高速低功耗射频功率测量电路设计解析

在当今的电子设计领域，射频功率测量是一个关键的技术环节，对于通信、雷达等众多应用至关重要。本文将深入解析一款由ADI公司设计的高速、低功耗、基于单3.3V电源的波峰因数、峰值和均方根（RMS）射频功率测量电路CN - 0187，为电子工程师们提供有价值的参考。

文件下载：EVAL-CN0187-SDPZ.pdf

一、电路概述

Circuits from the Lab™参考电路旨在帮助解决当今模拟、混合信号和射频设计挑战，CN - 0187就是其中之一。该电路能够在450 MHz至6 GHz的任何射频频率下测量峰值和均方根功率，测量范围约为45 dB。测量结果转换为差分信号以消除噪声，并通过具有串行接口和集成参考的12位SAR ADC输出数字代码。

主要器件

1. ADL5502：450 MHz至6 GHz波峰因数检测器，结合均方根功率检测和包络检测功能，可准确确定调制信号的波峰因数。总电流消耗仅为3 mA @ 3 V，适用于高频收发信机信号链。
2. AD7266：双路、12位、高速、低功耗逐次逼近型ADC，工作电源为2.7 V至5.25 V，采样率高达2 MSPS。包含两个ADC，每个前面都有一个3通道多路复用器和一个低噪声、宽带宽跟踪保持放大器，能处理超过30 MHz的输入频率。在3 V电压下电流消耗仅为3 mA，还包含一个内部2.5 V参考。
3. ADA4891 - 4：高速、四路CMOS放大器，成本低且性能高。在3 V电压下每个放大器的电流消耗仅为4.4 mA，具有真正的单电源能力，输入电压范围可扩展到负轨以下300 mV，轨到轨输出级可使输出摆幅接近每个轨50 mV，确保最大动态范围，低失真和快速建立时间使其非常适合该应用。
4. ADP121：低静态电流、低压差线性稳压器，工作电压范围为2.3 V至5.5 V，可提供高达150 mA的输出电流。在150 mA负载下的低压差电压为135 mV，提高了效率并允许在较宽的输入电压范围内工作。满载时静态电流仅为30 μA，适用于电池供电的便携式设备。有1.2 V至3.3 V的输出电压可选，采用小型5引脚TSOT和4球、0.4 mm间距无卤WLCSP封装。

二、电路详细描述

1. 射频输入接口

射频信号输入到ADL5502，在RF输入处使用一个75 Ω终端电阻与ADL5502的输入阻抗并联，提供50 Ω的宽带匹配。对于窄频带应用，可以采用更精确的电阻或电抗匹配。

2. 滤波处理

ADL5502的内部滤波电容在平方域进行平均，但输出仍会有一些残余交流成分。对于具有高峰均比的信号，如W - CDMA或CDMA2000，会在ADL5502的VRMS直流输出上产生交流残余电平。为减少这些低频成分的影响，可以在引脚1（FLTR）和引脚2（VPOS）之间连接一个CFLTR电容来增强内部平方域滤波电容，还可以在VRMS输出端增加电容进一步降低交流残余。内部100 Ω输出电阻和增加的输出电容组成低通滤波器，减少VRMS输出的纹波。

3. 峰值测量

要测量波形的峰值，需要将控制线（CNTL）暂时设置为逻辑高（复位模式，持续时间 >1 μs），然后再设置回逻辑低（峰值保持模式），使ADL5502初始化到已知状态。在设置设备测量峰值时，应在输入均方根功率和波峰因数不太可能变化的时间段内切换峰值保持模式。如果ADL5502处于峰值保持模式，且波峰因数或输入功率从高变低，会报告错误的峰值测量结果，除非复位CNTL，否则PEAK输出不会反映信号中的新峰值。

4. 输出驱动和负载考虑

ADL5502的VRMS输出能够提供约3 mA的电流，输出电流通过片上100 Ω串联电阻提供，因此任何负载电阻都会与该片上电阻形成分压器。建议ADL5502的VRMS输出驱动高阻负载以保持输出摆幅。如果需要驱动低阻负载或增加标称转换增益，则需要一个缓冲电路。PEAK输出设计用于驱动2 pF负载，建议驱动低电容负载以实现完整的输出响应时间。当负载电容较大时，在下降过渡期间跟踪包络的影响会特别明显。如果无法避免较大的电容负载，可以在PEAK输出端连接一个接地的分流电阻以实现快速放电，但该电阻不应低于500 Ω。

三、电路性能与校准

1. 性能特性

通过图2 - 图5展示了电路在不同频率下的VRMS和PEAK输出与输入电平的关系，包括对数刻度和线性刻度。图6和图7展示了输出对不同RF输入脉冲电平的响应，以及通过添加并联电阻改善下降沿响应的效果。

