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作者：ADI公司 Anton Patyuchenko，現(xiàn)場應(yīng)用工程師
分立式和集成式組件是構(gòu)成各個應(yīng)用領(lǐng)域的RF信號鏈的基礎(chǔ)功能性構(gòu)建模塊。在本系列文章的第一部分，我們討論了用于表征系統(tǒng)的主要特性和性能指標(biāo)。然而，為了達(dá)到期望的性能，RF系統(tǒng)工程師還必須對各類RF器件有充分的了解，RF器件的選擇將決定最終應(yīng)用中完整RF信號鏈的整體性能。
第2部分將概述典型RF信號鏈中使用的不同器件的主要類型，如圖1所示。我們的討論將限于最常見的RF集成電路（IC），并依賴于與系統(tǒng)級信號鏈定義相關(guān)的分類標(biāo)準(zhǔn)。該評估包括RF放大器、頻率產(chǎn)生IC、倍頻器和分頻器、混頻器、濾波器和開關(guān)，以及衰減器和檢波器。本文可以作為RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員為目標(biāo)應(yīng)用選擇合適構(gòu)建模塊的指南。
圖1.一個通用RF信號鏈
RF放大器
放大器的主要功能是提高輸入信號的功率水平以在輸出端產(chǎn)生更大的信號。任何RF放大器的主要特性就是其增益，它描述了輸出功率與輸入功率之比。然而，最優(yōu)放大器設(shè)計(jì)總是其增益、噪聲、帶寬、效率、線性度和其他性能參數(shù)的權(quán)衡結(jié)果。將這些特性作為主要分類標(biāo)準(zhǔn)，我們可以區(qū)分各種類型的放大器，從而為具體應(yīng)用場景提供優(yōu)化的性能。
低噪聲放大器（LNA）經(jīng)過優(yōu)化，旨在提高低功率信號的電平而不引入顯著的噪聲。良好LNA在亞GHz范圍內(nèi)的噪聲系數(shù)（NF）可以小于1 dB，在較高頻率下為幾個dB。信號鏈的整體噪聲系數(shù)由前幾級主導(dǎo)，因此LNA常常用在接收器的前端以使其靈敏度最大化。相反，功率放大器（PA）通常用于發(fā)射信號鏈的輸出級。其針對功率處理進(jìn)行了優(yōu)化，以高效率提供高輸出功率，同時(shí)保持低發(fā)熱量。
高IP3或高線性度放大器具有與PA相似的特性，提供高動態(tài)范圍性能。然而，這種類型的放大器針對線性度進(jìn)行了優(yōu)化，在使用高峰均功率比的信號的應(yīng)用中優(yōu)于PA。例如，在依賴矢量調(diào)制信號的通信系統(tǒng)中，高線性度放大器可以使失真最小化，這對于實(shí)現(xiàn)低誤碼率至關(guān)重要。
可變增益放大器（VGA）也是針對高動態(tài)范圍應(yīng)用，但能支持寬范圍的信號電平。VGA通過增益調(diào)節(jié)來控制發(fā)射信號幅度或調(diào)整接收信號幅度，從而適應(yīng)信號變化。如果數(shù)據(jù)總線可提供控制參數(shù)，并且逐步增益調(diào)整對于應(yīng)用不那么重要，那么應(yīng)選擇數(shù)字控制VGA。當(dāng)沒有數(shù)字控制數(shù)據(jù)可用或應(yīng)用不能容忍階躍干擾時(shí)，模擬控制VGA是首選解決方案。VGA常常用于自動增益控制（AGC），或用于補(bǔ)償其他元器件的溫度或特性變化所導(dǎo)致的增益漂移。
如果LNA、PA、VGA和其他類型的RF放大器設(shè)計(jì)為在寬頻率范圍（高達(dá)數(shù)個倍頻程）內(nèi)工作，那么這些放大器也可以歸類為寬帶放大器。此類放大器提供寬帶放大和中等增益，常常用于寬帶應(yīng)用中主信號路徑的前端級。寬帶放大器常常依賴于分布式放大器電路設(shè)計(jì)，并提供大增益帶寬積，但通常要付出效率和噪聲方面的代價(jià)。
