精確的RF功率管理是現(xiàn)代無線發(fā)射器的熱點話題，從基站的功率放大器保護到移動應(yīng)用中的延長電池使用時間，它都有很多的優(yōu)點。RF功率監(jiān)測器，比如對數(shù)放大器，允許RF功率測量系統(tǒng)在一個較寬的范圍監(jiān)控和動態(tài)調(diào)整發(fā)射功率。盡管近幾年來功率監(jiān)測的精度已經(jīng)有了很大改進，但是對于像那些需要高功率發(fā)射的應(yīng)用甚至受到0 dB功率監(jiān)測誤差微小變化引起的顯著影響。因此促使不斷提高檢測器性能。

將對數(shù)放大器和溫度傳感器結(jié)合起來是一種可行的設(shè)計溫度補償方案，以顯著減小RF功率管理中兩項主要誤差因素的作用——溫度和制造工藝變化。在某些情況下，將溫度補償硬件集成到功率檢測芯片中。

RF功率管理概述

精確的基站RF功率管理非常重要，發(fā)射功率放大器的驅(qū)動能力超過需求的輸出功率水平會損失很大。過多的電流消耗不但導(dǎo)致增加成本而且還會引起需要增加散熱措施的散熱問題。在極端情況下，功率放大器過驅(qū)動會導(dǎo)致由燒毀故障產(chǎn)生的可靠性問題。

精確的基站RF功率管理另外一個好處同樣超過移動發(fā)射器，因為他們有相同的要求。有了精確控制輸出功率的能力，移動設(shè)備能夠使電源電流開支最小。例如，RF功率管理允許發(fā)射的功率被精密限制在需要功率水平的最小值，從而減小電池電流。精確地控制功率會延長通話時間，同時還允許移動發(fā)射器符合蜂窩標準要求。

圖1示出典型RF功率管理電路的框圖。發(fā)射信號通道由三個連貫的單元組成：基帶，射頻（RF）發(fā)射，功率放大器。在發(fā)射信號到達天線之前，其中發(fā)射信號的一部分被雙向耦合器采樣。將采樣的RF功率送到功率檢測器，在這里將它轉(zhuǎn)換為直流電壓。再將功率檢測器的輸出電壓數(shù)字化并且送到數(shù)字信號處理器（DSP）或微控制器（MCU）。一旦得到數(shù)字化的功率測量值，就可根據(jù)測量的輸出功率與要求的輸出功率之間的關(guān)系做出決定。MCU可利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和可變增益放大器（VGA）調(diào)整輸出功率，以驅(qū)動信號通道的功率控制——不論基帶信號、RF信號還是功率放大器。一旦測量的輸出功率與要求的輸出功率之間達到平衡，RF功率管理環(huán)路將達到穩(wěn)態(tài)。同時，引入溫度傳感器作為MCU的輸入以增加溫度補償能力。在發(fā)射器中僅用模擬電路，就可以實現(xiàn)一個類似的RF功率管理環(huán)路。

圖1. RF功率管理電路使用對數(shù)放大器，充分利用其以dB為單位呈線性的寬檢測范圍

以前，在RF功率管理電路中一直使用二極管檢測器來調(diào)整發(fā)射功率。它們在高輸入功率值時提供良好的溫度性能，但在低輸入功率時性能變壞。甚至使用溫度補償電路，由于二極管檢測器在低輸入功率下使溫度性能變壞，只能提供很小的檢測范圍，一種流行的取代二極管檢測器的方法是解調(diào)對數(shù)放大器。對數(shù)放大器提供一個很容易使用以dB為單位呈線性的RF功率檢測響應(yīng)并且具有很寬的動態(tài)范圍。

對數(shù)放大器

圖2示出逐級壓縮對數(shù)放大器。在本例中， 有4個10 dB級聯(lián)的限幅放大器構(gòu)成了逐步的壓縮鏈。5個全波整流檢測器單元將RF信號電壓轉(zhuǎn)換為電流——其中一個檢測器單元在RF輸入端，其余4個在放大器級的輸出端。檢測器單元產(chǎn)生的電流與電壓信號幅度成比例，并且將這些電流相加以近似一個對數(shù)函數(shù)。用一個高增益級將流入的電流總和轉(zhuǎn)換成電壓。跨接在4個10 dB放大器上的5個檢測器單元允許對數(shù)放大器具有50 dB檢測范圍。