2. 校准

由于不同设备的斜率和截距会有所不同，为了实现高精度测量，需要进行板级校准。一般通过向ADL5502施加两个输入功率电平并测量相应的输出电压来进行校准。校准点通常选择在设备的线性工作范围内。通过以下公式计算转换增益（斜率）和截距： [Gain =left(V{V R M S 2}-V{V R M S I}right) /left(V{I N 2}-V{I N I}right) ] [Intercept =V{VRMS1 }-left(right. Gain left.× V{INI }right) ] 其中，(V{IN})是RFIN的均方根输入电压，(V{VRMS})是VRMS的电压输出。

计算出增益和截距后，可以根据测量的输出电压计算未知输入功率： [V{I N}=left(V{VRMS }- Intercept right) / Gain ]

对于理想（已知）输入功率，可以计算测量数据的符合误差： [ERROR(dB)=20 × log left(frac{V{VRMS, MEASUREM }- Intercept }{ Gain × V{I N, I D E A L}}right) ]

3. 波峰因数计算

当VRMS和PEAK输出的特性（斜率和截距）已知时，波峰因数（CF）的校准完成。测量和计算任何波形的波峰因数需要三个步骤：

• 第一步：将未知信号施加到RF输入，测量相应的VRMS电平(V{VRMS - UNKNOWN})，使用(V{VRMS - UNKNOWN})和上述公式计算RF输入(V_{IN})。
• 第二步：使用(V{IN})计算PEAK的连续波（CW）参考电平(V{PEAK - CW})： [V{P E A K C W}=left(V{I N} Gain {P E A K}right)+ Intercept {P E A K} ]
• 第三步：测量实际的PEAK电平(V{PEAK - UNKNOWN})，并计算波峰因数： [C F=20 log {10}left(V{PEAK-UNKNOWN } / V{PEAK.CW }right) ]

四、电路评估与测试

1. 评估板和设备

该电路使用EVAL - CN0187 - SDPZ电路板和EVAL - SDP - CB1Z系统演示平台（SDP）评估板。两块板通过120引脚对接连接器连接，便于快速设置和评估电路性能。EVAL - CN0187 - SDPZ板包含待评估的电路，SDP评估板与CN0187评估软件配合使用，从EVAL - CN0187 - SDPZ电路板捕获数据。

2. 测试设备和步骤

• 设备：需要一台带有USB端口的PC（运行Windows® XP、Windows Vista® 32位或Windows® 7 32位）、EVAL - CN0187 - SDPZ电路评估板、EVAL - SDP - CB1Z SDP评估板、CN0187评估软件、+6 V电源或+6 V “墙式适配器”、RF信号源、带有SMA连接器的同轴RF电缆。
• 步骤：首先将CN0187评估软件光盘放入PC的CD驱动器，按照Readme文件的说明安装和使用评估软件。然后将EVAL - CN0187 - SDPZ电路板的120引脚连接器连接到EVAL - SDP - CB1Z评估板的“CON A”连接器，使用尼龙硬件牢固固定。使用合适的RF电缆将RF信号源连接到EVAL - CN0187 - SDPZ板的SMA RF输入连接器。在电源关闭的情况下，将+6 V电源连接到板上标记为“+6 V”和“GND”的引脚。如果有“墙式适配器”，可以连接到板上的桶形插孔连接器。将SDP板附带的USB电缆连接到PC的USB端口，但此时不要连接到SDP板的迷你USB连接器。最后，给连接到EVAL - CN0187 - SDPZ电路板的+6 V电源（或“墙式适配器”）供电，启动评估软件，将PC的USB电缆连接到SDP板的USB迷你连接器。如果设备管理器中列出了ADI系统开发平台驱动程序，软件就能与SDP板通信，此时SDP板可用于发送、接收和捕获EVAL - CN0187 - SDPZ板的串行数据。

五、常见变化和注意事项

1. 常见变化

对于需要较小RF检测范围的应用，可以使用AD8363均方根检测器，其检测范围为50 dB，工作频率高达6 GHz。对于非均方根检测应用，可以使用AD8317/AD8318/AD8319或ADL5513，这些设备提供不同的检测范围和输入频率范围，最高可达10 GHz。

2. 注意事项

高速电路的性能高度依赖于正确的PCB布局，包括电源旁路、受控阻抗线（如有需要）、元件放置、信号布线以及电源和接地平面等。工程师们在设计时需要特别注意这些方面，以确保电路的性能稳定。

总之，CN - 0187电路为射频功率测量提供了一个高速、低功耗的解决方案，通过合理的设计和校准，可以实现高精度的测量。希望本文能为电子工程师们在相关设计中提供有益的参考，你在实际设计中是否遇到过类似电路的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。