有些RF放大器也屬于一般類別的驅(qū)動放大器（或者就是驅(qū)動器）。驅(qū)動器是用于控制信號鏈中的另一器件（如第二放大器、混頻器、轉(zhuǎn)換器或其他元件）的放大器。驅(qū)動放大器的主要功能是調(diào)節(jié)某些工作參數(shù)，以確保相連器件擁有最佳工作條件。驅(qū)動放大器不一定要設(shè)計(jì)為驅(qū)動特定器件，但如果其用途是完成某種驅(qū)動功能，則任何RF放大器都可以被視為驅(qū)動器。類似地，我們還有一般類別的緩沖放大器（或者就是緩沖器），其用于防止信號源受負(fù)載影響。例如，緩沖放大器常用于將本振與負(fù)載隔離，以使負(fù)載阻抗變化對振蕩器性能的不利影響最小化。
考慮經(jīng)典的超外差架構(gòu)，在寬泛的RF放大器中，我們還可以區(qū)分出本振（LO）放大器和中頻（IF）放大器。這些放大器的主要區(qū)別是其在信號鏈中的功能目的。LO放大器用于LO路徑，以確保混頻器（通常被稱為LO驅(qū)動器或LO緩沖器）具有所需的LO驅(qū)動電平，而IF放大器則設(shè)計(jì)為較低頻率工作，因而是信號鏈中頻級的首選解決方案。
增益模塊是另一種一般類型的放大器，可用于RF、IF或LO信號路徑，能夠提供良好的增益平坦度和回波損耗。其設(shè)計(jì)常常包含內(nèi)部匹配和偏置電路，因而只需極少的外部元件便可集成到信號鏈中，集成工作得以簡化。增益模塊放大器可以滿足一般用途和特殊用途需要，覆蓋各種頻率、帶寬、增益和輸出功率水平。
RF放大器的多樣性當(dāng)然不限于本文中討論的那些。基于放大器特性，我們還有許多其他類型的RF放大器，其提供不同的性能特征組合，這里僅舉幾個例子：限幅放大器在寬輸入功率范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的壓縮輸出功率，低相位噪聲放大器針對高信號完整性應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，對數(shù)放大器本質(zhì)上就是實(shí)現(xiàn)RF檢波功能的RF-DC轉(zhuǎn)換器（參見“RF檢波器”部分）。表1總結(jié)了我們所討論的主要放大器類型。
表1.RF放大器的一些主要類型總結(jié)
RF放大器還可以基于其他標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，例如特性、工作模式（放大器類別）、裝配或工藝技術(shù)，其完整分類超出了本文的范圍。但是，本節(jié)從RF信號鏈架構(gòu)定義出發(fā)，討論了行業(yè)中采用的一些最常見類型的RF放大器。
頻率產(chǎn)生IC
頻率產(chǎn)生器件可以服務(wù)于RF信號鏈中的各種不同功能，包括頻率轉(zhuǎn)換、波形合成、信號調(diào)制和時(shí)鐘信號產(chǎn)生。根據(jù)IC的目標(biāo)使用場景，有一些性能指標(biāo)決定了其選擇，包括輸出頻率范圍、頻譜純度、穩(wěn)定性和調(diào)諧速度。針對不同使用場景，有廣泛的頻率產(chǎn)生器件可供選擇，其中包括電壓控制振蕩器（VCO）、鎖相環(huán)（PLL）、集成頻率合成器、轉(zhuǎn)換環(huán)路和直接數(shù)字頻率合成（DDS） IC。
電壓控制振蕩器（VCO）產(chǎn)生輸出信號，其頻率由外部輸入電壓控制。VCO的內(nèi)核可以是基于不同類型的諧振器。使用高質(zhì)量諧振器的單核VCO可在有限頻率范圍內(nèi)提供低相位噪聲性能，而較低質(zhì)量的振蕩器以寬帶操作為目標(biāo)，噪聲特性很一般。使用多個切換式高質(zhì)量諧振器電路的多頻段VCO是一種替代解決方案，既支持寬帶操作，又能提供低相位噪聲性能，但其代價(jià)是調(diào)諧速度較慢，因?yàn)榍袚Q不同的核需要時(shí)間。VCO通常與鎖相環(huán)配合使用。
