基于AD8302的RF信号精确增益/相位测量

电子电路分为两大类 - 处理和转换信号的那些以及测量信号的那些。它们的功能经常被组合在一起，如接收器的IF部分 - 处理信号（通过放大和解调），并且还提供接收信号强度（RSSI功能）的指示，可以是缓慢变化的电压。显示和/或用于自动控制变量，如增益和频率（AGC和AFC）。

测量射频信号强度的电路，其基本指标是功率，通常是称为探测器，但只有热电堆（辐射热测量计）直接测量 。集成电路检测器总是对要测量的信号的电压样本进行操作。这类电路按其提供的信号变换类型进行分类。 1976年，ADI公司提供了第一款用于中等频率的单片“真有效值”探测器。现在，该产品系列包括AD8361等已将此功能扩展到微波域的设备。在诸如CDMA的现代通信系统中，信号功率的精确确定（与其波形无关，另外说明，其概率密度函数）是重要的。与热探测器不同，这些真有效值探测器使用模拟计算直接实现千兆赫频率的相关方程。

另一种有价值的射频探测器（也使用计算）是解调对数放大器。顾名思义，它放大信号，允许这类设备测量小信号，并且解调交替的RF波形到缓慢变化的“准”直流“输出。然而，与rms检测器不同，其输出与输入电压的均方根值成比例，对数检测器提供与信号电平的分贝值成比例的输出，参考固定的电压， V INT （定义如下）。输出（通常是电压）可以用电压或功率来解释，只需使用一个称为“斜率”的缩放参数的不同值即可。

对于RF对数放大器，有必要对所有信号和缩放参数使用电压指标。为了定义输入电平，我们将使用dBV（这里意味着相对于1 V rms的分贝）而不是指“功率”，单位为dBm（相对于1 mW的分贝）。这是明确的，与输入接口处的阻抗选择无关，并且适用于IC检测器。例如，0 dBV对应于2.83-V峰 - 峰幅度的正弦波;类似地，-60 dBV指的是2.83-mV pp正弦波。

这些RF对数检测器的操作符合如下函数：

V OUT = V SLP 日志（ V SIG / V 《子》 INT 的）《跨度》 （1）

如果选择基数为10的对数［log 10 （10）= 1 decade］，考虑到分贝，斜率电压 V SLP 《 / em》，可以在电压比的对数的缩放中以“每十倍电压”来观察。由于十年内有20分贝，相应的“伏特/分贝”仅为该电压的二十分之一。因此，对于400 mV / decade的 V SLP ，斜率也可以表示为20 mV / dB。第二个缩放参数，称为“拦截”， V INT ，是log参数为1的输入电压。在此电压下，独立于基极的选择，输出将为零，因为log（1）= 0.实际上，RF对数放大器中的有限可用增益，噪声的存在以及其他实际限制导致值对于 V INT 这是一个外推值，通常只有几微伏，并且由设计修复。

A然后出现关于 V INT 代表什么的精确解释的问题。这个数量是“伏特直流”，还是“伏特有效值”？或者它是一些其他指标，例如简单的平均值，还是峰值？对于从一个级别到另一个级别的比率的测量， V INT 的值是不重要的。但是，在需要确定 V SIG 的绝对级别时，测量精度直接取决于 V 《的值《 sub》 INT 的方式与DVM中的参考电压相同。

RF对数放大器的近距离研究，使用 1技术称为“渐进式压缩”，显示了经典对数放大器实践中未遇到的另一种效应，即 V INT 的有效值强烈依赖于《 em》输入信号的波形。因此，我们选择为正弦输入定义 V INT ，然后为各种其他波形提供转换因子。

实际上，在未经修整的生产IC中对VINT的控制不能像精确RF测量中经常需要的那样精确。激光微调首先用于AD640 / 641中的RF对数放大器，最近用于AD8306等产品，可以在校准期间使用正弦波输入提供非常精确的校准。然而，虽然对已知波形使用适当的转换因子可以保持良好的精度，但仍存在波形依赖的基本问题。这在现代系统中存在问题，其中波形未知并且可以快速变化。

信号比率测量到2.5 GHz

这个问题已在AD8302中通过使用两个相同的对数放大器以单片形式集成，如图1所示。每个通道都能够测量60 dB范围内的信号，从极低频率到2.5 GHz。 幅度（“增益”）输出的定义函数是

V MAG = V SLP 日志（ V A / V B ）+ V 《子》 CP 《跨度》 （2）

其中 V A 和 V B 是两个独立的信号，应用于两个相同的输入端口AD8302和 V CP 是中心点，定义为输出值 V MAG ，电平差为0 dB。 （ V SLP 和 V CP 是设计选择，考虑到易用性;两者都是可追溯到带隙参考）。

通过获取两个独立对数放大器输出的差值，AD8302中消除了公式1的惯常固定截距。此关键步骤计算比率的对数（ V A / V B ）*（ V 《子》 INTB / V 《子》 INTA 的）;并且，由于对数放大器是相同的，第二项非常准确地统一，与温度，电源电压和众多的生产差异无关。

这种优雅的固定截距消除导致高度精确的测量信号电平，在许多应用中。对log参数准确性的主要限制现在是两个共同集成通道的匹配。这种新颖的结构 2 开辟了许多测量可能性，否则需要使用两个不同的对数放大器，它们在斜率和截距校准方面具有固有的差异。 AD8302是第一款允许直接测量交流信号比的IC。这种独特的功能可以在很宽的频率范围内测量两个信号端口之间的增益/损耗和相对相位（见下文），在许多其他应用中都具有价值。

