频响高达2.5GHz的高精度真有效值功率检测器AD8361

    摘要：AD8361是AD公司生产的高精度真有效值功率检测器，它采用了独特的双平方单元闭环比效转换电路技术，因而具有优良的性能。可用于2.5GHz高频范围的射频发射接收信号链的测试及CDMA、W-CDMA、QAM和其它一些复杂调制波形的测量。文中给出了详实的使用技术参数和各种典型的性能分析。

    关键词：有效值  功率  平方  AD8361

1 概述

    AD8361是一个真有效值的功率检测器，可应用于高达2.5GHz的高频率范围的发射接收信号链的测试。采用单一电源，并能在2.7V～5.5V之间工作。在大多数应用中，只需一个电源退耦电容和输入耦合电容即可工作且输出呈线性响应（直流输出具有7.5V/Vrms的转换增益）。增加一个外部滤波电容可以增大平均时间常数。

    AD8361特别适用于各种简单或复杂波形的真有效值功率测量，尤其是测量高峰值调制系数（峰值-有效值比）的信号，例如：CDMA和W-CD-MA信号等。

    为满足各种模拟/数字转换器的要求，AD8361具有下列三种工作方式：

    ●接地基准方式，初始值为0；

    ●内部基准方式，初始值输出高于地电平350mV；

    ●电源基准方式，初始值为Vs/7.5(Vs为供电电压)。

    ●AD8361可在-40℃～+85℃的温度范围内工作，采用8引脚的微型SOIC封装（单个集成电路），使用专门的高载止频率fT硅片并采用双极工艺制造。因此，具有如下特点：

    ●有校正后的真有效值响应；

    ●具有优良的温度稳定性；

    ●2.5GHz时的输入范围高达30dB；

    ●最大输入700mV rms，30dB，50Ω电阻；

    ●在频率高达2.5GHz时，仍有±0.25dB的线性响应；

    ●单一电源工作：2.7V～5.5V；

    ●低功耗：3V电源时为3.3mW；

    ●快速降低功耗，电流小于1μA；

    ●用于CDMA、W-CDMA、QAM及其它复杂调制波形的测量。

2 引脚功能及参数

2.1 引脚功能

    AD8361的引脚排列如图1所示。各引脚功能如下：

    ●VPOS：电源电压输入端。工作范围为2.7V～5.5V。

    ●IREF：输出基准控制端。此端悬空为内部基准工作方式使能；其它工作方式下此端应与VPOS端相连。不能将此端接地。

    ●RFIN：信号输入端。本端须由耦合电源驱动。低频时，实际输入阻抗为225Ω。

    ●PWDN：降低功耗控制端。此端接逻辑低电平（小于100mV）时，器件正常工作；接逻辑高电平（大于Vs-0.5V）时，器件将被关断并使电源电流趋于0（接地和内部基准方式下电流小于1μA；在电源基准方式下，电源被100kΩ电阻隔断）。

    ●COMM：器件公共接地端。

    ●FLTR：在此端与VPOS端配置一个电容器可降低调制滤波器的转折点频率。对于小信号输入，由片内27pF电容和2kΩ电阻并联组成滤波器。

    ●VRMS：输出电压端。输出具有有限驱动和接近于轨-轨的电压能力。后级负载电阻应在大于10kΩ。

    ●SREF：电源基准控制端。将此端接到VPOS为使能电源基准工作方式；其它工作方式下SREF接COMM端（接地）。

2.2 极限参数

    下面是AD8361的极限工作参数：

    ●电源电压Vs:5.5V；

    ●SREF和PWDN端输入分别为0V和Vs；

    ●IREF端输入：Vs-0.3V、Vs；

    ●RFIN端输入：1V rms；

    等效功率电阻为50Ω时为3dBm；

    ●内部功率耗散：200mW；

    ●结温热阻QJA：200℃/W；

    ●最高结温：125℃；

    ●工作温度范围：-40℃～+85℃；

    ●存储温度范围：-65℃～+150℃；

    ●引脚耐受温度范围（焊接时间60秒以内）：300℃。

3 工作原理

    AD8361是一个有效值响应的检测器。它提供了一种准确测量射频功率的方法，其测量结果基本上与波形无关（真有效值）。它的内部电路框图如图2所示。AD8361器件采用了独家拥有两个相同的平方单元的电路技术，并采用一个高增益的误差放大器平衡这两个平方单元的输出。

