【導(dǎo)讀】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?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。
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)
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)
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)
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
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)
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
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開關(guān)的范例。測(cè)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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