理解、操作和连接基于二极管的集成射频检波器

由于其基本的整流特性，只要有二极管，二极管就被用来产生与交流和射频信号电平成比例的直流电压。本文将比较基于二极管的RF和微波与集成电路替代方案的性能。涵盖的主题包括传递函数线性度、温度稳定性和ADC接口。

基于分立二极管的RF检波器

图1所示为一种常用的基于二极管的RF检测电路的原理图。这可以被认为是具有输出滤波的简单半波整流器。输入信号的正半周期正向偏置肖特基二极管，肖特基二极管又为电容器充电。在负半周期，二极管反向偏置，导致电容上的电压保持并产生与输入信号成比例的直流输出。为了在输入信号减小或关闭时允许该电压下降，与电容器并联的电阻器提供放电路径。

图1.基于肖特基二极管的RF检波器。

图2显示了该电路的传递函数。输入功率以dB为单位，输出电压以对数垂直刻度表示。观察25°C传递函数，曲线上有两个不同的工作区域。所谓的线性区域从输入范围的顶端（约15 dBm）向下延伸到0 dBm左右。线性区域这个术语得名于该区域的输出电压与输入电压大致成正比。

图2.基于肖特基二极管的RF检波器的传递函数。

低于 0 dBm 时，所谓的平方律区域开始。在此区域中，输出电压大致与输入电压的平方成正比。这会导致图上的斜率更高。

图2还显示了温度为–40°C和+85°C时电路的输出电压与输入功率传递函数的关系。 这在功率电平低于0 dBm时显示出明显的偏差。这使得该器件在温度变化显著的应用中无法使用。

现有的技术可用于在一定程度上缓解这种温度漂移。它们涉及引入第二个参考二极管作为电路的一部分或作为具有自身输出的独立电路。基准二极管的温度漂移与初级二极管的温度漂移相匹配。通过减法过程（在模拟域或基于电路结构的数字域中），可以实现一定程度的漂移消除。

图3显示了ADL6010在25 GHz时的传递函数，ADL6010是一款基于肖特基二极管的集成检波器，具有许多新颖特性。作为信号处理的一部分，输入信号通过一个电路，该电路仅对低于特定功率水平的信号执行平方根功能。过渡点被特意设置为等于二极管从平方律区域跃迁到线性区域的功率电平。因此，二极管的平方律效应被抵消，并且没有图1中如此明显的两区传递函数的迹象。

图3.输出电压与输入功率的关系以及25 GHz时集成肖特基二极管检波器的线性误差。

图3还包括在–55°C至+125°C不同温度下的传递函数图。 还绘制了传递函数与温度的变化。使用25°C传递函数的线性回归作为参考，每个温度下的误差以dB为单位绘制。由于集成了温度补偿电路和平方律消除电路，我们看到在大部分输入范围内，线性度和温度漂移引起的误差约为±0.5 dB。

模数转换器接口

虽然RF和微波检波器有时用于模拟功率控制环路1，但更常见的是构建数字功率控制环路，如图4所示。在这些应用中，功率检波器的输出由模数转换器数字化。在数字域中，功率电平是使用ADC的代码计算的。一旦知道功率电平，系统将在必要时通过调整发射功率来响应。

图4.典型的数字控制RF功率控制环路。

虽然该环路的响应时间在很大程度上取决于检波器的响应时间，但ADC的采样速率和功率控制算法的速度将产生更大的影响。

环路测量和精确设置RF功率电平的能力受到许多因素的影响，包括RF检波器的传递函数和ADC的分辨率。为了更好地理解这一点，让我们仔细看看探测器的响应。图5比较了基于二极管的检波器ADL6010与微波对数放大器HMC1094在20 GHz时的响应。对数放大器具有线性dB传递函数，其中输入功率的1 dB变化始终导致输出端的电压变化相同（在大约–50 dBm至0 dBm的线性输入范围内）。与此相反，基于二极管的检波器（如ADL6010）具有传递函数，当在水平轴上使用dB刻度而线性垂直轴用于输出电压时，传递函数呈指数级。

图5.线性分贝的比较。

由于模数转换器具有以位/电压为单位的传递函数，这意味着以每比特dB为单位的系统分辨率随着输入功率的降低而不断降低。图5中的曲线还显示了如果ADL6010驱动满量程电压为5 V的12位ADC，可以实现的每dB位数分辨率（该图在对数次级轴上缩放，便于查看）。在器件功率范围的低端（约–25 dBm），增量斜率约为每dB2位，分辨率约为0.5 dB/位。这表明12位ADC足以在整个范围内精确解析ADL6010的输出。

随着RF输入功率的增加，以位/dB为单位的增量斜率稳步增加，在最大输入功率为15 dBm时，最大约为300位/dB。这在RF功率控制应用中很有价值，当系统处于最大功率时，精度最为关键。在使用RF检波器测量和控制高功率放大器（HPA）功率的应用中，这是一个非常典型的场景。在通常控制功率以防止HPA过热的应用中，最大功率下的高分辨率功率测量具有重要价值。

相比之下，图5中HMC1094对数放大器的传递函数也表明，它在其线性工作范围内具有恒定的斜率。这表明较低分辨率的ADC（10位甚至8位）足以实现远低于1 dB的分辨率。

图6所示为应用电路，其中ADL6010与AD7091接口，AD7091是一款12位精密ADC，采样速率最高可达1 MSPS。ADC具有一个内部2.5 V基准电压源，用于设置满量程输入电压。由于ADL6010检波器的最大电压可达约4.25 V，因此使用简单的电阻分压器来降低该电压，使其永远不会超过2.5 V。无需运算放大器缓冲器即可实现这种缩放。在输入功率范围底端，以每比特dB表示的可实现分辨率与上述示例类似（即每比特约0.5 dB）。2

图6.将集成微波功率检波器与精密ADC接口。

结论

与分立式方案相比，集成RF和微波检波器具有许多优势。集成温度补偿电路提供开箱即用的输出电压，在宽温度范围内稳定在 ±0.5 dB 左右。使用内部平方根功能可有效消除低输入功率电平下的平方律特性。这导致单个线性传递函数，使设备校准更容易。集成检波器的缓冲输出可以直接驱动ADC，无需担心负载会影响计算精度。在选择和确定ADC尺寸时需要小心，以便在低输入功率下实现足够的位/dB。

审核编辑：郭婷