【導(dǎo)讀】該應(yīng)用筆記討論如何利用MAX2016 RF檢測器實(shí)現(xiàn)超外差收發(fā)器的增益自動測量。本文比較了三種方案的性能和測量精度：增益測量和校準(zhǔn)，具有失調(diào)修正的增益測量和具有失調(diào)、斜率修正的增益測量。
概述
作為一個(gè)雙路RF功率檢測器，MAX2016可以測量RF電路或復(fù)雜的超外差收發(fā)陣列的增益測量。該器件的一個(gè)關(guān)鍵特性是包含一個(gè)比較器，可以計(jì)算出兩個(gè)功率電平的差值。即通過該電路可以很容易地實(shí)現(xiàn)簡單的增益計(jì)算：增益 = POUTPUT - PINPUT = POUTA - POUTB = POUTD。但是，需要保證滿足測量精度的要求。
根據(jù)應(yīng)用情況，可能需要進(jìn)行一次校準(zhǔn)，以消除線路和耦合損耗以及器件之間的差異。以下概括了幾種RF增益測量的基本校準(zhǔn)方法，并提供了兩個(gè)常見實(shí)例。第一個(gè)例子詳細(xì)描述了超外差收發(fā)器的增益測量，第二個(gè)例子說明如何在工廠自動測試設(shè)備(ATE)中利用經(jīng)過校準(zhǔn)的MAX2016取代速度低、價(jià)格昂貴的功率計(jì)。在自動測試設(shè)備(ATE)中，我們比較了校準(zhǔn)和沒有校準(zhǔn)情況下的測量精度。兩個(gè)例子都說明測量設(shè)備中校準(zhǔn)過程的重要性。
典型的RF收發(fā)器增益測量
由于MAX2016功率檢測器可以工作在直流到2.5GHz頻率范圍內(nèi)，所以，該器件可以很容易地配置用于測量單個(gè)增益模塊(圖1a)或整個(gè)超外差收發(fā)陣列的增益(圖1b)。
圖1a. 單個(gè)RF增益模塊的增益測量
圖1b. 超外差接收機(jī)的增益測量
上述配置中，測量的不確定因素都會影響增益測量的精度，絕對增益測量會受線路差異、耦合器損耗以及MAX2016器件之間差異的影響。盡管MAX2016集成了兩路完全相同的對數(shù)檢測器，但是斜率和截取點(diǎn)的微小差異會導(dǎo)致差分輸出誤差。
補(bǔ)償這些差異的簡單方法是在出廠測試時(shí)進(jìn)行斜率和截取點(diǎn)的一次校準(zhǔn)。圖2是超外差接收機(jī)的測試配置框圖。如圖所示，將一個(gè)功率電平已知的RF信號送入接收器前端。然后，利用一個(gè)外部功率檢測器測量下變頻轉(zhuǎn)換后的接收功率。如果下變頻信號不容易采樣，可以利用收發(fā)器的板上高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC近似表示接收功率。由于大多數(shù)接收器使用某種可變增益放大器/可變電壓放大器(VGA/VVA)提高其動態(tài)范圍，所以在測試中和隨后的斜率測量、增益-VOUTD響應(yīng)截取點(diǎn)的測量中，可以改變接收器的增益。把斜率和響應(yīng)截取點(diǎn)存儲到收發(fā)器的非易失存儲器(NVM)中，可以將隨后測量的VOUTD 映射為絕對增益值。也可以將多個(gè)VOUTD和增益值組成的矩陣存儲到非易失性存儲器(NVM)中，提高精度。利用內(nèi)插算法可以計(jì)算任意VOUTD測量值對應(yīng)的增益。圖3說明了這兩種可選方案。
圖2. 出廠增益校準(zhǔn)設(shè)備—所測試的接收器
圖3. 超外差接收器的增益校準(zhǔn)圖解
MAX2016的兩個(gè)內(nèi)部對數(shù)檢測器在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持較好的一致性，計(jì)算收發(fā)器的絕對增益時(shí)無需進(jìn)行溫漂補(bǔ)償。如果需要更高精度，也可以測量典型的溫度漂移，并將其存儲到非易失存儲器(NVM)中。通過測量當(dāng)前的工作溫度，在溫度端點(diǎn)之間進(jìn)行插值計(jì)算，增益-VOUTD算法可以加入對溫度漂移的考慮。
用MAX2016代替自動測試設(shè)備(ATE)中的兩個(gè)功率計(jì)
