是具有輸出濾波的簡(jiǎn)單半波整流器。輸入信號(hào)的正半周期正向偏置肖特基二極管，肖特基二極管又為電容器充電。在負(fù)半周期，二極管反向偏置，導(dǎo)致電容上的電壓保持并產(chǎn)生與輸入信號(hào)成比例的直流輸出。為了在輸入信號(hào)減小或關(guān)閉時(shí)允許該電壓下降，與電容器并聯(lián)的電阻器提供放電路徑。

圖1.基于肖特基二極管的RF檢波器。

圖2顯示了該電路的傳遞函數(shù)。輸入功率以dB為單位，輸出電壓以對(duì)數(shù)垂直刻度表示。觀(guān)察25°C傳遞函數(shù)，曲線(xiàn)上有兩個(gè)不同的工作區(qū)域。所謂的線(xiàn)性區(qū)域從輸入范圍的頂端（約15 dBm）向下延伸到0 dBm左右。線(xiàn)性區(qū)域這個(gè)術(shù)語(yǔ)得名于該區(qū)域的輸出電壓與輸入電壓大致成正比。

圖2.基于肖特基二極管的RF檢波器的傳遞函數(shù)。

低于 0 dBm 時(shí)，所謂的平方律區(qū)域開(kāi)始。在此區(qū)域中，輸出電壓大致與輸入電壓的平方成正比。這會(huì)導(dǎo)致圖上的斜率更高。

圖2還顯示了溫度為–40°C和+85°C時(shí)電路的輸出電壓與輸入功率傳遞函數(shù)的關(guān)系。 這在功率電平低于0 dBm時(shí)顯示出明顯的偏差。這使得該器件在溫度變化顯著的應(yīng)用中無(wú)法使用。

現(xiàn)有的技術(shù)可用于在一定程度上緩解這種溫度漂移。它們涉及引入第二個(gè)參考二極管作為電路的一部分或作為具有自身輸出的獨(dú)立電路。基準(zhǔn)二極管的溫度漂移與初級(jí)二極管的溫度漂移相匹配。通過(guò)減法過(guò)程（在模擬域或基于電路結(jié)構(gòu)的數(shù)字域中），可以實(shí)現(xiàn)一定程度的漂移消除。

圖3顯示了ADL6010在25 GHz時(shí)的傳遞函數(shù)，ADL6010是一款基于肖特基二極管的集成檢波器，具有許多新穎特性。作為信號(hào)處理的一部分，輸入信號(hào)通過(guò)一個(gè)電路，該電路僅對(duì)低于特定功率水平的信號(hào)執(zhí)行平方根功能。過(guò)渡點(diǎn)被特意設(shè)置為等于二極管從平方律區(qū)域躍遷到線(xiàn)性區(qū)域的功率電平。因此，二極管的平方律效應(yīng)被抵消，并且沒(méi)有圖1中如此明顯的兩區(qū)傳遞函數(shù)的跡象。

圖3.輸出電壓與輸入功率的關(guān)系以及25 GHz時(shí)集成肖特基二極管檢波器的線(xiàn)性誤差。

圖3還包括在–55°C至+125°C不同溫度下的傳遞函數(shù)圖。 還繪制了傳遞函數(shù)與溫度的變化。使用25°C傳遞函數(shù)的線(xiàn)性回歸作為參考，每個(gè)溫度下的誤差以dB為單位繪制。由于集成了溫度補(bǔ)償電路和平方律消除電路，我們看到在大部分輸入范圍內(nèi)，線(xiàn)性度和溫度漂移引起的誤差約為±0.5 dB。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口

雖然RF和微波檢波器有時(shí)用于模擬功率控制環(huán)路1，但更常見(jiàn)的是構(gòu)建數(shù)字功率控制環(huán)路，如圖4所示。在這些應(yīng)用中，功率檢波器的輸出由模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。在數(shù)字域中，功率電平是使用ADC的代碼計(jì)算的。一旦知道功率電平，系統(tǒng)將在必要時(shí)通過(guò)調(diào)整發(fā)射功率來(lái)響應(yīng)。

圖4.典型的數(shù)字控制RF功率控制環(huán)路。

雖然該環(huán)路的響應(yīng)時(shí)間在很大程度上取決于檢波器的響應(yīng)時(shí)間，但ADC的采樣速率和功率控制算法的速度將產(chǎn)生更大的影響。

