RMS功率檢波器改善在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的輸出準(zhǔn)確度

在基站設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定的溫度性能極其重要，因?yàn)橐暬局苓吳闆r和地點(diǎn)的不同而不同，環(huán)境溫度可能變化很大。RMS檢波器如果隨溫度變化的準(zhǔn)確度很高，就可以提高基站設(shè)計(jì)的電源效率。LTC5582和雙通道LTC5583是一個(gè)RMS檢波器系列的兩款器件，LTC5582在最高10GHz的頻率范圍內(nèi)可提供極其穩(wěn)定的溫度性能(從-40°C至85°C)，而LTC5583的頻率范圍則在6GHz內(nèi)。不過(guò)，它們的溫度系數(shù)隨頻率而改變，而沒(méi)有溫度補(bǔ)償下，隨溫度變化而產(chǎn)生的誤差可能大于0.5dB。因此，有時(shí)有必要針對(duì)不同的頻率優(yōu)化溫度補(bǔ)償，以改善準(zhǔn)確度，使誤差<0.5dB。此外，溫度補(bǔ)償可以?xún)H用兩個(gè)外部電阻器實(shí)現(xiàn)，而無(wú)需外部電路。

　　輸出電壓的變化由以下等式?jīng)Q定：

　　?VOUT=TC1x(TA-tNOM)+TC2x(TA-tNOM)2+detV1+detV2(等式1)

　　其中TC1和TC2分別是1階和2階溫度系數(shù)。TA是實(shí)際的環(huán)境溫度，tNOM是室內(nèi)基準(zhǔn)溫度25°C，detV1和detV2是RT1和RT2未設(shè)定為零時(shí)的輸出電壓變化。

　　圖1：1階?VOUT隨溫度的變化

　　就LTC5582和LTC5583而言，計(jì)算溫度補(bǔ)償電阻值的方法是相同的(參見(jiàn)圖2和圖3)。兩個(gè)控制引腳是RT1和RT2，RT1設(shè)定TC1(1階溫度補(bǔ)償系數(shù))，RT2設(shè)定TC2(2階溫度補(bǔ)償系數(shù))。如果不需要溫度補(bǔ)償，那么將RT1和RT2短路到地，就可以很方便地關(guān)閉溫度補(bǔ)償功能。

　　圖2：引腳RP1和RP2的簡(jiǎn)化原理圖

　　圖3：引腳RT1和RT2的簡(jiǎn)化原理圖
LTC5583的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

　　LTC5583包括兩個(gè)額外的引腳RP1和RP2，RP1控制TC1的極性，RP2控制TC2的極性。不過(guò)，在采用一個(gè)固定的RT1或RT2值時(shí),溫度系數(shù)的大小相等,只是極性倒轉(zhuǎn)。通道A和通道B共享補(bǔ)償電路，因此兩個(gè)通道一起受到控制。

　　圖1說(shuō)明了在1階溫度補(bǔ)償?shù)那闆r下，VOUT作為溫度的函數(shù)是怎樣變化的。圖中僅顯示了3個(gè)電阻值，以說(shuō)明增大電阻值會(huì)使斜線斜率增大。斜線極性由RP1引腳控制。

　　圖4說(shuō)明了2階溫度補(bǔ)償對(duì)VOUT的影響。該曲線的極性由RP2控制。其曲率取決于電阻值。1階和2階溫度補(bǔ)償合起來(lái)的總體影響由等式1給出。

　　圖4：2階VOUT隨溫度的變化

　　以LTC5583在900MHz輸入時(shí)的情況為例。第一步是測(cè)量沒(méi)有溫度補(bǔ)償時(shí)VOUT隨溫度的變化。圖5顯示未補(bǔ)償時(shí)的VOUT。線性誤差隨溫度的變化以25°C時(shí)的斜線和截取點(diǎn)為基準(zhǔn)。為了最大限度地減小輸出電壓隨溫度的變化，紅色(85°C)的線性度曲線必須下移，藍(lán)色(-40°C)的線性度曲線必須上移，以與黑色室溫時(shí)的曲線一致，并盡可能多地重疊。接下來(lái)就是一步一步地設(shè)計(jì)了。

　　圖5：在900MHz時(shí)未補(bǔ)償?shù)腖TC5583

　　第一步。以dB為單位從圖5估計(jì)所需的溫度補(bǔ)償。例如，讀取輸入功率為-25dBm時(shí)的曲線值，這是動(dòng)態(tài)范圍的中部。將以dB為單位的線性誤差乘以30mV/dB(典型的VOUT斜率)，以將單位轉(zhuǎn)換為mV。

　　低溫(-40°C)=+13mV或+0.43dB

　　高溫(85°C)=-20mV或-0.6dB

　　這是隨溫度變化所需的輸出電壓調(diào)節(jié)量。

　　第二步。確定RP1和RP2的極性以及1階和2階補(bǔ)償解決方案。為了找到解決方案，設(shè)a=1階項(xiàng)，b=2階項(xiàng)。設(shè)定這兩項(xiàng)的值，使它們滿足-40°C和85°C的溫度補(bǔ)償要求。

　　a–b=+13mV(等式2)

　　a–b=-20mV(等式3)

　　a=16.5(1階解決方案)

　　b=3.5(2階解決方案)

