针对高速、低功耗和3.3 V单电源而优化的波峰因数、峰值和均方根RF功率测量电路 (CN0187)

图1所示电路测量450 MHz至6 GHz的任意RF频率下的峰值和rms功率，动态范围约为45 dB。测量结果转换为差分信号以便消除噪声，并通过串行接口和集成基准电压源在12位SAR ADC的输出端形成数字代码。在数字域中执行简单的两点校准。

ADL5502是一款均值响应（true rms）功率检波器，内置包络检波器，可以精确地测量调制信号的波峰因数(CF)。它可以用于450 MHz至6 GHz的高频接收机和发射机信号链，包络带宽超过10 MHz。峰值保持功能允许利用较低采样速率的ADC捕获包络中的短峰值。该器件的总功耗仅为3 mA (3 V)。

ADA4891-4是一款高速、四通道、CMOS放大器，兼具高性能、低成本优势。每个放大器的功耗仅为4.4 mA (3 V)。该放大器具有单电源供电能力，输入电压范围可扩展至负供电轨以下300 mV。轨到轨输出级使输出摆幅可以达到各供电轨50 mV以内，以确保最大的动态范围。低失真和快速建立时间则使该器件成为此应用的理想选择。

AD7266是一款双通道、12位、高速、低功耗的逐次逼近型ADC，采用2.7 V至5.25 V单电源供电，采样速率最高可达2 MSPS。这款器件内置两个ADC，两者之前均配有一个3通道多路复用器和一个能够处理30 MHz以上输入频率的低噪声、宽带宽采样保持放大器。功耗仅为3 mA (3 V)。此外还内置一个2.5 V基准电压源。

电路采用ADP121。ADP121是一款低静态电流、低压差线性调节器，采用2.3 V至5.5 V电源供电，最大输出电流为150 mA。驱动150 mA负载时压差仅为135 mV，这种低压差特性不仅可改善功效，而且能使器件在很宽的输入电压范围内工作。满载时静态电流低至30 μA，因此ADP121非常适合电池供电的便携式设备使用。

ADP121可提供1.2 V至3.3 V范围内的输出电压，其性能经过优化，采用1 μF小型陶瓷输出电容可实现稳定工作。ADP121具有出色的瞬态响应性能，所占电路板面积极小。短路保护和热过载保护电路可以防止器件在不利条件下受损。ADP121提供5引脚TSOT和4引脚、0.4 mm间距无卤素WLCSP两种小型封装，是适合各种便携式应用的业界最小尺寸解决方案。

图1.高速、低功耗、波峰因数、峰值和RMS功率测量系统（简化示意图：未显示去耦和所有连接）

 

经测量的RF信号加在ADL5502上，RF输入端的75 Ω端接电阻与ADL5502的输入阻抗并联，提供50 Ω宽带匹配。更精确的电阻性或电抗性匹配可用于窄频带应用（参见ADL5502数据手册的“RF输入接口”部分）。

ADL5502的内部滤波器电容提供平方域内的平均值，但在输出端保留残余交流信号。高峰均比信号（例如W-CDMA或CDMA2000）可在ADL5502 VRMS直流输出端产生交流残余电平。为减少这些低频成分对波形形成的影响，需要一些额外的滤波处理。ADL5502的内部平方域滤波器电容可通过在引脚1 (FLTR)与引脚2 (VPOS)之间连接CFLTR电容来增强。交流残余电平则通过对VRMS输出增加电容来进一步减少。内部100 Ω输出电阻与添加的输出电容共同形成低通滤波器，从而减少VRMS输出端的输出纹波（更多信息请参见ADL5502数据手册的“选择平方域滤波器”和“输出低通滤波器”部分）。

要测量波形峰值，必须将控制线(CNTL)暂时设定为逻辑高电平（复位模式>1 μs），然后返回逻辑低电平（峰值保持模式）。这样便可将ADL5502初始化至已知状态。将器件设定为测量峰值时，应切换峰值保持模式，且在此期间输入rms功率和波峰因数(CF)不会改变。

如果ADL5502处于峰值保持模式，且CF从高变为低，或者输入功率从高变为低，则会报告错误峰值测量结果。ADL5502仅报告峰值保持模式启动，输入功率或CF较高时发生的最高峰值。除非CNTL复位，否则PEAK输出不会反映信号内的最新峰值。

