一個(gè)頻率可調(diào)射頻檢波器詳細(xì)教程

Circuits from the Lab參考電路是經(jīng)過測試的參考設(shè)計(jì)，有助于加速設(shè)計(jì)，同時(shí)簡化系統(tǒng)集成，幫助并解決當(dāng)今模擬、混合信號(hào)和RF設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

連接/參考器件

ADF4351

集成VCO的35 MHz至4400 MHz寬帶頻率合成器

ADL5801

10 MHz至6 GHz寬帶有源混頻器

AD8368

800 MHz、線性dB VGA，內(nèi)置AGC檢波器

ADL5902

50 MHz至9 GHz、65 dB TruPwr?檢波器

頻率選擇、RMS響應(yīng)、90 dB動(dòng)態(tài)范圍、35 MHz至4.4 GHz RF檢波器

電路評估板

ADF4351評估板（EVAL-ADF4351EB1Z）

ADL5801評估板（ADL5801-EVALZ）

AD8368評估板（AD8368-EVALZ）

ADL5902評估板（ADL5902-EVALZ）

EPCOS B5249 SAW濾波器評估板或等效產(chǎn)品

電路功能與優(yōu)勢

本電路是一個(gè)頻率可調(diào)射頻（RF） 檢波器，提供90 dB檢測范圍，工作頻率是從35 MHz到4.4 GHz。 與不區(qū)分頻譜中信號(hào)的獨(dú)立檢波器不同，本電路能夠?qū)Ｗ⒂谝粋€(gè)較窄的頻帶，在指定范圍內(nèi)提供增強(qiáng)的性能。 該檢波器電路提供RMS響應(yīng)，具有出色的溫度和頻率穩(wěn)定性，對需要精確頻率、選擇性RF功率測量的應(yīng)用非常有吸引力。 本電路還能很好地抑制無用阻塞信號(hào)。 圖1顯示了該電路的原理示意圖。

圖1. 頻率選擇RF檢波器

電路描述

該檢波器電路由RMS檢波器、可變增益放大器（VGA）、SAW濾波器、混頻器和頻率合成器組成，提供90 dB檢測范圍和出色的頻率/溫度穩(wěn)定性。 圖2顯示當(dāng)輸入功率以900 MHz掃描時(shí)檢波器電路的傳遞函數(shù)。 采用4點(diǎn)校準(zhǔn)法可獲得最佳線性度，校準(zhǔn)點(diǎn)為：+13 dBm、?50 dBm、?65 dB和?75 dBm。 也可采用2點(diǎn)校準(zhǔn)法，但在輸入功率范圍內(nèi)線性度會(huì)有所下降。

圖2. 不同溫度下頻率選擇RF檢波器的傳遞函數(shù)

動(dòng)態(tài)范圍增強(qiáng)

電路使用的ADL5902檢波器本身即可提供65 dB的檢測范圍，工作頻率是50 MHz至9 GHz。AD8368 VGA可擴(kuò)展功率范圍的上限和下限。 VGA與檢波器之間的窄帶SAW濾波器可濾除VGA和混頻器的噪聲，使下限靈敏度最大。電路筆記CN-0340更詳細(xì)地說明了這種動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展機(jī)制。 然而，這種范圍擴(kuò)展會(huì)限制濾波器通帶頻率范圍的操作。 用寬帶頻率轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)結(jié)合CN-0340電路可使整個(gè)電路具有頻率選擇特性。 在圖1所示電路中，ADL5801混頻器與ADF4351頻率合成器配對，將35 MHz至4.4 GHz的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為140 MHz，即SAW濾波器的通帶頻率。電路筆記CN-0239說明了該電路所用的無縫寬帶混頻器與本振接口。