環(huán)路測(cè)量和精確設(shè)置RF功率電平的能力受到許多因素的影響，包括RF檢波器的傳遞函數(shù)和ADC的分辨率。為了更好地理解這一點(diǎn)，讓我們仔細(xì)看看探測(cè)器的響應(yīng)。圖5比較了基于二極管的檢波器ADL6010與微波對(duì)數(shù)放大器HMC1094在20 GHz時(shí)的響應(yīng)。對(duì)數(shù)放大器具有線(xiàn)性dB傳遞函數(shù)，其中輸入功率的1 dB變化始終導(dǎo)致輸出端的電壓變化相同（在大約–50 dBm至0 dBm的線(xiàn)性輸入范圍內(nèi)）。與此相反，基于二極管的檢波器（如ADL6010）具有傳遞函數(shù)，當(dāng)在水平軸上使用dB刻度而線(xiàn)性垂直軸用于輸出電壓時(shí)，傳遞函數(shù)呈指數(shù)級(jí)。

圖5.線(xiàn)性分貝的比較。

由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有以位/電壓為單位的傳遞函數(shù)，這意味著以每比特dB為單位的系統(tǒng)分辨率隨著輸入功率的降低而不斷降低。圖5中的曲線(xiàn)還顯示了如果ADL6010驅(qū)動(dòng)滿(mǎn)量程電壓為5 V的12位ADC，可以實(shí)現(xiàn)的每dB位數(shù)分辨率（該圖在對(duì)數(shù)次級(jí)軸上縮放，便于查看）。在器件功率范圍的低端（約–25 dBm），增量斜率約為每dB2位，分辨率約為0.5 dB/位。這表明12位ADC足以在整個(gè)范圍內(nèi)精確解析ADL6010的輸出。

隨著RF輸入功率的增加，以位/dB為單位的增量斜率穩(wěn)步增加，在最大輸入功率為15 dBm時(shí)，最大約為300位/dB。這在RF功率控制應(yīng)用中很有價(jià)值，當(dāng)系統(tǒng)處于最大功率時(shí)，精度最為關(guān)鍵。在使用RF檢波器測(cè)量和控制高功率放大器（HPA）功率的應(yīng)用中，這是一個(gè)非常典型的場(chǎng)景。在通常控制功率以防止HPA過(guò)熱的應(yīng)用中，最大功率下的高分辨率功率測(cè)量具有重要價(jià)值。

相比之下，圖5中HMC1094對(duì)數(shù)放大器的傳遞函數(shù)也表明，它在其線(xiàn)性工作范圍內(nèi)具有恒定的斜率。這表明較低分辨率的ADC（10位甚至8位）足以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)低于1 dB的分辨率。

圖6所示為應(yīng)用電路，其中ADL6010與AD7091接口，AD7091是一款12位精密ADC，采樣速率最高可達(dá)1 MSPS。ADC具有一個(gè)內(nèi)部2.5 V基準(zhǔn)電壓源，用于設(shè)置滿(mǎn)量程輸入電壓。由于A(yíng)DL6010檢波器的最大電壓可達(dá)約4.25 V，因此使用簡(jiǎn)單的電阻分壓器來(lái)降低該電壓，使其永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)2.5 V。無(wú)需運(yùn)算放大器緩沖器即可實(shí)現(xiàn)這種縮放。在輸入功率范圍底端，以每比特dB表示的可實(shí)現(xiàn)分辨率與上述示例類(lèi)似（即每比特約0.5 dB）。2

圖6.將集成微波功率檢波器與精密ADC接口。

結(jié)論

與分立式方案相比，集成RF和微波檢波器具有許多優(yōu)勢(shì)。集成溫度補(bǔ)償電路提供開(kāi)箱即用的輸出電壓，在寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定在 ±0.5 dB 左右。使用內(nèi)部平方根功能可有效消除低輸入功率電平下的平方律特性。這導(dǎo)致單個(gè)線(xiàn)性傳遞函數(shù)，使設(shè)備校準(zhǔn)更容易。集成檢波器的緩沖輸出可以直接驅(qū)動(dòng)ADC，無(wú)需擔(dān)心負(fù)載會(huì)影響計(jì)算精度。在選擇和確定ADC尺寸時(shí)需要小心，以便在低輸入功率下實(shí)現(xiàn)足夠的位/dB。

審核編輯：郭婷