ADL5502能够提供大约3 mA的VRMS输出电流。输出电流通过片内100 Ω串联电阻提供；因此，任何负载电阻都会利用该片内电阻形成分压器。建议用ADL5502 VRMS输出驱动高阻性负载，从而维持输出摆幅。如果应用需要驱动低电阻负载（以及需要增加标称转换增益的情况），则需要缓冲电路。

PEAK输出专为驱动2 pF负载而设计。建议用ADL5502 PEAK输出驱动低容性负载，从而实现完整输出响应时间。当在下降转换期间跟踪包络时，较大容性负载的效应尤其明显。当包络处于下降转换中，负载电容通过1.9 kΩ的片内负载电阻放电。如果无法避免使用较大容性负载，可通过将PEAK输出端的分流电阻接地抵消额外电容，从而实现快速放电。该分流电阻可以使ADL5502流过更高的电流，不应低于500 Ω。

图2至图5中显示了该电路的典型测量性能特征。

图2.测得的VRMS输出与输入电平（对数比例）的关系，450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz，+3.3 V电源

 

图3.测得的VRMS输出与输入电平（线性比例）的关系，450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz，+3.3 V电源

 

图4.测得的PEAK输出与输入电平（对数比例）的关系，450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz，+3.3 V电源

 

图5.测得的PEAK输出与输入电平（线性比例）的关系，450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz，+3.3 V电源

 

开启时间和脉冲响应明显受平方域滤波器大小(C_FLTR)和连接至VRMS输出的输出分流电容影响。图6（摘自ADL5502数据手册）显示输出响应与RFIN引脚上RF脉冲之间的曲线图，带0.1 μF输出滤波器电容，无平方域滤波器电容(C_FLTR)。下降沿明显与输出分流电容相关。

图6.输出响应与各种RF输入脉冲电平的关系，3 V电源， 900 MHz频率，平方域滤波器开启，0.1 μF输出滤波器

 

要改善使能和脉冲响应的下降沿，可与输出分流电容并联放置电阻。添加的电阻有助于输出滤波器电容的放电。尽管该方法缩短了关断时间，但添加的负载电阻也会衰减输出（参见ADL5502数据手册的“输出驱动能力”和“缓冲”部分）。图7（摘自ADL5502数据手册）显示通过添加1 kΩ并联电阻实现的改良。

图7.输出响应与各种RF输入脉冲电平的关系，3 V电源， 900 MHz频率，平方域滤波器开启，0.1 μF输出滤波器及1 kΩ并联电阻

 

ADL5502的RMS和PEAK输出经过单位增益缓冲器，后者驱动交叉耦合级，将单端输出转换为差分信号。AD7266的+2.5 V内部基准电压源（通过 D_CAPA 和D_CAPB 引脚连接）则经过另一个单位增益缓冲器和分压器，这样，网络共模电压即设定为+1.25 V。

AD7266可实现RMS和PEAK输出的同时采样，并在1 μs响应时间内传输数据。数据通过单一串行数据线提供。由于斜率和截距随器件而改变，必须执行板级校准以实现高精度。一般而言，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执行校准。选择的校准点一般应在器件线性工作范围内，最佳拟合线通过下式计算转换增益（或斜率）和截距来表征：

其中：

V_IN是RFIN的rms输入电压。
V_VRMS 是VRMS的电压输出。

计算增益和截距后，可得到一个公式，进而根据测量的输出电压计算（未知）输入功率。

对于理想（已知）输入功率，测得的数据的法则一致性误差可计算如下：

图8和图9显示了25°C时VRMS与PEAK误差曲线图，这是校准ADL5502时的温度。注意，该误差不为零，这是因为即使ADL5502在其工作区域内，也无法完全符合理想线性公式。然而，通过适当的调整，可以使校准点处的误差等于零。

图8.测得的VRMS线性度误差与输入电平的关系，450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz，+3.3 V电源

 

图9.测得的PEAK线性度误差与输入电平的关系，450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz，+3.3 V电源

 