鎖相環(huán)（PLL）或PLL頻率合成器可確保許多頻率合成和時(shí)鐘恢復(fù)應(yīng)用所需的VCO輸出頻率穩(wěn)定。如圖2a所示，PLL包含鑒相器，其將VCO頻率的N分頻與參考頻率進(jìn)行比較，并使用該差值輸出信號調(diào)節(jié)施加于VCO調(diào)諧線路的DC控制電壓。這使得任何頻率漂移都能得到即時(shí)校正，因而振蕩器能夠保持穩(wěn)定操作。典型的PLL IC包含誤差檢測器——帶電荷泵的鑒頻鑒相器（PFD）——和反饋分頻器（參見圖2a中的虛線區(qū)域），另外還需要外部環(huán)路濾波器、參考頻率和VCO以構(gòu)成一個完整的反饋系統(tǒng)，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率。使用集成VCO的頻率合成器IC可以大大簡化該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)1。
集成VCO的頻率合成器將PLL和VCO組合在單個封裝中，只需要外部參考和環(huán)路濾波器就能實(shí)現(xiàn)所需的功能。集成式PLL頻率合成器是一種多功能解決方案，具有廣泛的數(shù)字控制設(shè)置，支持產(chǎn)生精確頻率。它常常包含集成功率分路器、倍頻器、分頻器和跟蹤濾波器，頻率覆蓋范圍超越了VCO的基頻范圍，達(dá)到數(shù)個倍頻程。所有這些元件的內(nèi)在參數(shù)決定了輸出頻率范圍、相位噪聲、抖動、鎖定時(shí)間和其他表示頻率合成電路總體性能的特性。
轉(zhuǎn)換環(huán)路是基于PLL概念的另一類頻率合成器，但采用不同的方法實(shí)現(xiàn)。如圖2b所示，其反饋環(huán)路中使用的是集成下變頻混頻級，而不是N分頻器，環(huán)路增益設(shè)置為1，帶內(nèi)相位噪聲極小。轉(zhuǎn)換環(huán)路IC（參見圖2b中的虛線區(qū)域）專為對抖動高度敏感的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，并與外部PFD和LO組合使用，以緊湊的尺寸實(shí)現(xiàn)完整的頻率合成解決方案，提供儀表級性能。
直接數(shù)字頻率合成（DDS） IC是集成PLL頻率合成器的替代方案，采用不同的原理實(shí)現(xiàn)?；綝DS架構(gòu)的原理圖如圖2c所示。它是一種數(shù)字控制系統(tǒng)，包括表示時(shí)鐘信號的高精度參考頻率、創(chuàng)建目標(biāo)波形數(shù)字版本的數(shù)字控制振蕩器（NCO）以及提供最終模擬輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。DDS IC提供快速跳頻、精細(xì)的頻率和相位分辨率以及低輸出失真，因此特別適合于出色噪聲性能和高頻率捷變性至關(guān)重要的應(yīng)用2。
圖2.（a） 鎖相環(huán)、（b） 轉(zhuǎn)換環(huán)路、（c） 直接數(shù)字頻率合成器的簡化框圖
頻率產(chǎn)生器件廣泛用于對性能有不同要求的應(yīng)用。例如，通信系統(tǒng)需要低帶內(nèi)噪聲以維持低誤差矢量幅度（EVM），頻譜分析儀依賴于具有快速鎖定時(shí)間的本振來實(shí)現(xiàn)快速頻率掃描，高速轉(zhuǎn)換器需要低抖動時(shí)鐘以確保高SNR性能。
倍頻器
當(dāng)基頻振蕩器不能覆蓋所需頻率范圍時(shí)，使用倍頻器可以產(chǎn)生更高的頻率。這些器件利用其元件的非線性特性來產(chǎn)生輸出信號，其頻率是輸入信號的諧波。根據(jù)目標(biāo)輸出諧波的階數(shù)，我們可以區(qū)分出二倍頻器、三倍頻器和四倍頻器，以及更高階的倍頻器。
