【導讀】二極管因為具有整流特性而用來產生直流電壓，并且只要存在二極管，其所產生的直流電壓便與交流和RF信號電平成比例。本文將把基于二極管的RF和微波產品與集成電路替代產品相對比。本文討論的話題包括傳遞函數線性度、溫度穩定性和ADC接口。
基于二極管的分立式RF檢波器
圖1顯示的是一個廣泛使用的、基于二極管的RF檢波電路原理圖。可以把它看成一個帶有輸出濾波的簡易半波整流器。輸入信號的正半周期正向偏置肖特基二極管，進而對電容充電。在負半周期時，二極管反向偏置，導致電容上的電壓處于保持狀態，產生與輸入信號成比例的直流輸出。為了在輸入信號下降或關斷時讓此電壓下降，采用電阻與電容的并聯組合來提供放電路徑。
圖1. 基于二極管的肖特基RF檢波器
圖2顯示了此電路的傳遞函數。輸入功率以dB為單位調整，輸出電壓以對數垂直刻度表示。觀察25°C傳遞函數，發現曲線上有兩個不同的工作區間。稱為線性區間的區域為輸入范圍的頂端(約15 dBm)到大約0 dBm。術語“線性區間”是由于該區域內的輸出電壓與輸入電壓大致成比例而得名。
圖2. 基于二極管的肖特基RF檢波器傳遞函數
0 dBm以下是所謂的平方律區域。在此區域內，輸出電壓大致與輸入電壓的平方成比例。這導致曲線的斜率較高。
圖2還顯示了–40°C和+85°C溫度下的電路輸出電壓與輸入功率傳遞函數的關系。它表明0 dBm以下的功率電平偏差較大。這使得器件在溫度變化稍大的應用中變得不穩定。
有一些技術可在某種程度上緩解溫度漂移。這些技術包括引入第二個參考二極管作為電路的一部分，或者作為獨立電路，具有獨立的輸出。參考二極管的溫度漂移與主二極管匹配。通過減法處理(模擬域或數字域，具體根據電路結構決定)，可在一定程度上消除漂移。
圖3顯示了ADL6010——一款基于二極管的集成式肖特基檢波器，具有大量的創新特性——在25 GHz時的傳遞函數。作為信號處理的一部分，輸入信號通過一個僅在信號低于特定功率電平時才執行平方根操作的電路。躍遷點故意設置為等于二極管從平方律區間躍遷至線性區間的功率電平。因此，二極管的平方律效應得以消除，而兩個區間的傳遞函數也不如圖1那么明顯了。
圖3. 25 GHz時集成式肖特基二極管檢波器的輸出電壓與輸入功率和線性度誤差的關系
圖3還顯示了從–55°C到+125°C范圍內各種溫度的傳遞函數曲線。另外，還標出了傳遞函數隨溫度發生的變化。將25°C傳遞函數的線性回歸作為基準，以dB為單位標出每一溫度下的誤差。由于集成式溫度補償電路和平方律消除電路的作用，可以看到在輸入的絕大部分范圍內，線性度和溫度漂移產生的誤差大約為±0.5 dB。
ADC接口
雖然有時候會在模擬電源控制環路中使用RF和微波檢波器1，但更普遍的是構建一個數字電源控制環路，如圖4所示。在這些應用中，功率檢波器的輸出采用模數轉換器進行數字化處理。在數字域中，使用來自ADC的碼來計算功率電平。一旦獲得了功率電平，系統就會作出響應，按需調節傳輸功率。
圖4. 典型的數控RF功率控制環路
雖然此環路的響應時間只在較少程度上依賴于檢波器響應時間，但ADC采樣速率和功率控制算法速度的影響會大得多。
環路測量以及精確設置RF功率電平的能力受一系列因素影響，包括RF檢波器的傳遞函數和ADC分辨率。為了更好地理解這一點，讓我們進一步看看檢波器的響應。圖5將基于二極管的檢波器ADL6010在20 GHz時的響應與微波對數放大器HMC1094進行對比。對數放大器具有線性dB的傳遞函數，其輸入功率的1 dB變化始終導致輸出端具有相同的電壓變化(大約–50 dBm至0 dBm的線性輸入范圍)。相比之下，在橫軸采用dB刻度以及線性縱軸用于輸出電壓的情況下，諸如ADL6010等基于二極管的檢波器具有指數形式的傳遞函數。
圖5. 線性dB對比
由于模數轉換器的傳遞函數單位為位/電壓，這意味著以dB/位表示的系統分辨率會隨著輸入功率的下降而不斷下降。圖5中的曲線還顯示了位/dB分辨率，可由ADL6010以5 V滿量程電壓驅動一個12位ADC實現(為了方便查看，該曲線以對數副軸標記刻度)。在器件功率范圍的低端約–25 dBm處，遞增斜率約為每dB2位，從而使分辨率約為0.5 dB/位。這表示一個12位ADC足以在滿量程范圍內精確解析ADL6010輸出。
隨著RF輸入功率的增加，以位/dB為單位的遞增斜率將在15 dBm的最大輸入功率下穩步上升至大約300位/dB的最大值。這對于RF功率控制應用而言是有價值的；當系統達到最大功率時，這類應用的精度性能至關重要。RF檢波器用來測量和控制高功率放大器(HPA)是一個非常典型的應用場景。在那些經常需要控制功率以防HPA過熱的應用中，以最大功率進行高分辨率功率測量具有極大的價值。
相比之下，圖5中的HMC1094對數放大器傳遞函數還顯示出它在線性工作范圍內的斜率不變。這意味著若要實現遠低于1 dB的分辨率，則使用較低分辨率的ADC (10位甚至8位)就足夠了。
在圖6顯示的應用電路中，ADL6010與AD7091對接，后者是一個12位精密ADC，采樣速率最高為1 MSPS。該ADC內置2.5 V基準電壓源，可設置滿量程輸入電壓。由于ADL6010檢波器可達到的最大電壓約為4.25 V，使用一個簡單的電阻分壓器便可將該電壓向下調節，從而使其永不超過2.5 V。這種調節可以在沒有運算放大器緩沖器的情況下完成部署。輸入功率范圍下限處可以實現的dB/位分辨率與上文示例類似(即大約0.5 dB/位)。2
圖6. 集成式微波功率檢波器與精密ADC接口
結論
與分立式部署相比，集成式RF和微波檢波器具有眾多優勢。集成式溫度補償電路提供即用型輸出電壓，其在寬溫度范圍內可以穩定在±0.5 dB左右。使用內部平方根函數可以有效消除低輸入功率電平時的平方律特性。這樣便可具有單個線性傳遞函數，使器件校準更為方便。集成式檢波器的緩沖輸出可以直接驅動ADC，不必擔心負載會影響計算精度。選擇和設計ADC時必須仔細，以便在低輸入功率下具有足夠的位/dB。
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