利用MAX2016測(cè)量RF增益

摘要：該應(yīng)用筆記討論如何利用MAX2016 RF檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)超外差收發(fā)器的增益自動(dòng)測(cè)量。本文比較了三種方案的性能和測(cè)量精度：增益測(cè)量和校準(zhǔn)，具有失調(diào)修正的增益測(cè)量和具有失調(diào)、斜率修正的增益測(cè)量。

概述

作為一個(gè)雙路RF功率檢測(cè)器，MAX2016可以測(cè)量RF電路或復(fù)雜的超外差收發(fā)陣列的增益測(cè)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(guò)該電路可以很容易地實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的增益計(jì)算：增益 = POUTPUT - PINPUT = POUTA - POUTB = POUTD。但是，需要保證滿足測(cè)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(cè)量的基本校準(zhǔn)方法，并提供了兩個(gè)常見(jiàn)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(cè)量，第二個(gè)例子說(shuō)明如何在工廠自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)中利用經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的MAX2016取代速度低、價(jià)格昂貴的功率計(jì)。在自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)中，我們比較了校準(zhǔn)和沒(méi)有校準(zhǔn)情況下的測(cè)量精度。兩個(gè)例子都說(shuō)明測(cè)量設(shè)備中校準(zhǔn)過(guò)程的重要性。

典型的RF收發(fā)器增益測(cè)量

由于MAX2016功率檢測(cè)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(cè)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(cè)量

圖1b. 超外差接收機(jī)的增益測(cè)量

上述配置中，測(cè)量的不確定因素都會(huì)影響增益測(cè)量的精度，絕對(duì)增益測(cè)量會(huì)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(duì)數(shù)檢測(cè)器，但是斜率和截取點(diǎn)的微小差異會(huì)導(dǎo)致差分輸出誤差。

補(bǔ)償這些差異的簡(jiǎn)單方法是在出廠測(cè)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(cè)試配置框圖。如圖所示，將一個(gè)功率電平已知的RF信號(hào)送入接收器前端。然后，利用一個(gè)外部功率檢測(cè)器測(cè)量下變頻轉(zhuǎn)換后的接收功率。如果下變頻信號(hào)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?cè)鲆娣糯笃?/u>/可變電壓放大器(VGA/VVA)提高其動(dòng)態(tài)范圍，所以在測(cè)試中和隨后的斜率測(cè)量、增益-VOUTD響應(yīng)截取點(diǎn)的測(cè)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(chǔ)到收發(fā)器的非易失存儲(chǔ)器(NVM)中，可以將隨后測(cè)量的VOUTD 映射為絕對(duì)增益值。也可以將多個(gè)VOUTD和增益值組成的矩陣存儲(chǔ)到非易失性存儲(chǔ)器(NVM)中，提高精度。利用內(nèi)插算法可以計(jì)算任意VOUTD測(cè)量值對(duì)應(yīng)的增益。圖3說(shuō)明了這兩種可選方案。

圖2. 出廠增益校準(zhǔn)設(shè)備―所測(cè)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(duì)數(shù)檢測(cè)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(duì)增益時(shí)無(wú)需進(jìn)行溫漂補(bǔ)償。如果需要更高精度，也可以測(cè)量典型的溫度漂移，并將其存儲(chǔ)到非易失存儲(chǔ)器(NVM)中。通過(guò)測(cè)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(duì)溫度漂移的考慮。

用MAX2016代替自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)中的兩個(gè)功率計(jì)

如上所述，測(cè)量被測(cè)件(DUT)增益最簡(jiǎn)單的方法是以dBm為單位，直接測(cè)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(cè)量寬帶功率是得到精確測(cè)量結(jié)果的唯一方法。但是，功率計(jì)的測(cè)量速度很低，無(wú)法滿足快速測(cè)量生產(chǎn)環(huán)境的要求。而MAX2016的雙路對(duì)數(shù)檢測(cè)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(cè)量。如上所述，將被測(cè)件(DUT)的輸入功率耦合到MAX2016的一個(gè)端口，同時(shí)將被測(cè)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(jiǎn)單的增益測(cè)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(jiǎn)化為：增益(dB) = (1.0 - VOUTD_MEAS) / 0.025。詳細(xì)信息請(qǐng)參考MAX2016數(shù)據(jù)資料。

雖然這個(gè)簡(jiǎn)單的表達(dá)式對(duì)于計(jì)算增益很有用，我們還是推薦采用校準(zhǔn)過(guò)程來(lái)提高增益測(cè)量精度。通過(guò)執(zhí)行多個(gè)校準(zhǔn)步驟，可以得到不同程度的絕對(duì)精度。下文詳細(xì)介紹了一種校準(zhǔn)方法，這種方法需要測(cè)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(duì)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(jiàn)下文)。

通用測(cè)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(guò)校準(zhǔn)的衰減器與MAX2016的一個(gè)輸入端口串聯(lián)，測(cè)量VOUTD，用戶即可根據(jù)給定的VOUTD_OFFSET和衰減器損耗求解對(duì)應(yīng)的VOUTD_SLOPE值。圖4是測(cè)試裝置框圖。該增益測(cè)量/校準(zhǔn)方案使用了一塊MAX2016評(píng)估板。