用于實(shí)現(xiàn)頻率倍增的非線性元件有不同類型，因而我們可以區(qū)分出依賴于二極管電路的無源倍頻器和使用晶體管的有源倍頻器。有源倍頻器需要外部直流偏置，但相對于無源器件，它有若干明顯優(yōu)勢，包括轉(zhuǎn)換增益、較低的輸入驅(qū)動電平和更好的基波與雜散頻率抑制。
倍頻器IC常常與VCO一起廣泛用于PLL頻率合成器設(shè)計(jì)中或作為本振信號路徑的一部分，提供簡單且廉價(jià)的頻率倍增解決方案。然而，所有類型的倍頻器都存在一個相同的缺點(diǎn)：相位噪聲性能會隨著倍頻系數(shù)N而惡化至少20log（N） dB。例如，二倍頻器會使相位噪聲水平增加至少6 dB，這在高速轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘和其他對相位噪聲與抖動敏感的應(yīng)用中可能很嚴(yán)重3。
分頻器和預(yù)分頻器
分頻器將較高輸入頻率變?yōu)檩^低輸出頻率。如今，大部分此類器件是使用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器或移位寄存器實(shí)現(xiàn)的數(shù)字電路。它們廣泛包含于時(shí)鐘分配電路和PLL頻率合成器設(shè)計(jì)中，應(yīng)用眾多。分頻器可以有固定的分頻比（這種分頻器也稱為預(yù)分頻器）或可編程的分頻比。將頻率N分頻可以使輸出信號的相位噪聲改善20log（N） dB。然而，這種改善受分頻器本身的加性相位噪聲（源于其有源電路且會增加到其輸出端）限制。良好的分頻器具有低加性相位噪聲和低諧波成分，這些都是其關(guān)鍵特性。
RF混頻器
基本形式的RF混頻器是一個3端口器件，使用非線性或時(shí)變元件產(chǎn)生一個包含兩個輸入信號的
和頻率與差頻率的輸出信號。RF混頻器可以一般地區(qū)分為無源混頻器和有源混頻器。無源混頻器使用二極管元件，或?qū)ET晶體管用作開關(guān)，而有源混頻器依賴于晶體管電路來實(shí)現(xiàn)變頻。無源混頻器可以提供寬帶寬和高線性度性能，不需要外部直流偏置，而且噪聲系數(shù)一般優(yōu)于有源混頻器。但是，無源混頻器存在轉(zhuǎn)換損耗，并且需要高LO輸入功率，而有源混頻器能提供增益，所需的LO驅(qū)動電平要低得多。實(shí)現(xiàn)下變頻器或上變頻器的替代設(shè)計(jì)可以將無源混頻器核和有源電路結(jié)合以提供轉(zhuǎn)換增益，而不會損害NF和線性度4。
混頻器IC有很多不同設(shè)計(jì)，最基本的是單端（或不平衡）?；诙O管的單端混頻器的概念拓?fù)淙鐖D3a所示。單端混頻器僅使用一個非線性元件來實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換，這種解決方案很簡單，但性能有限，因?yàn)槎丝诤透唠s散之間的隔離很差。平衡式混頻器設(shè)計(jì)利用其電路的對稱性來克服上述限制。根據(jù)對稱程度，平衡式混頻器可以分為單平衡、雙平衡和三平衡混頻器。單平衡混頻器（參見圖3b）由兩個以90°或180°混合方式結(jié)合的不平衡混頻器組成。此類混頻器提供高LO-RF隔離，可抑制RF或LO信號以及輸出端的偶數(shù)次LO諧波。使用各類雙平衡混頻器可以進(jìn)一步改善性能。圖3c顯示了一個常見例子，其四環(huán)配置使用了四個肖特基二極管，RF和LO端口均放置有混合元件。雙平衡混頻器提供高整體性能和良好的端口間隔離，能夠抑制RF和LO頻率以及所有偶數(shù)次RF和LO諧波，因而是廣泛使用的一類RF混頻器IC5。三平衡混頻器可以實(shí)現(xiàn)更高的隔離度和線性度。此類混頻器將兩個雙平衡設(shè)計(jì)組合起來，形成更高程度的對稱性以優(yōu)化變頻過程，但代價(jià)是電路復(fù)雜度顯著提高。
圖3.（a） 單端、（b） 單平衡、（c） 雙平衡和 （d） 鏡像抑制混頻器的概念拓?fù)?/p>
