使用MAX2016测量RF增益的技术

本应用笔记讨论如何将MAX2016 RF检波器集成到外差收发器应用中的增益测量自动测试系统中。本文比较了三种不同方法的质量和测量精度：增益测量和校准;仅带偏移的增益测量;以及通过偏移和斜率校准进行增益测量。

介绍

作为双路RF功率检波器，MAX2016能够对单个RF模块或更复杂的外差收发器进行增益测量。该器件的主要特性之一是包含一个片内比较器电路，用于计算两个施加功率电平之间的差值。通过该电路可以轻松实现增益 = POUTPUT - PINPUT = POUTA - POUTB = POUTD 的简单增益计算。但是，必须注意确保充分满足测量的精度要求。

根据应用的不同，可能需要一次性校准，以抵消线路和耦合器损耗的任何差异，以及器件之间的差异。以下应用笔记概述了RF增益测量中采用的一些基本校准方法。介绍了两种常见的应用。第一个示例详细介绍了如何测量外差收发器的增益。第二个例子显示了校准后的MAX2016如何替代工厂自动化测试设备（ATE）应用中缓慢而昂贵的功率计。在ATE示例中，提供了使用和不使用校准所达到的精度的比较以供参考。这两个示例都说明了充分校准测量设置的重要性。

典型RF收发器增益测量

由于MAX2016的功率检波器具有DC至2.5GHz的扩展频率范围，因此可以轻松配置器件，以测量单个增益模块（图1a）或完整的外差接收/发送阵容（图1b）的增益。

图 1a.单个RF增益模块的增益测量。

图 1b.外差接收器的增益测量。

在上述两种配置中，测量不确定度都会影响增益测量的精度。MAX2016中的器件间变化可能会影响绝对增益测量受到线路差和耦合器损耗以及器件间变化的影响。虽然MAX2016包括两个相同的集成对数检测器，但斜率和截点的微小差异会导致差分输出出现小误差。

补偿这些变化的一种简单方法是在工厂测试期间实施一次性斜率和截距校准。图2概述了外差接收器的测试配置。如图所示，具有已知功率电平的RF信号被注入接收器的前端。然后使用外部功率检波器来确定下变频信号的接收功率电平。如果下变频信号不能轻易采样，可以使用收发器的板载高速ADC来近似接收功率电平。由于大多数接收器采用某种可变增益放大器/可变电压放大器（VGA/VVA）来增强动态范围，因此可以在测试和后续测量中改变该系列的增益，以确定增益相对于V的斜率和截距出响应。响应的斜率和截距存储在收发器的非易失性存储器（NVM）中，允许后续V出测量值映射到绝对增益值。为了提高精度，具有多个 V 值的完整矩阵出增益可以创建并存储在 NVM 中。然后可以实现插值算法来计算任何测量值V的增益出.图 3 描述了这两种替代方法。

图2.工厂增益校准设置 — 被测接收机。

图3.外差接收器的增益校准方案。

注意，MAX2016的两个内部对数检测器在整个温度范围内映射良好，在计算收发器绝对增益时无需补偿温度失调。如果需要更高的精度，当然可以测量典型的温度偏移并将其输入NVM。增益与 V 的关系出算法可以通过测量当前工作温度并在温度极端值之间进行插值来添加这些偏移。

在ATE应用中使用MAX2016作为两个功率计的替代方案

如上所述，测量被测器件（DUT）增益的最直接方法是直接测量其输入和输出功率（以dBm为单位），然后从输出功率中减去输入功率以获得增益。传统上，获得非常精确的宽带功率测量的唯一方法是使用功率计。然而，功率计的缓慢测量速度使其无法在短测试时间至关重要的生产环境中使用。 由于MAX2016的双对数检波器的响应时间相当短（~100ns），因此在生产环境中可以进行快速增益测量。如上例所示，通过将DUT的输入功率耦合到MAX2016的一个端口，同时将DUT的输出功率耦合到MAX2016的第二个端口，可以进行简单的增益测量。直流电压（VOUTD_MEAS）与器件的增益成正比，可以在V处捕获出针。增益可通过以下表达式计算：

增益 （dB） = （VOUTD_OFFSET， wOUTD_MEAS） / VOUTD_SLOPE

不使用校准和 V 的典型值OUTD_OFFSET和 VOUTD_SLOPE根据MAX2016的数据资料，该公式可以简化为增益（dB）= （1.0 - VOUTD_MEAS) / 0.025.请参考MAX2016数据资料了解更多详情。

虽然这种用于计算增益的简化表达式很有用，但建议进行更彻底的校准以提高增益测量的精度。可以实施多个校准步骤，以产生不同程度的绝对精度。以下文本详细介绍了一种校准方法，该方法涉及测量V的精确值OUTD_OFFSET和 VOUTD_SLOPE.用户可以选择实现一种或两种校准类型，具体取决于所需的精度水平。提供了一个比较（见下文），概述了仅使用 V 获得的预期精度OUTD_OFFSET校准与 VOUTD_OFFSET 和VOUTD_SLOPE校准。

常规测试设置

获得 V 的更精确值OUTD_OFFSET，MAX2016的两个输入端口必须以相同的功率电平驱动。V 上的直流电平出引脚等于 VOUTD_OFFSET.使用校准衰减器与MAX2016输入端口串联并测量V出值，允许用户查找 VOUTD_SLOPE.VOUTD_SLOPE然后可以求解给定的 VOUTD_OFFSET以及衰减器的损失。图4概述了这种表征的测试设置。MAX2016评估板用作增益测量/校准技术的一部分。