利用混頻器ADL5801的VSET引腳優(yōu)化混頻器偏置電平，可進(jìn)一步增強(qiáng)電路動(dòng)態(tài)范圍。 通常，ADL5801混頻器以3.6 V的VSET電平工作，導(dǎo)致混頻器偏置電平較高，IP3相應(yīng)地也很高。 但是，這一工作點(diǎn)會(huì)引起噪聲系數(shù)降級(jí)，從而限制輸入靈敏度。 混頻器以2.0 V的最小VSET電平工作可改善噪聲系數(shù)，但這會(huì)影響混頻器的P1dB，限制動(dòng)態(tài)范圍的上限。 因此，混頻器需要采用自適應(yīng)偏置機(jī)制來優(yōu)化高低兩種功率水平下的電路檢測范圍。 通過將VSET引腳連接到DETO（一個(gè)路由至混頻器內(nèi)部功率檢波器的引腳），器件偏置電平便可根據(jù)信號(hào)條件自適應(yīng)設(shè)置。 利用這個(gè)特性，混頻器可針對大RF信號(hào)提供高線性度和壓縮，而對小RF信號(hào)提供低噪聲系數(shù)。 此特性可改善應(yīng)用在較低輸入功率水平時(shí)的靈敏度，同時(shí)維持較高輸入功率水平時(shí)的動(dòng)態(tài)范圍。 圖3顯示了不同混頻器偏置電平下檢波器的傳遞函數(shù)。

圖3. 不同偏置電平下ADL5801混頻器的性能比較

溫度穩(wěn)定性

圖2顯示了功率譜上檢波器的溫度穩(wěn)定性與RF輸入功率的關(guān)系。 溫度范圍內(nèi)的精度是利用ADL5902 RMS檢波器的溫度補(bǔ)償特性實(shí)現(xiàn)的，該特性可補(bǔ)償系統(tǒng)中引入的溫度漂移。 VGA和混頻器增益的任何溫度變化都會(huì)使電路的整體漂移逐dB下降，也就是說，混頻器增益的1 dB溫度漂移將使整體溫度穩(wěn)定性下降1 dB。 對于AD8368 VGA，AD8368數(shù)據(jù)手冊中的圖5顯示其增益的溫度漂移約為±0.7 dB。 同樣，根據(jù)ADL5801數(shù)據(jù)手冊中的圖3，混頻器溫度漂移為±0.5 dB。 調(diào)節(jié)ADL5902 TADJ引腳上的電壓可補(bǔ)償檢波器、VGA和混頻器的總溫度漂移。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：對于所有RF輸入頻率，0.6 V的TADJ電壓可提供最佳溫度補(bǔ)償。

頻率穩(wěn)定性

圖4和圖5顯示了電路的頻率平坦度。 在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)，該電路具有大約1 dB的平坦度。 由于混頻器將輸入信號(hào)下變頻至140 MHz，因此頻率平坦度曲線以混頻器引入的增益變化為主。

圖4. 不同頻率下輸出平坦度與輸入功率的關(guān)系

圖5. 35 MHz校準(zhǔn)后誤差與頻率的關(guān)系

阻塞信號(hào)抑制

圖6顯示存在960 MHz的阻塞信號(hào)時(shí)，電路在900 MHz時(shí)的性能。 阻塞信號(hào)與載波信號(hào)相差60 MHz是因?yàn)闉V波器在該頻率時(shí)的通帶抑制性能有所下降（見圖7），從而構(gòu)成該電路的最不利測試狀況。 當(dāng)阻塞信號(hào)輸入電平高于?10 dBm時(shí)，阻塞信號(hào)會(huì)降低電路的下限靈敏度。但是，對于不超過+5 dBm的阻塞信號(hào)，電路仍會(huì)保持65 dB的動(dòng)態(tài)范圍。

圖6. 在有960 MHz阻塞信號(hào)的情況下，900 MHz時(shí)的輸出和輸入傳遞函數(shù)

圖7. EPCOS B5249 SAW濾波器的傳遞函數(shù)

