AD8302幅相测量芯片的原理与应用

1 AD8302的特点及功能

AD8302是ADI公司于2001年10月推出的用于RF／IF幅度和相位测量的首款单片集成电路，它能同时测量从低频到2．7GHz频率范围内两输入信号之间的幅度比和相位差。该器件将精密匹配的两个对数检波器集成在一块芯片上，因而可将误差源及相关温度漂移减小到最低限度。该器件在进行幅度测量时，其动态范围可扩展到60dB，而相位测量范围则可达180度。

AD8302具有以下主要特点：

●可在低频到2．7GHz频率范围内测量幅度和相位；
●对于50Ω的测量系统，其输入范围为-62dBm--2dBm；
●精确幅度测量比例系数为30mV／dB；
●精确典型值小于0．5dB；
●精确相位测量比例系数为10mV／度；
●精确典型值小于1度；
●该器件在操作时，具有测量、控制和电平比较三种工作方式； ●带有稳定的1．8V基准电压偏置输出；
●视频带宽响应为30MHz；
●采用2.7-5.5V单电源工作；
●采用小型14引脚TSSOP封装。

图1所示是AD8302的功能结构框图。它主要由精密匹配的两个宽带对数检波器、一个相位检波器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器组成。


2 AD8302的工作原理

2．1 AD8302的幅度和相位测量原理

AD8302的幅度和相位测量原理主要基于对数放大器的对数压缩功能，其一般数学表达式为：

VOUT=VsLplong(Vn／Vz)

其中，VIN为输入电压，VZ为截距，VsLP为斜率。

AD8302正是利用上述对数放大器的对数压缩原理，并通过精密匹配的两个宽带对数检波器来实现对两输入通道信号的幅度和相位的测量，其幅度和相位测量方程式如下：

VMAG=VsLPlOg(VINA／vINB)
VPHs=VΦ[Φ(VINA)-Φ（VINB）

其中，VINA和VINB分别为A、B两通道的输入信号幅度，VSLP为斜率，VMAG为幅度比较输出；Φ(VINA)和Φ(VINB)分别为A、B两通道的输入信号相位，VΦ为斜率，VPHS为相位比较输出。

2.2 AD8302的测量工作模式

AD8302幅度和相位测量芯片在操作时主要有测量、控制和电平比较三种工作方式，但其主要的功能是测量幅度和相位。图2所示为AD8302的测量模式连接电路。当芯片输出管脚VMAG和VPHS直接跟芯片反馈设置输入管脚MSET和PSET相连时，芯片的测量模式将工作在默认的斜率和中心点上(精确幅度测量比例系数为30mV／dB，精确相位测量比例系数10mV／度)。实际上，在测量模式下，电路的工作斜率和中心点是可以通过管脚MSET和PSET的分压来加以修改的。


通常在低频条件下，对幅度和相位进行测量的方程式如下：

VMAG=RFIsLplog(VINA／VINB)+Vcp
VPHS=-RFIΦ(1Φ(VINA)-Φ(VINB)I-90°)+VCp

在幅度测量方程中，RFISLP代表的斜率为600MV／度或30mV／dB，在中心点900mV处，其增益为0dB，-30dB-+30dB的增益范围对应于0-1．8V的输出电压范围；而在相位测量方程中，RFIΦ代表的斜率为10MV／度，中心点900mV所对应的相位为90度，0-180度的相位范围对应于1．8-0V的输出电压范围。

3 典型应用

由于AD8302将幅度和相位测量集中在一块芯片内，所以由它构成的系统能精确判断信号的 纯度，并可对系统的性能水平进行精确监测和校准，因而可广泛应用于RF／IF功率放大器线性比的测量、RF功率的精确控制、远程系统的监视和诊断以及回波损耗和电压等测量方面，下面介绍两种AD8302的典型应用。

3．1 放大器或混频器插入损耗和相位的测量

AD8302最基本的应用是监测诸如放大器、混频器等电路的幅度和相位的响应特性。图3所示是一种通过AD8302来测量放大器插入损耗和相位的具体电路。该电路通过定向耦合器DCB或DCA来耦合取样黑匣子的输入和输出信号，衰减器ATTENA和ATTENB的作用是使定向耦合器耦合取样的信号幅度低于AD8302输入信号幅度的动态范围。对于50Ω系统而言，其两通道最佳点位于PoPT=-30dBm处，为了达到最佳点，耦合系数和衰减因子应符合如下公式：


CB+LB=PIN-PoPT
CA+LA=PIN+CAINNOM-PoPT

其中，CA和CB为耦合系数，LA和LB为衰减因子，GAINNOM为放大器额定增益。

3．2测量任意负载的矢量反射系数

AD8302可用于测量相对于某一负载的入射信号和反射信号之间的幅度比和相位差。其测量电路如图4所示，矢量反射系数Γ的定义为：


Γ=反射电压／入射电压：(ZL-Z。)／(ZL+Z。)

其中，ZL为负载复阻抗，Z。为系统特性阻抗。由于精确的矢量反射系数可以用来计算阻抗失配水平，因此，在监测诸如天线等变化负载阻抗的应用中是非常有用的。因为变化的负载阻抗可能导致系统性能的降低，有时甚至引可能起系统的物理损坏，因此，实时监测变化负载阻抗的矢量反射系数将是十分有意义的。

4 结束语

AD8302将幅度和相位测量集中在一起使得原本十分复杂的幅相检测系统设计得到了大大简化，而且系统性能也得到极大提高。笔者设计的三路幅相检测电路已成功应用于三相交流电的实时幅相监控系统中，新系统的幅相检测精度大大高于原系统的幅相检测精度，而且其可靠性也得到很大的提高。由于AD8302具有卓越的幅相检测功能，因此它必将得到广泛应用。