    如果被测信号接到第一个平方单元的输入端，则在RFIN端与COMM端之间的输入阻抗为225Ω。由于输入引脚上有一个相对于地电平约为0.8V的电压，故须接一个耦合电容。由于采用了这个外部元件，测量范围可扩展到任意低的频率范围。

    当AD8361输入端的输入电压值为VIN时，经平方单元将产生一个与电压VIN的平方成比例的电流，该电流通过内部负载电阻及电容构成一个低通滤波器，可提取电压VIN平方的平均值，虽然本质上电压响应与输入阻抗有关，但可根据等效功率校正使1mW对应的输入电压为4477mV rms。在本文的应用实例部分将说明如何实现输入与50Ω阻抗匹配。

    通过低通滤波器后的输入电压幅值可能降低，可将它加到误差放大器的一端上。第二个完全相同的电压平方单元对此误差放大器构成一个闭合的负反馈电路，第二个平方单元由AD8361的准直流输出电压的分压驱动，当第二个平方单元的输入电压等于VIN的有效值时，闭环电路处于稳定状态，此时，输出电压就是输入电压的有效值。此反馈回路的反馈系数是0.133，有效值-直流（rms-dc）的转换增益为7.5，即：

    Vout7.5VINrms

    利用第二个平方单元构成的反馈通道可实现对接收信号的精密测量，这种方法的优点有两点：第一是量程变化的影响在两个平方单元中消除了；第二是在温升时，两个平方单元的响应跟踪过程非常接近，从而有极好的校准稳定性。

    平方单元具有非常宽的频带宽度，从而有从直流到微波的固有响应。然而，在动态范围的末端底部会产生很小的误差信号，由于有内部的小量偏移，因而在小信号时，其精度将受到一些影响。

    另一方面，AD8361中的平方单元有“AB”类的特征：输入峰值不受静态偏置条件的限制，主要取决于平方律一致性的最终损失。其结果是，平方单元的响应范围的顶部末端在相当大的输入电压（大约700mV rms）时出现，实际上，最大可用范围将受到输出摆幅的限制。轨-轨的输出能从此地电平高几个毫伏摆幅到仅比电源电压低（小于100mV）的电压。

4 AD8361的应用

4.1 基本连接方式

    图3为AD8361采用电源基准的基本连接方式。器件采用单一电源（2.7V～5.5V之间），VPOS端由100pF和0.01μF的电容器退耦，在工作状态下，其静态电流为1.1mA，可将PWDN与VPOS连接以使静态电流减小到1μA。

    将一个75Ω外部电阻与交流耦合输入相连接可等效为一个覆盖全部带宽的近似50Ω的输入阻抗。注意：耦合电容必须连接在输入端与该支路阻抗之间。

    输入耦合电容与内部输入电阻组合，产生的高通转折频率可用下式计算：

    f3dB1/2πCcRin

    图3电路中采用10pF电容，其高通转折频率约为8MHz。

    输出电压的标称值是输入电压有效值的7.5倍（7.5V/V rms转换增益），可由SREF和IREF端设定接地基准、内部基准和电源基准三种不同的工作方式。在图3所示的接地基准方式下，输出电压的摆幅可从接近地电平到5V电源下的4.9V。如将IREF和VPOS端相连，则设定为内部基准方式。电源基准方式的连接方法是在内部基准方式的基础上再将SREF端与VPOS端连接起来。在这两种方式下，允许在输出端上加一个补偿电压。内部基准方式时的输出电压担架幅将被350mV的内部基准电压向上平移；电源基准方式是将Vs/7.5的补偿电压加到输出电压上。表1汇总了三种方式下的连接、输出转换系数和输出电压。

表1 三种连接方式和标称转换的关系

基准方式IREFSREF输出截止（无信号）输出电压接地OPENCOMM07.5VIN内部VPOSCOMM0.350V7.5VIN+0.352V电源VPOSVPOSVs/7.57.5VIN+Vs/7.5