　　等式2和等式3中“a”和“b”的極性由1階項(xiàng)和2階項(xiàng)的極性決定，這樣，它們的和在低溫(-40°C)時(shí)滿足+13Mv和高溫時(shí)滿足-20mV(85°C)的調(diào)節(jié)要求。參見(jiàn)圖6。1階項(xiàng)和2階項(xiàng)或者為正、或者為負(fù)。因此?？偣灿?種組合。在這種情況下，僅當(dāng)兩項(xiàng)均為負(fù)時(shí)，它們的和才能滿足所需補(bǔ)償。

　　圖6：1階和2階解決方案的極性
 

　　圖7顯示了在-40°C和+85°C時(shí)所需的1階和2階補(bǔ)償。請(qǐng)注意，1階和2階補(bǔ)償?shù)臉O性是負(fù)的，這樣，當(dāng)兩條曲線相加時(shí)，它們的和才能對(duì)VOUT產(chǎn)生所需的調(diào)節(jié)。結(jié)果，TC1和TC2為負(fù)，RP1和RP2從圖8和圖9決定。請(qǐng)注意，兩個(gè)解決方案的值加起來(lái)在-40°C時(shí)約等于+13mV，在+85°C時(shí)約等于-20mV。

圖7：溫度補(bǔ)償解決方案

　　圖8：1階溫度補(bǔ)償系數(shù)TC1隨外部RT1值的變化

　　圖9：2階溫度補(bǔ)償系數(shù)TC2隨外部RT2值的變化

　　RP1=開(kāi)路

　　RP2=短路

　　第三步。計(jì)算一個(gè)溫度極限的溫度系數(shù)，利用圖8和圖9確定RT1和RT2的電阻值。

　　a=16.5=TC1x(85-25);

　　TC1=0.275mV/°C

　　RT1=11KΩ(根據(jù)圖8)

　　b=3.5=TC2x(85-25)2;TC2=0.972uV/°C2

　　RT2=499Ω(根據(jù)圖9)

　　圖10顯示了LTC5583的兩個(gè)輸出通道之一隨溫度變化的性能。請(qǐng)注意與圖5中未補(bǔ)償VOUT相比的溫度性能改進(jìn)。就大多數(shù)應(yīng)用而言，這也許能滿足要求了。不過(guò)，對(duì)于某些需要更佳準(zhǔn)確度的應(yīng)用,可以執(zhí)行二次迭代以進(jìn)一步改善溫度性能。為了簡(jiǎn)化計(jì)算可忽略detV1和detV2項(xiàng)，因?yàn)檫@兩項(xiàng)不受溫度影響。因此，解決方案是不精確的。不過(guò)，在改進(jìn)隨溫度變化的準(zhǔn)確度方面，這么做很有用，如下所示。

　　圖10：1階迭代溫度補(bǔ)償?shù)腖TC5583輸出
2次迭代計(jì)算

　　第一步。從圖10中確定所需補(bǔ)償，采用與第一次迭代時(shí)相同的方法。

　　低溫(-40°C)=-3mV或-0.1dB

　　高溫(85°C)=-3mV或-0.1dB

　　給1次迭代增加新值

　　低溫(-40°C)=-3mV+13mV=10mV

　　高溫(85°C)=-3mV-20mV=-23mV

　　重復(fù)第二步和第三步，計(jì)算RT1和RT2值。

　　RT1=11KΩ

　　RT2=953Ω

　　RP1=開(kāi)路

　　RP2=短路

　　經(jīng)過(guò)兩次迭代后的性能結(jié)果如圖11所示。隨著溫度變化，動(dòng)態(tài)范圍為50dB(0.2dB線性誤差)和56dB(1.0dB的線性誤差)。從表1中可查到其他頻率時(shí)的溫度補(bǔ)償值

　　。

　　圖11：2階迭代后溫度補(bǔ)償?shù)腣OUT

　　表1：LTC5583要在各種不同的頻率時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳的溫度性能，推薦采用以下設(shè)定和電阻值

　　這種迭代過(guò)程可以一再重復(fù)，以進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度。就大多數(shù)應(yīng)用而言，這將允許設(shè)計(jì)師按照所需要的準(zhǔn)確度引入補(bǔ)償。

　　LTC5582單檢波器

　　計(jì)算LTC5582的補(bǔ)償值以求出RT1和RT2的方法是相同的，而且更容易，因?yàn)闃O性已經(jīng)預(yù)先確定了。TC1和TC2為負(fù)。從表2中可查出在其他頻率時(shí)的RT1和RT2值。圖8和圖9中顯示的補(bǔ)償系數(shù)對(duì)LTC5582而言是不同的。在數(shù)據(jù)表中進(jìn)行查找，以獲得更多信息。

　　表2：LTC5582要在各種不同的頻率時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳的溫度性能，推薦采用以下RT1和RT2值

　　結(jié)論

　　LTC5582和LTC5583僅用兩個(gè)外部補(bǔ)償電阻器，就可以提供卓越的溫度性能。計(jì)算補(bǔ)償電阻器的過(guò)程很簡(jiǎn)單，而且可以迭代，以實(shí)現(xiàn)更高的性能。本文所舉例子是LTC5583在900MHzRF輸入時(shí)的情況，但是在該IC允許頻率范圍內(nèi)的任何頻率上，同樣的方法都可以應(yīng)用于LTC5582和LTC5583。隨溫度變化的性能相當(dāng)一致。所得性能結(jié)果為，隨溫度變化的準(zhǔn)確度可低于輸出電壓的1%。