常見變化

用帶寬更寬的分立式鎖相環(huán)（PLL，如ADF4155或ADF4156）和外部VCO取代頻率合成器ADF4351，可將電路的頻率范圍擴(kuò)展到6 GHz。 通過改變SAW濾波器，可以調(diào)整電路的中頻頻率、濾波器帶寬和插入損耗。 提高濾波器的帶寬和插入損耗會(huì)提高噪聲電平，從而降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。 混頻器、VGA和濾波器的積分輸出噪聲電平必須比RMS檢波器的標(biāo)稱輸入靈敏度低6 dB到10 dB。 可利用ADIsimRF?來計(jì)算電路前端（混頻器、VGA和濾波器）的積分噪聲。 將該電路連接AD7091或AD7466等模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可對電路輸出電壓進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。 更多信息參見電路筆記CN-0178。

電路評估與測試

該電路利用ADL5902 （ADL5902-EVALZ）、AD8368 （AD8368-EVALZ）、ADF4351 （EVAL-ADF4351EB1Z）、ADL5801 （ADL5801-EVALZ）標(biāo)準(zhǔn)評估板及一個(gè)裝有EPCOS B5249 SAW濾波器的濾波器評估板實(shí)現(xiàn)。 由于全部評估板均提供50 Ω接口，因此它們通過桶形SMA連接器直接連接。 使用測試夾連接從ADL5902檢波器輸出回到AD8368增益控制輸入的信號(hào)連接，并連接VSET和DET0引腳以配置ADL5801的自適應(yīng)偏置控 制。 縮小ADL5902檢波器輸出電壓所需的電阻分壓器是通過在ADL5902評估板的R1 （3.83 kΩ）和R15 （1.5 kΩ）焊盤上表貼安裝電阻來實(shí)現(xiàn)的。 在140 MHz時(shí)，優(yōu)化電路溫度穩(wěn)定性的TADJ電壓通過R9/R12電阻分壓器設(shè)置，該分壓器以2.3 V片上基準(zhǔn)電壓源作為輸入。 若要將TADJ電壓設(shè)為推薦的0.6 V電平，可將R9改為850 Ω（R12保持現(xiàn)有值301 Ω）。

圖8所示為裝配完善的應(yīng)用電路，圖9所示為測試設(shè)置的功能框圖。

圖8. 裝配完善的應(yīng)用電路

圖9. 電路評估測試設(shè)置

設(shè)備要求

以下列出了用來評估電路的設(shè)備清單。

?帶USB端口的Windows? XP、Windows Vista（32位）或Windows 7（32位）PC

?ADL5902-EVALZ、AD8368-EVALZ、EVAL-ADF4351EB1Z和ADL5801-EVALZ評估板

?EPCOS B5249評估板

?一個(gè)RF信號(hào)發(fā)生器

?一個(gè)數(shù)字萬用表

?一個(gè)電源

利用ADF4351控制軟件設(shè)置將輸入信號(hào)下變頻至140 MHz中頻所需的LO頻率。 然后逐步提高輸入功率水平，并測量電路的RMS輸出電壓，從而確定電路的傳遞函數(shù)和誤差一致性曲線。

為測試電路對阻塞信號(hào)的抑制性能，使用一個(gè)信號(hào)發(fā)生器模擬阻塞信號(hào)，并利用主信號(hào)發(fā)生器模擬目標(biāo)通道，用這兩個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路。 然后逐步提高阻塞信號(hào)電平，觀測電路的響應(yīng)，并評估電路性能。

CN-0360設(shè)計(jì)支持包：

CN-0239電路筆記，帶無縫本振接口的寬帶6 GHz有源混頻器，ADI公司。

CN-0340電路筆記，檢波范圍為95 dB的真RMS RF檢波器，ADI公司。

CN-0150電路筆記，經(jīng)軟件校準(zhǔn)的1 MHz至8 GHz、70 dB RF功率測量系統(tǒng)，ADI公司。

CN-0178電路筆記，經(jīng)軟件校準(zhǔn)的50 MHz至9 GHz RF功率測量系統(tǒng)，ADI公司。

ADIsimRF設(shè)計(jì)工具

ADIsimPLL?設(shè)計(jì)工具

UG-435用戶指南，ADF4351小數(shù)-N分頻PLL頻率合成器的評估板。

UG-476用戶指南，PLL軟件安裝指南。

MT-031指南，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開“AGND”和“DGND”的謎團(tuán)，ADI公司。