已知VRMS和PEAK输出特征（斜率和截距）时，便可完成CF计算的校准。测量和计算任何波形的波峰因数必须采用三级过程。首先，必须将未知信号施加于RF输入，并测量相应的VRMS电平。该电平在图10中表示为V_VRMS-UNKNOWN。RF输入V_IN使用 V_VRMS-UNKNOWN和公式3计算。

图10.波峰因数计算程序

 

接下来，使用V_IN计算PEAK、VPEAK-CW的CW基准电平（即输入波形是CW信号时看到的输出电压）。

最后，测量PEAK、V_PEAK-UNKNOWN的实际电平，CF可计算为：

其中，V_PEAK-CW 用作比较 V_PEAK-UNKNOWN的基准点。如果两个V_PEAK值均相等，则CF为0 dB，如图11中的CW信号所示（摘自ADL5502数据手册）。在整个动态范围内，计算出的CF在0 dB线附近波动。同样，对于3 dB、6 dB和9 dB CF的复杂波形，计算结果精确地在CF电平附近波动。

图11. 报告的各种波形波峰因数

 

图12. 测得的CW信号的波峰因数与输入电平的关系，450 MHz、900 MHz、1900 MHz、2350 MHz、2600 MHz，+3.3 V电源

 

该电路或任何高速电路的性能都高度依赖于适当的PCB布局，包括但不限于电源旁路、受控阻抗线路（如需要）、元件布局、信号布线以及电源层和接地层。（有关PCB布局的详情，请参见MT-031 Tutorial、MT-101 Tutorial、 and article、 A Practical Guide to High-Speed Printed-Circuit-Board Layout一文。）有关本电路笔记的完整设计支持包，请参阅 http://www.analog.com/CN0187-DesignSupport。

对于需要较小RF检波范围的应用，可以使用AD8363 均方根检波器。AD8363检波范围为50 dB，工作频率最高达6 GHz。对于非均方根检波应用，可使用AD8317/AD8318/AD8319 或ADL5513 。这些器件提供不同的检波范围，输入频率范围最高达10 GHz（有关详情参见CN-0150 ）。

本电路使用EVAL-CN0187-SDPZ电路板和EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台(SDP)评估板。这两片板提供120引脚的对接连接器，可以快速完成设置并评估电路性能。EVAL-CN0187-SDPZ板包含要评估的电路，如本笔记所述。SDP评估板与CN0187评估软件一起使用，可从EVAL-CN0187-SDPZ电路板获取数据。

设备要求

开始使用
将CN0187评估软件光盘放入PC的光盘驱动器，加载评估软件。打开“我的电脑”，找到包含评估软件光盘的驱动器，打开Readme文件。按照Readme文件中的说明安装和使用评估软件。

功能框图
电路框图参见本电路笔记的图1，电路原理图参见“EVAL-CN0187-SDPZ-SCH”pdf文件。此文件位于CN0187设计支持包中。

设置
EVAL-CN0187-SDPZ电路板上的120引脚连接器连接到EVAL-SDP-CB1Z (SDP)评估板上标有“CON A”的连接器。应使用尼龙五金配件，通过120引脚连接器两端的孔牢牢固定这两片板。使用适当的RF电缆，通过SMA RF输入连接器将RF信号源连接至EVAL-CN0187-SDPZ板。在断电情况下，将一个+6 V电源连接到板上标有+6 V和GND的引脚。如果有+6 V壁式电源适配器，可以将它连接到板上的管式插孔连接器，代替+6 V电源。SDP板附带的USB电缆连接到PC上的USB端口。注意：此时请勿将该USB电缆连接到SDP板上的微型USB连接器。

测试
为连接到EVAL-CN0187-SDPZ电路板的+6 V电源（或壁式电源适配器）通电,启动评估软件，并通过USB电缆将PC连接到SDP板上的微型USB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，则软件能够与SDP板通信。

一旦USB通信建立，就可以使用SDP板来发送、接收、捕捉来自EVAL-CN0187-SDPZ板的串行数据。

本电路笔记中的数据通过Rohde & Schwarz SMT-03 RF信号源和Agilent E3631A电源产生。信号源设定为图表所示频率，输入功率按1 dB步进，数据按1 dB增量记录。