圖2. 跨接在4個10 dB放大器之間的5個檢波器允許逐級壓縮對數(shù)放大器達到50 dB檢測范圍

圖3示出60 dB動態(tài)范圍1 MHz～8 GHz帶寬對數(shù)放大器在2.2G Hz時的傳遞函數(shù)。RF輸出功率與其輸出電壓之間呈現(xiàn)一種線性關(guān)系，也就是說，當輸入功率增加時，對應(yīng)的輸出電壓以dB為單位呈線性關(guān)系跟著增加。圖中還包括一條對數(shù)一致性誤差曲線。這條對數(shù)一致性誤差曲線用于更近一步的檢查對數(shù)放大器的性能。在用灰色亮線表示的檢測范圍的線性區(qū)，可計算該傳遞函數(shù)的斜率和它與X軸的截距。這個信息提供了一個簡單的理想模型以便與對數(shù)放大器的實際響應(yīng)來比較。理想的線性參考模型在圖中用虛線表示。理想的線性模型與實際的響應(yīng)曲線相比較產(chǎn)生對數(shù)一致性誤差曲線（以dB為單位）。

圖3. 在對數(shù)放大器檢測范圍的線性區(qū)計算的理想的參考模型與其實際響應(yīng)曲線相比較。比較結(jié)果產(chǎn)生對數(shù)一致性誤差曲線。

計算對數(shù)放大器一致性誤差的方法類似于在RF功率管理系統(tǒng)校準中采用的兩點校準方法。產(chǎn)品測試過程中，在檢測器的線性范圍內(nèi)選擇兩個已知的RF信號強度。利用其產(chǎn)生的輸出電壓，可以計算斜率和截距響應(yīng)特性，并存儲在非易失性存儲器中以便建立一個簡單的線性公式。利用以dB為單位呈線性的函數(shù)關(guān)系和測量到的檢測器電壓，很容易計算現(xiàn)場的發(fā)射功率。利用兩點校準的重要優(yōu)點就是減少成本、縮短測試時間。然而，這種校準方法僅是由于對數(shù)放大器的線性性能才成為可能。

因為校準通常是在一個溫度下做的，所以溫度對檢測器的定量影響是很非常重要的。對數(shù)檢測器的精度隨溫度的變化可用一致性誤差表示。圖4示出工作頻率高達3.5 GHz的45 dB對數(shù)放大器在900 MHz的傳遞函數(shù)。圖中包括在-40oC和+85oC時的傳遞函數(shù)，以及對數(shù)一致性誤差隨溫度變化的關(guān)系曲線。因為所謂的兩點校準情況，用相同的25oC線性參考產(chǎn)生三條線性一致性誤差曲線。

圖4. 在900 MHz處單個器件的對數(shù)一致性誤差示出工作溫度范圍內(nèi)±0.5dB的精度。

對數(shù)放大器在25°C環(huán)境溫度的傳遞函數(shù)具有50.25 dB/V的斜率和-51.6 dBm的截距（線性參考直線的延長線與X軸的交點）。25°C的曲線在0 dB誤差線周圍波動，然而，在兩端溫度處具有較小的斜率和截距偏移。在工作溫度范圍和40 dB檢測范圍內(nèi)，單個器件的對數(shù)一致性誤差保持在±0.5 dB以內(nèi)。在+85°C時的溫度漂移是動態(tài)范圍的限制。雖然單個器件在工作溫度范圍內(nèi)可能會有好的精確度，然而由于半導(dǎo)體制造工藝引起的器件之間固有的細小差異可以證明對于精確的RF功率管理是一種障礙。

圖5示出70個器件對數(shù)一致性誤差的分布。在很寬的器件范圍內(nèi)抽樣以證明制造工藝引起的偏差。每個器件都有三條相對25°C線性參考值校準的溫度曲線。盡管器件與器件之間有明顯的偏差，但其分布值非常接近。在工作溫度范圍和大于40 dB的檢測范圍內(nèi)器件的總體分布曲線具有±1 dB的精度。由于器件與器件之間具有可重復(fù)性的漂移從而引入溫度補償。

圖5. 器件之間的對數(shù)一致性誤差明顯不同，但其總體分布非常接近。

通常無線通信標準要求發(fā)射功率檢測方案具有±1-dB 和±2-dB的精度，而在極端溫度則放寬限制。對數(shù)放大器的初始精度無需精細調(diào)整便足夠滿足大多數(shù)標準。盡管如此，對數(shù)放大器還是有很多明顯優(yōu)點，它們超出了由不同標準決定的RF功率管理要求。

MCU如何能補償誤差

正如前面所討論的，MCU能夠利用發(fā)射信號通道的偏置電壓有效地調(diào)整發(fā)射功率。通過增加溫度傳感器，MCU能夠更進一步提高RF功率管理系統(tǒng)的精度。只要檢測器具有可重復(fù)性的溫度漂移，對某些測量值的誤差補償是可以實現(xiàn)的。可將考慮到環(huán)境變化的補償算法程序集成到MCU的決策程序中以顯著減少或消除制造工藝和溫度變化。例如，如果一個功率檢測器具有可重復(fù)性的溫度漂移，那么為了消除已知溫度下預(yù)期的誤差可采用一種補償算法。

