改善RMS功率检波器在整个温度范围内的输出准确度

 

　　在基站设计中，稳定的温度性能极其重要，因为视基站周边情况和地点的不同而不同，环境温度可能变化很大。RMS检波器如果随温度变化的准确度很高，就可以提高基站设计的电源效率。LTC5582和双通道LTC5583是一个RMS检波器系列的两款器件，LTC5582在最高10GHz的频率范围内可提供极其稳定的温度性能(从-40°C至85°C)，而LTC5583的频率范围则在6GHz内。不过，它们的温度系数随频率而改变，而没有温度补偿下，随温度变化而产生的误差可能大于0.5dB。因此，有时有必要针对不同的频率优化温度补偿，以改善准确度，使误差<0.5dB。此外，温度补偿可以仅用两个外部电阻器实现，而无需外部电路。

　　输出电压的变化由以下等式决定：

　　?VOUT=TC1x(TA-tNOM)+TC2x(TA-tNOM)2+detV1+detV2(等式1)

　　其中TC1和TC2分别是1阶和2阶温度系数。TA是实际的环境温度，tNOM是室内基准温度25°C，detV1和detV2是RT1和RT2未设定为零时的输出电压变化。

　　

 

　　图1：1阶?VOUT随温度的变化

　　就LTC5582和LTC5583而言，计算温度补偿电阻值的方法是相同的(参见图2和图3)。两个控制引脚是RT1和RT2，RT1设定TC1(1阶温度补偿系数)，RT2设定TC2(2阶温度补偿系数)。如果不需要温度补偿，那么将RT1和RT2短路到地，就可以很方便地关闭温度补偿功能。

　　

 

　　图2：引脚RP1和RP2的简化原理图

　　

 

　　图3：引脚RT1和RT2的简化原理图

　　LTC5583的温度补偿设计

　　LTC5583包括两个额外的引脚RP1和RP2，RP1控制TC1的极性，RP2控制TC2的极性。不过，在采用一个固定的RT1或RT2值时,温度系数的大小相等,只是极性倒转。通道A和通道B共享补偿电路，因此两个通道一起受到控制。

　　图1说明了在1阶温度补偿的情况下，VOUT作为温度的函数是怎样变化的。图中仅显示了3个电阻值，以说明增大电阻值会使斜线斜率增大。斜线极性由RP1引脚控制。

　　图4说明了2阶温度补偿对VOUT的影响。该曲线的极性由RP2控制。其曲率取决于电阻值。1阶和2阶温度补偿合起来的总体影响由等式1给出。

　　

 

　　图4：2阶VOUT随温度的变化

　　以LTC5583在900MHz输入时的情况为例。第一步是测量没有温度补偿时VOUT随温度的变化。图5显示未补偿时的VOUT。线性误差随温度的变化以25°C时的斜线和截取点为基准。为了最大限度地减小输出电压随温度的变化，红色(85°C)的线性度曲线必须下移，蓝色(-40°C)的线性度曲线必须上移，以与黑色室温时的曲线一致，并尽可能多地重叠。接下来就是一步一步地设计了。

　　

 

　　图5：在900MHz时未补偿的LTC5583

　　第一步。以dB为单位从图5估计所需的温度补偿。例如，读取输入功率为-25dBm时的曲线值，这是动态范围的中部。将以dB为单位的线性误差乘以30mV/dB(典型的VOUT斜率)，以将单位转换为mV。

　　低温(-40°C)=+13mV或+0.43dB

　　高温(85°C)=-20mV或-0.6dB

　　这是随温度变化所需的输出电压调节量。

　　第二步。确定RP1和RP2的极性以及1阶和2阶补偿解决方案。为了找到解决方案，设a=1阶项，b=2阶项。设定这两项的值，使它们满足-40°C和85°C的温度补偿要求。

　　a–b=+13mV(等式2)

　　a–b=-20mV(等式3)

　　a=16.5(1阶解决方案)

　　b=3.5(2阶解决方案)