图4.实验室评估设置。

在此评估中，使用固定功率衰减器来校准VOUTD_SLOPE.但是，请注意，获得的结果同样适用于具有增益的器件。所选频率和精确衰减由MAX3654 VGA的测试要求驱动：MAX0 VGA是一款带AGC的CATV跨阻放大器，可在20dB至<>dB范围内改变增益。可以选择不同的频率和衰减器值，以满足其他应用的要求。

校准 VOUTD_OFFSET和 VOUTD_SLOPE

首先使用URV5 RF功率计对各种衰减器进行表征。该测量在图4中的A点进行，以确保它代表真实的衰减，同时考虑到任何电缆损耗。

接下来，V 的值OUTD_OFFSET和 VOUTD_SLOPE在每个测试频率下测量。

测量五OUTD_OFFSET，衰减器被旁路，MAX2016的两个端口以相同的信号电平驱动。产生的直流电压在 V出是 V 的校准值OUTD_OFFSET.

测量五OUTD_SLOPE，插入校准的10dB衰减器，直流电压为V出再次测量。（将此值称为 VOUTD_MEAS.)V 的值OUTD_SLOPE现在可以使用公式1计算，给定VOUTD_OFFSET， VOUTD_MEAS，以及已知的衰减器值为10dB。请注意，衰减器值在公式10中表示为-1dB的增益。选择10dB衰减器是因为它位于MAX3654增益范围的中间。表 1 显示了 V 的相应值OUTD_OFFSET和 VOUTD_SLOPE.

 

	VOUTD_OFFSET（五）	VOUTD_SLOPE（毫伏/分贝）
在 50MHz 时	1.044	27.8
在 900MHz 时	1.043	26.3

 

校准精度比较

V出在每个测试频率下测量了六个独立的衰减器（1、2、8、10、12 和 20dB）。进行了计算以确定三种情况下的测量衰减和结果精度：

无校准

仅偏移校准

偏移和斜率校准

结果在下面的表2至表6中给出。

 

V出（五）	校准 衰减 （dB）	测量 衰减 （dB）	测量 误差（分贝）
1.022	0.9	0.9	0.0
0.993	2.0	0.3	-1.7
0.827	7.9	6.9	-1.0
0.763	10.1	9.5	-0.6
0.713	11.9	11.5	-0.4
0.481	20.2	19.2	-1.0

V出（五）	校准 衰减 （dB）	测量 衰减 （dB）	测量 误差（分贝）
1.022	0.9	0.9	0.0
0.993	2.0	2.0	0.0
0.827	7.9	8.7	0.8
0.763	10.1	11.2	1.1
0.713	12.0	13.2	1.2
0.481	20.2	22.5	2.3

V出（五）	校准b 衰减 （dB）	测量 衰减 （dB）	测量 误差（分贝）
1.022	0.9	0.8	-0.1
0.993	2.0	1.9	-0.1
0.827	7.9	7.8	-0.1
0.763	10.1	10.1	0.0
0.713	12.0	12.0	0.0
0.481	20.2	20.2	0.0

V出（五）	校准 衰减 （dB）	测量 衰减 （dB）	测量 误差（分贝）
1.021	0.9	0.9	0.0
0.994	2.0	2.0	0.0
0.834	7.9	8.4	0.5
0.774	10.1	10.8	0.7
0.720	12.0	12.9	0.9
0.509	20.2	21.4	1.2

V出（五）	校准 衰减 （dB）	测量 衰减 （dB）	测量 误差（分贝）
1.021	0.9	0.9	0.0
0.994	2.0	1.9	-0.1
0.834	7.9	8.0	0.1
0.774	10.1	10.1	0.0
0.720	12.0	12.1	0.1
0.509	20.2	20.3	0.1

 

MAX2016作为RF检波器用于量产测试的结论

从上面提供的数据中可以得出一些观察结果。

首先，未校准的相关误差（表2）很大。如果像MAX3654 VGA这样的器件的增益是在量产中使用未校准的MAX2016测试的，那么VGA测试限值需要非常宽，以允许这些较大的误差。这反过来又会转化为数据手册中更宽的增益规格，从而使该器件对设计人员的吸引力降低。

其次，0.9dB和2.0dB衰减器的误差是可控的，只需进行失调校准（表3和表5）。当仅测量一个DUT增益值时，这很有用。如果 DUT 板的设计使 DUT 输出端的衰减等于典型的预期 DUT 增益，则功率检波器端口的输入电平将大致相等。假设增益规格的扩散小于约2dB。那么0.9dB和2.0dB衰减器的精度数据意味着只需要进行失调校准即可精确测量与典型增益的微小偏差。但是，请注意精度如何随着衰减值的增加而迅速降低。因此，这种技术会出现VGA等VGA常见的大增益偏差问题。

表4和表6中的数据显示，在大范围内测量增益时，同时执行偏移和斜率校准可提供最佳结果。为了执行校准，DUT板硬件必须能够将MAX2016功率检测器驱动到同一电平，并切换校准衰减器。

图5所示为MAX2016输入端所需RF开关的一种可能方案。DUT 增益测量在开关位于位置 A 时执行。失调校准是在开关处于位置B的情况下执行的。斜率校准是在开关位于位置 C 的情况下执行的。用于斜率校准的衰减器值等于DUT增益规格的典型值。请注意，对于远离执行斜率校准时的值（10dB）的衰减，误差仍然很小。数据支持增益非线性与V的假设出曲线最小，也表明只需要进行一次斜率校准。

图5.MAX2016射频输入校准开关

审核编辑：郭婷