圖6示出許多對數(shù)放大器的對數(shù)一致性誤差曲線。在3.5 GHz，溫度漂移從+1 dB擴展到-4 dB。器件在-40°C時的總體分布曲線緊隨25°C時的曲線。相反，在+85°C 的該分布曲線移動了2.5 dB，并且不再與25°C時的分布曲線平行。盡管在這個頻率處的溫度漂移很大，但在每個特定溫度下的分布保持的非常接近。由于這些飄移的可重復(fù)性，所以能夠?qū)崿F(xiàn)一種補償方案顯著提高精度。

圖6. 在3.5 GHz 處+85°C時的溫度漂移分布曲線移動并不再與25°C時的分布曲線平行。

通過+85°C對數(shù)一致性曲線的線性區(qū)的趨勢線表示該溫度的誤差模型。

由于斜率和截距隨溫度變化導(dǎo)致溫度漂移。鑒于這種認識，通過分析器件的總體分布曲線可以總結(jié)出一個誤差模型。可以建立分布曲線隨溫度移動的誤差表達式，如圖6所示。圖中畫出的通過+85°C對數(shù)一致性曲線的線性區(qū)的趨勢線——誤差線，它表示在+85°C時的誤差模型。應(yīng)用該誤差線的斜率和截距特性，利用補償函數(shù)關(guān)系可抵消這種溫度變化。盡管如此，該誤差模型僅描述+85°C時溫度漂移帶來的誤差。

大多數(shù)的溫度漂移發(fā)生在+25°C和+85°C之間。對所有溫度都普遍適用的誤差函數(shù)可利用一個溫度比例因子k（T）來建立各種溫度范圍的函數(shù)關(guān)系，其中k（T）是溫度的函數(shù)。將補償誤差函數(shù)和溫度比例因子函數(shù)結(jié)合起來，組合結(jié)果如圖7所示。當溫度升高的時候，比例因數(shù)將跟著變化，從而可消除由于溫度漂移上升引起的誤差。

圖7示出AD8312采用上述誤差補償方法的對數(shù)一致性分布。誤差補償前，對數(shù)一致性誤差為5 dB。誤差補償后，在從-30 dBm 至 0 dBm功率輸入范圍之間，在整個工作溫度范圍內(nèi)對數(shù)一致性誤差提高到大約±0.5 dB。這種RF功率管理系統(tǒng)可達到的精度是由器件的總體分布曲線確定的。同樣的結(jié)果對于溫度漂移不顯著的低溫和低頻情況也可適用。

圖7. 用補償誤差函數(shù)抵消溫溫度變化引起的誤差。

用誤差補償改善整個溫度范圍內(nèi)的對數(shù)一致性誤差。

在半導(dǎo)體制造過程期間，有些參數(shù)在變化，比如薄層電阻、電容和β值。所有這些參數(shù)變化都會影響對數(shù)放大器的斜率、截距及檢測器的溫度性能。減輕制造工藝參數(shù)變化造成影響的一種方法就是使用激光微調(diào)對數(shù)放大器。圖8示出經(jīng)過激光微調(diào)的60 dB對數(shù)放大器在1.9 GHz處的對數(shù)一致性誤差分布曲線。該器件不采用數(shù)字補償而是模擬補償方法，即使用內(nèi)置溫度電路和外部電阻器來優(yōu)化溫度性能。電阻值依賴于修正系數(shù)要求的數(shù)值。這種模擬補償電路的作用能夠使測量結(jié)果偏離總體分布曲線中心值的程度達到±0.5-dB。

圖8. 激光微調(diào)對數(shù)放大器采用模擬補償電路可完成精確的RF功率管理，而不是數(shù)字補償。

結(jié)論

使用精確的RF功率管理，基站和手機發(fā)射器能夠從功率放大器保護和減少功耗方面獲得好處，從而遠遠超過了蜂窩標準的要求。利用穩(wěn)定的對數(shù)放大器和溫度傳感器，MCU能夠補償溫度漂移誤差以提高RF功率管理系統(tǒng)的總精度。對數(shù)放大器與溫度分布密切相關(guān)，所以允許簡單的誤差補償。用于適中溫度漂移的兩點校準能夠為在整個溫度范圍內(nèi)達到±0.5-dB精度的精確RF功率管理成為可能。

作者：Carlos Calvo，Anthony Mazzei，ADI公司