　　等式2和等式3中“a”和“b”的极性由1阶项和2阶项的极性决定，这样，它们的和在低温(-40°C)时满足+13Mv和高温时满足-20mV(85°C)的调节要求。参见图6。1阶项和2阶项或者为正、或者为负。因此。总共有4种组合。在这种情况下，仅当两项均为负时，它们的和才能满足所需补偿。

　　

 

　　图6：1阶和2阶解决方案的极性

　　图7显示了在-40°C和+85°C时所需的1阶和2阶补偿。请注意，1阶和2阶补偿的极性是负的，这样，当两条曲线相加时，它们的和才能对VOUT产生所需的调节。结果，TC1和TC2为负，RP1和RP2从图8和图9决定。请注意，两个解决方案的值加起来在-40°C时约等于+13mV，在+85°C时约等于-20mV。

　　

 

　　图7：温度补偿解决方案

　　

 

　　图8：1阶温度补偿系数TC1随外部RT1值的变化

　　

 

　　图9：2阶温度补偿系数TC2随外部RT2值的变化

　　RP1=开路

　　RP2=短路

　　第三步。计算一个温度极限的温度系数，利用图8和图9确定RT1和RT2的电阻值。

　　a=16.5=TC1x(85-25);

　　TC1=0.275mV/°C

　　RT1=11KΩ(根据图8)

　　b=3.5=TC2x(85-25)2;TC2=0.972uV/°C2

　　RT2=499Ω(根据图9)

　　图10显示了LTC5583的两个输出通道之一随温度变化的性能。请注意与图5中未补偿VOUT相比的温度性能改进。就大多数应用而言，这也许能满足要求了。不过，对于某些需要更佳准确度的应用,可以执行二次迭代以进一步改善温度性能。为了简化计算可忽略detV1和detV2项，因为这两项不受温度影响。因此，解决方案是不精确的。不过，在改进随温度变化的准确度方面，这么做很有用，如下所示。

　　

 

　　图10：1阶迭代温度补偿的LTC5583输出

　　2次迭代计算

　　第一步。从图10中确定所需补偿，采用与第一次迭代时相同的方法。

　　低温(-40°C)=-3mV或-0.1dB

　　高温(85°C)=-3mV或-0.1dB

　　给1次迭代增加新值

　　低温(-40°C)=-3mV+13mV=10mV

　　高温(85°C)=-3mV-20mV=-23mV

　　重复第二步和第三步，计算RT1和RT2值。

　　RT1=11KΩ

　　RT2=953Ω

　　RP1=开路

　　RP2=短路

　　经过两次迭代后的性能结果如图11所示。随着温度变化，动态范围为50dB(0.2dB线性误差)和56dB(1.0dB的线性误差)。从表1中可查到其他频率时的温度补偿值

　　。

　　

 

　　图11：2阶迭代后温度补偿的VOUT

　　表1：LTC5583要在各种不同的频率时实现最佳的温度性能，推荐采用以下设定和电阻值

　　

 

　　这种迭代过程可以一再重复，以进一步提高准确度。就大多数应用而言，这将允许设计师按照所需要的准确度引入补偿。

　　LTC5582单检波器

　　计算LTC5582的补偿值以求出RT1和RT2的方法是相同的，而且更容易，因为极性已经预先确定了。TC1和TC2为负。从表2中可查出在其他频率时的RT1和RT2值。图8和图9中显示的补偿系数对LTC5582而言是不同的。在数据表中进行查找，以获得更多信息。

　　表2：LTC5582要在各种不同的频率时实现最佳的温度性能，推荐采用以下RT1和RT2值

　　

 

　　结论

　　LTC5582和LTC5583仅用两个外部补偿电阻器，就可以提供卓越的温度性能。计算补偿电阻器的过程很简单，而且可以迭代，以实现更高的性能。本文所举例子是LTC5583在900MHzRF输入时的情况，但是在该IC允许频率范围内的任何频率上，同样的方法都可以应用于LTC5582和LTC5583。随温度变化的性能相当一致。所得性能结果为，随温度变化的准确度可低于输出电压的1%。