如上所述，測量被測件(DUT)增益最簡單的方法是以dBm為單位，直接測量它的輸入功率和輸出功率，然后，用輸出功率減去輸入功率就可得到增益。傳統(tǒng)方案中，使用功率計(jì)測量寬帶功率是得到精確測量結(jié)果的唯一方法。但是，功率計(jì)的測量速度很低，無法滿足快速測量生產(chǎn)環(huán)境的要求。而MAX2016的雙路對數(shù)檢測器具有相當(dāng)短的響應(yīng)時(shí)間(~100ns)，可以實(shí)現(xiàn)快速增益測量。如上所述，將被測件(DUT)的輸入功率耦合到MAX2016的一個(gè)端口，同時(shí)將被測件(DUT)的輸出功率耦合到MAX2016的第二個(gè)端口，就可實(shí)現(xiàn)簡單的增益測量。VOUTD引腳輸出正比于器件增益的直流電壓(VOUTD_MEAS)。增益可根據(jù)下式計(jì)算：
增益(dB) = (VOUTD_OFFSET - VOUTD_MEAS) / VOUTD_SLOPE (式1)
使用MAX2016數(shù)據(jù)資料給出的未經(jīng)校準(zhǔn)的VOUTD_OFFSET和VOUTD_SLOPE典型值, 可以將該式簡化為：增益(dB) = (1.0 - VOUTD_MEAS) / 0.025。
雖然這個(gè)簡單的表達(dá)式對于計(jì)算增益很有用，我們還是推薦采用校準(zhǔn)過程來提高增益測量精度。通過執(zhí)行多個(gè)校準(zhǔn)步驟，可以得到不同程度的絕對精度。下文詳細(xì)介紹了一種校準(zhǔn)方法，這種方法需要測量VOUTD_OFFSET和VOUTD_SLOPE的精確值。根據(jù)不同的精度要求，用戶可以選擇執(zhí)行一種或兩種校準(zhǔn)。本文對使用VOUTD_OFFSET校準(zhǔn)和同時(shí)使用VOUTD_OFFSET、VOUTD_SLOPE校準(zhǔn)得到的精度進(jìn)行了比較(參見下文)。
通用測試裝置
為了得到更精確的VOUTD_OFFSET，在MAX2016的兩個(gè)輸入端口輸入同樣的功率電平。VOUTD引腳的輸出直流電壓等于VOUTD_OFFSET。將一個(gè)經(jīng)過校準(zhǔn)的衰減器與MAX2016的一個(gè)輸入端口串聯(lián)，測量VOUTD，用戶即可根據(jù)給定的VOUTD_OFFSET和衰減器損耗求解對應(yīng)的VOUTD_SLOPE值。圖4是測試裝置框圖。該增益測量/校準(zhǔn)方案使用了一塊MAX2016評估板。
圖4. 實(shí)驗(yàn)室評估裝置
該評估方法使用固定功率衰減器校準(zhǔn)VOUTD_SLOPE。但所得結(jié)果對其它增益器件同樣適用。頻率和精確的衰減量由MAX3654可變增益放大器(VGA)的測試要求決定，MAX3654是具有自動增益控制(AGC)的CATV互阻放大器，增益范圍為0dB到20dB。在其它應(yīng)用場合，可以根據(jù)要求選擇不同的頻率和衰減器。
校準(zhǔn)VOUTD_OFFSET和VOUTD_SLOPE
首先使用URV5 RF功率計(jì)測量不同的衰減器。隨后，在圖4的A點(diǎn)進(jìn)行測量，以準(zhǔn)確表現(xiàn)真實(shí)的衰減量，包括電纜損耗。
接下來，在每個(gè)測試頻率下分別測量VOUTD_OFFSET和VOUTD_SLOPE。
- 為了測量VOUTD_OFFSET，將衰減器旁路，在MAX2016的兩個(gè)輸入端口輸入同樣的信號電平。這樣，VOUTD引腳的輸出直流電壓就是OUTD_OFFSET的校準(zhǔn)值。
- 為了測量VOUTD_SLOPE，串聯(lián)一個(gè)經(jīng)過校準(zhǔn)的10dB衰減器，再次測量VOUTD引腳的輸出直流電壓(定義該值為VOUTD_MEAS)。給定VOUTD_OFFSET和VOUTD_MEAS，且已知衰減器的衰減量為10dB，可利用式1計(jì)算VOUTD_SLOPE。衰減器的衰減量代表式1中-10dB的增益。因?yàn)?0dB是MAX3654增益范圍的中間值，所以，我們選擇了10dB衰減。表1列出了VOUTD_OFFSET和VOUTD_SLOPE的對應(yīng)值。
