基于对数放大器和MCU增强RF功率测量精度

精确的RF功率管理是现代无线发射器的热点话题，从基站的功率放大器保护到移动应用中的延长电池使用时间，它都有很多的优点。RF功率监测器，比如对数放大器，允许RF功率测量系统在一个较宽的范围监控和动态调整发射功率。尽管近几年来功率监测的精度已经有了很大改进，但是对于像那些需要高功率发射的应用甚至受到0 dB功率监测误差微小变化引起的显著影响。因此促使不断提高检测器性能。

将对数放大器和温度传感器结合起来是一种可行的设计温度补偿方案，以显著减小RF功率管理中两项主要误差因素的作用——温度和制造工艺变化。在某些情况下，将温度补偿硬件集成到功率检测芯片中。

RF功率管理概述

精确的基站RF功率管理非常重要，发射功率放大器的驱动能力超过需求的输出功率水平会损失很大。过多的电流消耗不但导致增加成本而且还会引起需要增加散热措施的散热问题。在极端情况下，功率放大器过驱动会导致由烧毁故障产生的可靠性问题。

精确的基站RF功率管理另外一个好处同样超过移动发射器，因为他们有相同的要求。有了精确控制输出功率的能力，移动设备能够使电源电流开支最小。例如，RF功率管理允许发射的功率被精密限制在需要功率水平的最小值，从而减小电池电流。精确地控制功率会延长通话时间，同时还允许移动发射器符合蜂窝标准要求。

图1示出典型RF功率管理电路的框图。发射信号通道由三个连贯的单元组成：基带，射频(RF)发射，功率放大器。在发射信号到达天线之前，其中发射信号的一部分被双向耦合器采样。将采样的RF功率送到功率检测器，在这里将它转换为直流电压。再将功率检测器的输出电压数字化并且送到数字信号处理器（DSP）或微控制器（MCU）。一旦得到数字化的功率测量值，就可根据测量的输出功率与要求的输出功率之间的关系做出决定。MCU可利用数模转换器（DAC）和可变增益放大器（VGA）调整输出功率，以驱动信号通道的功率控制——不论基带信号、RF信号还是功率放大器。一旦测量的输出功率与要求的输出功率之间达到平衡，RF功率管理环路将达到稳态。同时，引入温度传感器作为MCU的输入以增加温度补偿能力。在发射器中仅用模拟电路，就可以实现一个类似的RF功率管理环路。

图1. RF功率管理电路使用对数放大器，充分利用其以dB为单位呈线性的宽检测范围

以前，在RF功率管理电路中一直使用二极管检测器来调整发射功率。它们在高输入功率值时提供良好的温度性能，但在低输入功率时性能变坏。甚至使用温度补偿电路，由于二极管检测器在低输入功率下使温度性能变坏，只能提供很小的检测范围，一种流行的取代二极管检测器的方法是解调对数放大器。对数放大器提供一个很容易使用以dB为单位呈线性的RF功率检测响应并且具有很宽的动态范围。

对数放大器

图2示出逐级压缩对数放大器。在本例中， 有4个10 dB级联的限幅放大器构成了逐步的压缩链。5个全波整流检测器单元将RF信号电压转换为电流——其中一个检测器单元在RF输入端，其余4个在放大器级的输出端。检测器单元产生的电流与电压信号幅度成比例，并且将这些电流相加以近似一个对数函数。用一个高增益级将流入的电流总和转换成电压。跨接在4个10 dB放大器上的5个检测器单元允许对数放大器具有50 dB检测范围。

图2. 跨接在4个10 dB放大器之间的5个检波器允许逐级压缩对数放大器达到50 dB检测范围
图3示出60 dB动态范围1 MHz～8 GHz带宽对数放大器在2.2G Hz时的传递函数。RF输出功率与其输出电压之间呈现一种线性关系，也就是说，当输入功率增加时，对应的输出电压以dB为单位呈线性关系跟着增加。图中还包括一条对数一致性误差曲线。这条对数一致性误差曲线用于更近一步的检查对数放大器的性能。在用灰色亮线表示的检测范围的线性区，可计算该传递函数的斜率和它与X轴的截距。这个信息提供了一个简单的理想模型以便与对数放大器的实际响应来比较。理想的线性参考模型在图中用虚线表示。理想的线性模型与实际的响应曲线相比较产生对数一致性误差曲线（以dB为单位）。

图3. 在对数放大器检测范围的线性区计算的理想的参考模型与其实际响应曲线相比较。比较结果产生对数一致性误差曲线。

计算对数放大器一致性误差的方法类似于在RF功率管理系统校准中采用的两点校准方法。产品测试过程中，在检测器的线性范围内选择两个已知的RF信号强度。利用其产生的输出电压，可以计算斜率和截距响应特性，并存储在非易失性存储器中以便建立一个简单的线性公式。利用以d