同相正交（I/Q）混頻器是單獨(dú)的一類平衡設(shè)計(jì)。I/Q混頻器利用相位抵消來消除干擾鏡像信號，而無需外部濾波。普通I/Q混頻器在下變頻模式（參見圖3d）下通常可以用作鏡像抑制混頻器（IRM），在上變頻模式下可以用作單邊帶（SSB）混頻器。集成緩沖器和驅(qū)動放大器的I/Q混頻器僅針對兩種工作模式中的一種而設(shè)計(jì)，因而可以將其區(qū)分為I/Q下變頻器和I/Q上變頻器。這些混頻器與另一類頻率轉(zhuǎn)換IC密切相關(guān)，稱為I/Q調(diào)制器和I/Q解調(diào)器。I/Q調(diào)制器和I/Q解調(diào)器提供一個配合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器使用的高阻抗差分基帶接口，因而非常適合于直接變頻收發(fā)器應(yīng)用。具體而言，它們構(gòu)成了現(xiàn)代高集成度RF收發(fā)器IC的核心6。
我們還要簡要提及的一類常見混頻器是次諧波混頻器。它采用次諧波泵本振，為使用較低LO頻率而無外部倍頻器的高頻RF設(shè)計(jì)提供一種簡單的解決方案。
還有許多其他類型的RF混頻器實(shí)現(xiàn)依賴于有源和無源技術(shù)。RF混頻器IC可以使用復(fù)雜的架構(gòu)，其在一個封裝中集成各種元件，包括PLL/VCO、放大器、倍頻器、衰減器和檢波器，并提供數(shù)字接口以控制其功能。
RF濾波器
RF濾波器IC幾乎在每種RF應(yīng)用中都有使用，它能在頻譜（通常還包括非線性信號鏈內(nèi)產(chǎn)生的干擾雜散成分和源自外部的帶外信號）中選擇所需的頻率。因此，這種濾波器的關(guān)鍵功能是為目標(biāo)通帶頻率提供最小衰減，并為阻帶頻率提供最大衰減以抑制不需要的信號。圖4顯示了常見類型的濾波器頻率響應(yīng)，包括低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）和阻帶濾波器（如果阻帶較窄，也稱為陷波濾波器）。
大多數(shù)RF應(yīng)用需要跨多個頻段濾波，這可以利用開關(guān)式濾波器庫實(shí)現(xiàn)。此類解決方案在一個模塊中包含開關(guān)和固定帶寬濾波器，可以在阻帶抑制、線性動態(tài)范圍和切換速度方面提供出色的性能。然而，傳統(tǒng)開關(guān)式濾波器庫的頻段選擇能力有限，而且通常很大且昂貴。具有連續(xù)模擬或數(shù)字調(diào)諧功能的緊湊型可調(diào)濾波器IC克服了這些限制，對于許多應(yīng)用中的多頻段操作，它是開關(guān)式固定濾波器庫的有吸引力的替代方案。模擬可調(diào)濾波器提供電壓控制來調(diào)整中心和/或截止頻率，而數(shù)字可調(diào)濾波器的期望特性可以通過數(shù)字控制接口來配置?？烧{(diào)諧濾波器可以提供優(yōu)異的通帶特性、良好的阻帶抑制、寬調(diào)諧范圍和快速建立時(shí)間，滿足當(dāng)今廣泛RF應(yīng)用的苛刻要求。
圖4.濾波器頻率響應(yīng)：（a） 低通濾波器，（b） 高通濾波器，（c） 帶通濾波器，（d） 帶阻濾波器
RF開關(guān)
RF開關(guān)是用于路由高頻信號通過信號鏈的控制器件。其關(guān)鍵功能可以利用不同類型的開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)，包括PIN二極管、FET晶體管或微機(jī)械懸臂梁。根據(jù)開關(guān)元件的布置方式，開關(guān)設(shè)計(jì)可以有不同數(shù)量的“刀”（由開關(guān)控制的單獨(dú)電路）和“擲”（開關(guān)可以為每個“刀”使用的單獨(dú)輸出路徑）。單刀n擲（SPnT）開關(guān)將信號從一個輸入路由到n個輸出。例如，單刀單擲（SPST）開關(guān)將一個輸入連接到一個輸出，提供簡單的開關(guān)功能；單刀雙擲（SPDT）開關(guān)將一個輸入連接到兩個輸出（參見圖5a）；單刀四擲（SP4T）開關(guān)將輸入信號路由到四個輸出路徑（參見圖5b）。RF開關(guān)還可以有多個“刀”，此類開關(guān)稱為轉(zhuǎn)換開關(guān)（參見圖5c）。最常見的例子是雙刀雙擲（DPDT）配置，其具有兩個單獨(dú)的電路，這些電路可以連接到兩個輸出路徑中的一個。