圖4. 實(shí)驗(yàn)室評(píng)估裝置

該評(píng)估方法使用固定功率衰減器校準(zhǔn)VOUTD_SLOPE。但所得結(jié)果對(duì)其它增益器件同樣適用。頻率和精確的衰減量由MAX3654可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)的測(cè)試要求決定，MAX3654是具有自動(dòng)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(chǎng)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(cè)量不同的衰減器。隨后，在圖4的A點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，以準(zhǔn)確表現(xiàn)真實(shí)的衰減量，包括電纜損耗。

接下來(lái)，在每個(gè)測(cè)試頻率下分別測(cè)量VOUTD_OFFSET和VOUTD_SLOPE。

為了測(cè)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(hào)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(cè)量VOUTD_SLOPE，串聯(lián)一個(gè)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的10dB衰減器，再次測(cè)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(duì)應(yīng)值。

表1. 失調(diào)和斜率校準(zhǔn)

	VOUTD_OFFSET (V)	VOUTD_SLOPE (mV/dB)
At 50MHz	1.044	27.8
At 900MHz	1.043	26.3

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(cè)試頻率下分別測(cè)量VOUTD。這樣通過(guò)計(jì)算就可以得到下面三種情況下測(cè)量的衰減值和對(duì)應(yīng)精度：

無(wú)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(cè)試結(jié)果。

表2. MAX2016的測(cè)量誤差采用數(shù)據(jù)資料中的典型值 (VOUTD_OFFSET = 1.0V, VOUTD_SLOPE = 25mV/dB)

VOUTD (V)	CALIBRATED ATTENUATION (dB)	MEASURED ATTENUATION (dB)	MEASUREMENT ERROR (dB)
1.022	0.9	0.9	0.0
0.993	2.0	0.3	-1.7
0.827	7.9	6.9	-1.0
0.763	10.1	9.5	-0.6
0.713	11.9	11.5	-0.4
0.481	20.2	19.2	-1.0

表3. 工作于50MHz、只進(jìn)行失調(diào)校準(zhǔn)時(shí)，MAX2016的測(cè)量誤差 (數(shù)據(jù)資料給出的典型值是VOUTD_SLOPE = 25mV)

VOUTD (V)	CALIBRATED ATTENUATION (dB)	MEASURED ATTENUATION (dB)	MEASUREMENT ERROR (dB)
1.022	0.9	0.9	0.0
0.993	2.0	2.0	0.0
0.827	7.9	8.7	0.8
0.763	10.1	11.2	1.1
0.713	12.0	13.2	1.2
0.481	20.2	22.5	2.3

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(cè)量誤差

VOUTD (V)	CALIBRATEDB ATTENUATION (dB)	MEASURED ATTENUATION (dB)	MEASUREMENT ERROR (dB)
1.022	0.9	0.8	-0.1
0.993	2.0	1.9	-0.1
0.827	7.9	7.8	-0.1
0.763	10.1	10.1	0.0
0.713	12.0	12.0	0.0
0.481	20.2	20.2	0.0

表5. 工作于900MHz、只進(jìn)行失調(diào)校準(zhǔn)時(shí)，MAX2016的測(cè)量誤差 (數(shù)據(jù)資料中給出的典型值是VOUTD_SLOPE = 25mV)

VOUTD (V)	CALIBRATED ATTENUATION (dB)	MEASURED ATTENUATION (dB)	MEASUREMENT ERROR (dB)
1.021	0.9	0.9	0.0
0.994	2.0	2.0	0.0
0.834	7.9	8.4	0.5
0.774	10.1	10.8	0.7
0.720	12.0	12.9	0.9
0.509	20.2	21.4	1.2

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(cè)量誤差

VOUTD (V)	CALIBRATED ATTENUATION (dB)	MEASURED ATTENUATION (dB)	MEASUREMENT ERROR (dB)
1.021	0.9	0.9	0.0
0.994	2.0	1.9	-0.1
0.834	7.9	8.0	0.1
0.774	10.1	10.1	0.0
0.720	12.0	12.1	0.1
0.509	20.2	20.3	0.1

MAX2016作為RF檢測(cè)器的生產(chǎn)測(cè)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(méi)有校準(zhǔn)時(shí)，測(cè)量誤差(表2)較大。如果自動(dòng)增益放大器(VGA)MAX3654等器件在生產(chǎn)過(guò)程中采用未經(jīng)校準(zhǔn)的MAX2016測(cè)量增益，考慮到它所產(chǎn)生的較大誤差，必須放寬自動(dòng)增益放大器(VGA)的測(cè)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(duì)設(shè)計(jì)者的吸引力。

其次，對(duì)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(duì)于測(cè)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(cè)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(duì)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(cè)量結(jié)果。但是，隨著衰減值的增大，測(cè)量精度會(huì)迅速下降。所以，在對(duì)MAX3654等存在很大增益偏差的VGA進(jìn)行測(cè)量時(shí)，這種方法會(huì)存在問(wèn)題。

表4 和表6說(shuō)明在測(cè)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(cè)端口輸入同樣的信號(hào)電平，而且可以在經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)的范例。測(cè)量DUT的增益時(shí)，將開(kāi)關(guān)切換到位置A。進(jìn)行失調(diào)校準(zhǔn)時(shí)，將開(kāi)關(guān)切換到位置B。進(jìn)行斜率校準(zhǔn)時(shí)，將開(kāi)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(kāi)關(guān)