图2显示了输出电压变化与信号比的函数关系（例如，可能对应于被监控信道的增益或损耗），频率范围为900 MHz至2.2千兆赫。提供给通道B的信号电平是固定的，而通道A处的信号电平相对于通道B从-30 dB变化到+30 dB。输出 V MAG ，演示精确斜率 V SLP ，20 mV / dB，中心点 V CP ， 900 mV。与理想对数定律的极小偏差（图2b）证明了使用共积分对数放大器的价值。

相对相位测量到2.5 GHz

AD8302还可以测量两个信号之间的相位差，从低频到2.5 GHz。每个单独的对数放大器在其最后阶段产生“硬限制”输出。这些信号被应用于新型乘法器式相位检测器的两个输入端，该相位检测器关于其两个输入和180°范围具有精确对称性。相位输出 V PHS 由下式给出，

V PHS =±V F （F - 90°）+ V CP （3）

其中 V F 是相位输出的定标电压，（F是两个输入之间的相位差。符号的选择取决于哪两个象限构成由于包含此功能，AD8302成为“片上网络分析仪”。

图3显示了900 MHz，1.9 GHz和2.2 GHz的相位测量。通过略微偏移两个输入频率并允许角度累积，产生相位差，作为“滑动”。 V PHS 输出的斜率为10 mV /度，以 V CP 为中心，为900 mV。当相位滑动180°时，斜率的交替符号是明显的。图3b显示了测量误差。 0°和180°附近误差的快速增加主要是由于硬限制信号的有限上升和下降时间引起的死区.AD8302在这些频率上精确测量相位的独特能力是两个紧密集成的对数放大器的良好平衡的结果。

使用AD8302

这些用于测量增益/损耗的新功能和在许多RF和IF应用中，两个信号端口之间的相对相位将是有价值的。该“片上网络分析仪”的功能，多功能性和紧凑的外形非常适用于原位诊断和系统参数监控以及反馈和馈送 - 子系统的前向线性化和控制。以下是AD8302的一些应用。

现在可以使用已知的交流参考来测量绝对信号电平。如图4所示，应用于通道B的参考信号创建了一个有效的值截距 V B 。当两个信号具有相似的波形时，测量可以非常准确。如果可以确保两个输入的幅度接近相等，则即使由斜率电压的不确定性引起的误差也可以最小化（原则上消除）。这通常是一个简单的事情，使用较大信号上的衰减器垫来定位比率 V A / V B 接近统一。当需要最高精度或必须处理非常大的动态范围时，对中技术很有价值。

AD8302最有用的应用是监控和报告功能的获得或丢失块或子系统。在图5所示的示例中，监视标称增益为20 dB的500 MHz IF放大器的输入和输出信号样本。通过使用衰减器和耦合器，两个信号被调节为具有相同的一般幅度。增益响应显示中等规模的低频值，对应于放大器的20 dB电平差和约500 MHz的3 dB带宽。该示例中的功能块可以是频率转换设备，例如混频器。在这种情况下，两个输入将处于不同的频率，测量的数量将是转换增益。由于波形保持相似，因此再次消除了该误差源。但是，当输入频率差别很大时，由于阻抗匹配的不等式和千兆赫区域内两个对数放大器的缩放的频率依赖性，可能会发生系统偏移。

在许多通信系统中，存在向外部接口端口提供的不可预测的负载。此负载的变化可能导致系统性能发生变化，甚至在极端情况下导致灾难性故障。提供以RF方式监视负载阻抗或反射系数的方法是非常有价值的 - 而不会干扰它。在图6中，AD8302配置为测量任意负载的反射系数，在这种情况下，它是一个PIN二极管，其偏置被扫描以改变其阻抗。响应曲线中的陷波表示与50欧姆特性线阻抗的近似匹配，其中反射信号几乎为零。

多功能性和易用性

AD8302提供多种其他操作模式，精心规划的结果以及这种不寻常结构的基本通用特性。前面的示例演示了AD8302的典型测量模式，其中 V MAG 和 V PHS 输出报告其输入之间的信号电平和相位差。但是，传输功能的内置标定和中心点可以使用外部电阻和VREF引脚提供的1.80 V内部基准电压进行调整。

通过断开输出引脚与反馈引脚的连接，MSET和PSET，实现增益和相位比较器，如图7所示。这里， V MAG 和 V PHS 输出在0 V和1.8 V的最大输出电压之间切换，具体取决于信号电平和相位差是否大于或小于提供给MSET的阈值和PSET引脚。

在 controller 模式下，如图8所示，VMAG和VPHS引脚驱动信号链中包含的增益/相位调整器监控，以便将系统的整体增益和相位伺服到MSET和PSET引脚所需的设定点。

AD8302在其输入端具有宽频率范围，范围从任意低频（甚至音频）到2.5 GHz。对数放大器的宽动态范围不仅适应相对信号电平的大的变化，而且还适应绝对电平的变化。表示幅度和相位差的输出量具有30MHz的最大小信号包络带宽;这可以通过增加外部滤波电容来减少。

AD8302首次使用先进的双极性工艺以单片形式提供这种强大的计算功能。卓越的对数放大器匹配，高频能力以及增益和相位测量的精确缩放，所有这些都占用空间小，为非侵入式方式的RF和IF系统的现场监测和控制开辟了新的机会。采用2.7 V至5.5 V电源供电时，电流仅为20 mA。该产品采用14引脚TSSOP封装。