RF開關(guān)設(shè)計(jì)可以有更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其將多個較低階的開關(guān)組合在一起。此類IC稱為開關(guān)矩陣或交叉點(diǎn)開關(guān)，可在多個輸入和多個輸出之間提供靈活的RF信號路由。
圖5.RF開關(guān)示例：（a） 吸收式SPDT、（b） 反射式SP4T和 （c） 控制轉(zhuǎn)換開關(guān)及真值表示例。
（注意：RFC = RF公共端口，CTRL = 控制電壓端口）。
無論開關(guān)配置如何，我們都可以區(qū)分出反射式開關(guān)和吸收式開關(guān)（也稱為非反射式或端接開關(guān)）。其主要區(qū)別在于，吸收式開關(guān)包含一個匹配負(fù)載，用于端接關(guān)斷狀態(tài)下的輸出端口，以使電壓駐波比（VSWR）最小（參見圖5a）。此特性使得吸收式開關(guān)在兩種開關(guān)模式下均能保持良好的回波損耗，這是反射式開關(guān)所不能提供的。然而，與反射式開關(guān)相比，吸收式開關(guān)的這個優(yōu)點(diǎn)的代價(jià)是功率處理能力較低且電路復(fù)雜性較高。
RF開關(guān)IC可以采用多種不同技術(shù)實(shí)現(xiàn)，包括硅基半導(dǎo)體CMOS和SOI、化合物半導(dǎo)體GaAs和GaN以及微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）7，8。每種技術(shù)在頻率范圍、功率處理能力、隔離、插入損耗、開關(guān)速度、建立時(shí)間等關(guān)鍵性能規(guī)格方面都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。例如，GaAs的高溫性能更優(yōu)越，GaN廣泛用于高功率應(yīng)用，硅基工藝在建立時(shí)間、集成能力、低頻特性和高ESD魯棒性等方面勝出7。替代性MEMS技術(shù)在很小的芯片級封裝中提供微機(jī)械繼電器，獨(dú)特地支持直流精度性能，具有高線性度和功率，而開關(guān)速度、有限周期壽命和熱切換限值方面較差。
RF衰減器
RF衰減器可降低RF信號的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)與放大器相反的功能。它是用于調(diào)整信號鏈中的增益和平衡信號電平的控制器件。RF衰減器IC通常是吸收式（傳輸型）器件。我們可以一般地區(qū)分出固定衰減器（具有不變的衰減水平）和可變衰減器（支持調(diào)整衰減水平）。具有一組離散衰減水平的可變衰減器IC稱為數(shù)字步進(jìn)衰減器（DSA），其通常用于信號粗略校準(zhǔn)，受預(yù)定衰減步長的限制。電壓可變衰減器（VVAS）用于控制精細(xì)信號。與DSA相反，VVA支持連續(xù)調(diào)整衰減水平，可以將其設(shè)置為給定范圍內(nèi)的任何值。所有類型的RF衰減器在工作頻率范圍內(nèi)都應(yīng)以良好的VSWR提供平坦的衰減性能，而DSA還必須確保無故障操作以減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間的信號失真7。
RF檢波器