表1. 失調(diào)和斜率校準(zhǔn)
校準(zhǔn)精度比較
分別使用六個(gè)獨(dú)立的衰減器(1、2、8、10、12和20dB)，在每個(gè)測試頻率下分別測量VOUTD。這樣通過計(jì)算就可以得到下面三種情況下測量的衰減值和對應(yīng)精度：
- 無校準(zhǔn)
- 只進(jìn)行失調(diào)校準(zhǔn)
- 進(jìn)行失調(diào)和斜率校準(zhǔn)
下面的表2至表6給出了測試結(jié)果。
表2. MAX2016的測量誤差采用數(shù)據(jù)資料中的典型值(VOUTD_OFFSET = 1.0V, VOUTD_SLOPE = 25mV/dB)
表3. 工作于50MHz、只進(jìn)行失調(diào)校準(zhǔn)時(shí)，MAX2016的測量誤差(數(shù)據(jù)資料給出的典型值是VOUTD_SLOPE = 25mV)
表4. 工作于50MHz、同時(shí)進(jìn)行失調(diào)校準(zhǔn)和斜率校準(zhǔn)后，MAX2016的測量誤差
表5. 工作于900MHz、只進(jìn)行失調(diào)校準(zhǔn)時(shí)，MAX2016的測量誤差(數(shù)據(jù)資料中給出的典型值是VOUTD_SLOPE = 25mV)
表6. 工作于900MHz、同時(shí)進(jìn)行失調(diào)校準(zhǔn)和斜率校準(zhǔn)后，MAX2016的測量誤差
MAX2016作為RF檢測器的生產(chǎn)測試
觀察上面所給出的數(shù)據(jù)我們可以得出以下結(jié)論。
首先，沒有校準(zhǔn)時(shí)，測量誤差(表2)較大。如果自動增益放大器(VGA)MAX3654等器件在生產(chǎn)過程中采用未經(jīng)校準(zhǔn)的MAX2016測量增益，考慮到它所產(chǎn)生的較大誤差，必須放寬自動增益放大器(VGA)的測試要求。因而，也就相應(yīng)放寬了數(shù)據(jù)資料中的增益指標(biāo)，從而失去了對設(shè)計(jì)者的吸引力。
其次，對于衰減值為0.9dB和2.0dB的衰減器，只進(jìn)行失調(diào)校準(zhǔn)時(shí)，誤差是可以控制的(表3和表5)。這對于測量只有一個(gè)增益值的DUT非常有用，如果DUT電路板已經(jīng)設(shè)計(jì)好，DUT輸出端的衰減等于所期望的典型增益，那么，功率檢測器端口的輸入電平近似相等。假定增益指標(biāo)的變化小于2dB，對于0.9dB和2.0dB的衰減器所得的精度表明，只需進(jìn)行失調(diào)校準(zhǔn)即可得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果。但是，隨著衰減值的增大，測量精度會迅速下降。所以，在對MAX3654等存在很大增益偏差的VGA進(jìn)行測量時(shí)，這種方法會存在問題。
表4和表6說明在測量變化范圍較大的增益，同時(shí)校準(zhǔn)失調(diào)和斜率能夠得到精確的結(jié)果。為了進(jìn)行校準(zhǔn)，DUT必須能夠在MAX2016的功率檢測端口輸入同樣的信號電平，而且可以在經(jīng)過校準(zhǔn)的衰減器之間進(jìn)行切換。
圖5提供了一個(gè)MAX2016輸入端RF開關(guān)的范例。測量DUT的增益時(shí)，將開關(guān)切換到位置A。進(jìn)行失調(diào)校準(zhǔn)時(shí)，將開關(guān)切換到位置B。進(jìn)行斜率校準(zhǔn)時(shí)，將開關(guān)切換到位置C。校準(zhǔn)斜率時(shí)所使用的衰減值等于DUT增益的典型值。即使使用與斜率校準(zhǔn)值相差很大的衰減值(10dB)，所得誤差仍然很小。數(shù)據(jù)表明假設(shè)增益-VOUTD曲線具有極小的非線性是正確的，建議只需使用斜率校準(zhǔn)即可。
圖5. MAX2016RF輸入校準(zhǔn)切換開關(guān)
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