实现RMS-OC 变换的RF集成电路 集成电路, 热电偶, 传感器, 放大器, 灵敏度

Bazinga

功率测量是最基本的电气参数，测量方法可区分为直接法和换算法。直接法用热电偶、热敏电阻等元件测量热量，它与输入信号的形状没有关系；换算法用二极管、对数放大器测量电压，根据功率= （电压）2/电阻计算出功率，它与输入信号的形状有密切关系。

热电偶是最早用于功率测量的热传感器，经过不断改进，灵敏度、精确度和动态范围都能满足测量的要求。由于热电偶具有平方特性，它的输出电压与输入功率成正比，为克服输出电压幅值低的不利因素，需用斩波放大器、平均、滤波、保持环境温度恒定等信号处理措施。热电偶的缺点是响应时间慢，属于毫秒级，即使特别开发的小型热电偶，响应时间也要10μs ，加上后续信号处理时间，获得稳定读数往往需要几十毫秒。目前热电偶仍然是测量功率的常用元件。

热敏电阻是具有负温度系数的半导体传感器，非线性特性很突出，需要采用电桥电路，定点定温测量功率。电桥在外加功率作用下热敏电阻数值改变，引起电桥不平衡，利用直流输人使电桥恢复平衡，补充的直流功率就是输入功率。热敏电阻电桥的补偿功率可以精确测量，因此热敏电阻也是功率测量的常用元件。它的缺点也是响应时间较慢。

与热电偶和热敏电阻相反，利用二极管检波测量信号电压，电路简单，响应最快，只要几微秒。二极管在低电压下具有非线性的伏安特性，在平方律区段二极管的整流电流与输入功率成正比，经过换算后获得功率值。输入功率较高时，二极管伏安特性进入线性区段，导致测量误差增加。二极管测量用正弦波形作为功率换算的标准，对波形因子不等于1的信号引入相对误差，特别是峰值/有效值很高的脉冲波，用二极管检波的换算法是不准确的。

为克服二极管检波的缺点，近年来一种对数放大器集成电路，把二极管和对数放大器集成在一起，扩大功率测量范围，同时适用于峰值/有效值比较变动不大的信号检波，只是频率范围比二极管要低，说明专用功率测量集成电路具有发展潜力。

近年来集成电路功率检波器又取得新进展，出现真功率检波集成电路，可以满足移动通信CDMA和WCDMA功率测量的要求。本文着重介绍这种新器件的特性。

创新的RMS一OC真功率检波集成电路
Analog Deviee公司Barrie Gibert工程师长期从事功率检波集成电路的开发，20年前试制出RMS一DC （有效值-直流）变换集成电路，采用“隐式RMS计算法”专利，在功率检波集成电路的输入端直接执行输入信号平方运算功能，如图1所示，在集成电路输出端获得均方根值（即RMS）的直流信号，不足之处是频率上限只有几十兆，不能适应宽带功率测量的要求，而且对于波形因子快速变动的信号响应较慢。



近10年来数字通信，特别是移动通信迅速发展，波形因子也越来越高，纯正弦波的波形因子是1.41 （即√2），单通道CDMA的波形因子约等于2，多通道CDMA的波形因子达到6。为适应通信功率测量的巨大市场， Barrie Gilbert改进了早期设计，由Analog Deviees公司推出真功率检波（True Power Detetion）系列RMS一OC集成电路，第一个产品是AD8361。几种功率测量器件特性的对比见表1。


从表1可知，真功率检波集成电路在移动通信中具有很好的特性，许多指标超过二极管和对数放大集成电路，达到实用的要求，特别是相对测量误差最小。另外，表中所用的热敏电桥和二极管都是著名功率计供应商Boton Electronies公司的产品51101型和51015型，单价要100美元，而对数放大集成电路和真功率检波集成电路的单价均在10美元以下。如果采用一般二极管，虽然价格可低到10美元以下，但是温度特性较差。

AD8361集成电路真功率检波的电路如图2所示。


射频信号X施加到宽带X2电路，片上电容50pF将X2滤波，相当对X2求平均，滤波后的输出送至开方电路。开方电路由宽带运算放大器构成，在它的反馈环内接有另一个X2电路，结果是对X2进行反运算，获得开方函数，另外在反馈环内的电阻衰减器（R/6.4R）产生附加的7.4倍正向增益。实现这种均方根运算的AD8361集成电路的总传输函数是：Vo= 7.4V（RMS电压即直流输出电压是输入有效值电压的7.4倍。由于输出的直流电压就是RMS值，实现输入功率的真有效值测量。AD8361集成电路的主要特性如表2所示。


AD8361采用Si双极工艺， 8引脚微型SO封装。

真功率检波集成电路的应用
真功率检波产品的应用很广泛。特别是应用在峰值/平均值连续变化、峰值/有效值大于1的功率测量，如蜂窝（90OMH z）、PCS（1000MHz）和CDMA（180MHz）移动通信的接收机增益监视、增益自动控制、信号强度指示，发射机的功率控制、过荷保护、电平指示等应用。

在测量仪器方面，可实现手持式射频功率计，或增加数字多用表的功率测量功能，简化射频信号产生器的自动电平控制回路等。

典型电路的AD8361连接如图3所示。



输入端并联电阻66.5欧的R2与集成电路的输入阻抗Zi并联构成50欧的输入阻抗； Cl是隔直流电容；C2是电源旁路电容引脚1接供电电振引脚4是电源控制；引脚2和8控制输出电压补偿值；引脚6可外接电容用于增大内部滤波功能。