基本形式的集成式RF檢波器是一個2端口器件，提供與施加于輸入端的RF信號功率成比例的輸出電壓信號。與基于二極管的分立檢波器實(shí)現(xiàn)相反，集成式RF檢波器提供多種開箱即用的優(yōu)勢，包括寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定輸出電壓、更容易的器件校準(zhǔn)和用于與ADC直接接口的緩沖輸出9。最常見RF檢波器IC是各類需要測量RF信號功率幅度的應(yīng)用中使用的標(biāo)量檢波器。標(biāo)量檢波器的主要類型包括RMS功率檢波器、對數(shù)檢波器和包絡(luò)檢波器。
RMS功率檢波器提供施加于RF輸入的實(shí)際信號功率的精確rms表示。有線性響應(yīng)rms檢波器，其rms輸出是線性響應(yīng)的直流電壓，還有線性dB響應(yīng)的對數(shù)rms檢波器，實(shí)際RF輸入功率每改變1 dB，其輸出電壓也改變相同的量。這兩類rms檢波器非常適合不需要快速響應(yīng)時(shí)間的應(yīng)用，測量復(fù)數(shù)調(diào)制信號（其高波峰因數(shù)隨時(shí)間而變化）的波形無關(guān)功率。它們通常用于平均功率監(jiān)測、發(fā)射信號強(qiáng)度指示（TSSI）、接收信號強(qiáng)度指示（RSSI）和自動增益控制（AGC）。
對數(shù)檢波器（也稱為對數(shù)放大器）將輸入RF信號轉(zhuǎn)換為精確的對數(shù)線性直流輸出電壓。對數(shù)檢波器提供非常高的動態(tài)工作范圍。這是利用連續(xù)壓縮方法實(shí)現(xiàn)的，依賴于一系列耦合到檢波器的級聯(lián)限幅放大器，其輸出在級聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出級加總。隨著輸入功率增加，連續(xù)放大器逐漸進(jìn)入飽和，從而生成對數(shù)函數(shù)近似值。對數(shù)檢波器非常適合于高動態(tài)范圍應(yīng)用，包括RSSI和RF輸入保護(hù)。
連續(xù)檢波對數(shù)視頻放大器（SDLVA）是一種特殊類型的對數(shù)檢波器，提供平坦的頻率響應(yīng)和優(yōu)越的上升/下降與延遲時(shí)間，因而是要求超高速性能的應(yīng)用（包括瞬時(shí)頻率測量、方向查找接收器和電子智能應(yīng)用）的首選解決方案。
包絡(luò)檢波器（也稱為峰值檢波器或AM檢波器）提供與RF輸入信號的瞬時(shí)幅度成比例的基帶輸出電壓。包絡(luò)檢波器IC通常利用快速切換肖特基二極管實(shí)現(xiàn)，因而是需要非?？焖夙憫?yīng)時(shí)間的較低動態(tài)范圍應(yīng)用的理想解決方案。包絡(luò)檢波器的典型應(yīng)用包括PA偏置控制中的效率增強(qiáng)包絡(luò)跟蹤、PA線性化、快速過大RF功率保護(hù)、高分辨率脈沖檢測和I/Q調(diào)制器的LO泄漏校正。
除了標(biāo)量檢波器外，還有一種稱為矢量功率測量IC的集成檢波器。它們提供超出標(biāo)量功率測量功能的擴(kuò)展能力10 。矢量功率測量檢波器可以測量信號的多個參數(shù)，包括幅度、相位和沿著傳輸路徑的行進(jìn)方向（前向或反向）。 在無線發(fā)射器中的天線調(diào)諧、模塊化系統(tǒng)中的內(nèi)置測試和材料分析等應(yīng)用中，此類器件是在線測量散射參數(shù)的理想解決方案。
結(jié)論
在RF信號鏈系列的第二部分中，我們討論了代表典型RF信號鏈的基本構(gòu)建模塊的一些主要RF IC，并進(jìn)行了分類。但是，在此概述中，我們僅觸及了各種類型和形式的RF器件的皮毛。越來越復(fù)雜的RF系統(tǒng)需要更完整的信號鏈解決方案，這導(dǎo)致了將多個功能模塊整合在同一封裝中或一個芯片上的眾多IC設(shè)計(jì)的發(fā)展。這些器件可以集成混頻器、PLL、VCO、放大器、檢波器和其他器件，以緊湊的外形尺寸提供高度先進(jìn)的功能，并提供更簡單的設(shè)計(jì)、更低的功耗、更低的成本和更短的開發(fā)周期。
ADI公司提供業(yè)界最廣泛的RF集成電路產(chǎn)品組合，涵蓋從DC到超出100 GHz的完整頻譜，適合信號鏈中的幾乎所有功能模塊11 。ADI公司廣泛的產(chǎn)品矩陣覆蓋放大器、混頻器、濾波器和其他標(biāo)準(zhǔn)IC器件，一直到混合信號模擬前端和系統(tǒng)化封裝（SIP）解決方案——它們是經(jīng)過全面測試和驗(yàn)證的完整子系統(tǒng)。 ADI產(chǎn)品提供一流的性能，可滿足廣泛RF應(yīng)用——從通信和工業(yè)系統(tǒng)一直到測試測量設(shè)備和航空航天系統(tǒng)——的最苛刻要求。為了支持RF工程師開發(fā)這些應(yīng)用，ADI公司不僅提供RF IC，還提供一個完整的生態(tài)系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)工具、快速原型平臺、Circuits from the Lab?參考設(shè)計(jì)、EngineerZone?技術(shù)論壇和一流的技術(shù)支持。
1 Ian Collins和David Mailloux?！邦l率合成技術(shù)的變革和發(fā)展：PLL/VCO技術(shù)如何提升性能、減小尺寸并簡化設(shè)計(jì)周期”。ADI公司，2020年1月。
2 Jim Surber和Leo McHugh?！皢涡酒苯訑?shù)字頻率合成與模擬PLL”?！赌M對話》，第30卷第3期，1996年7月。
3 Hittite Microwave Corp. “簡化頻率合成器的有源倍頻器和分頻器”。Microwave Journal，2002年11月。
4 Thomas Schiltz、Bill Beckwith、Dong Wang和Doug Stuetzle。“在下變頻器應(yīng)用中無源混頻器相比于有源混頻器可提高增益并降低噪聲”。ADI公司，2010年10月。
5 David M. Pozar。Microwave Engineering（微波工程），第4版，Wiley，2011年。
6 Abhishek Kapoor和Assaf Toledano?！盎祛l器面貌之變遷”。ADI公司，2016年9月。
7 Bilge Bayrakci?！安捎霉杓夹g(shù)的射頻和微波控制產(chǎn)品”。ADI公司，2016年3月。
8 Eric Carty、Padraig Fitzgerald和Padraig McDaid?！癆DI公司的革命性MEMS開關(guān)技術(shù)基本原理”。ADI公司，2016年11月。
9 Eamon Nash?！袄斫狻⒉僮骰诙O管的集成式RF檢波器并與之接口”。ADI公司，2015年11月。
10 Eamon Nash和Eberhard Brunner。“帶兩個RMS檢波器的集成雙向橋，用于測量RF功率和回波損耗”。《模擬對話》，第52卷第2期，2018年5月。
11 “2020年RF、微波和毫米波產(chǎn)品選型指南”。ADI公司，2020年8月。
作者簡介
Anton Patyuchenko于2007年獲得慕尼黑技術(shù)大學(xué)微波工程碩士學(xué)位。畢業(yè)之后，Anton曾在德國航空航天中心（DLR）擔(dān)任科學(xué)家。他于2015年加入ADI公司擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師，目前為ADI公司戰(zhàn)略與重點(diǎn)客戶提供現(xiàn)場應(yīng)用支持，主要負(fù)責(zé)RF應(yīng)用。
工商網(wǎng)監(jiān)
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