MAX2205—检测高峰均比信号

MAX2205功率检测器的输入级由图1所示的两个三极管组成，输出电压和输入信号电压幅值成正比。


图1. MAX2205输入级框图

对于那些峰均比(PAR)随调制类型而改变的复杂调制，MAX2205的输出并不是准确的平均功率。这篇应用笔记的附录提供了深入的数学分析，通常必须进行一些修正。下面是MAX2205功率检测器工作在不同PAR信号时的实验结果。

测量

测量采用MAX2205评估板完成(参考图2)。


图2. MAX2205评估板原理图

• 信号频率
  • 1.9GHz
  • 800MHz
  • 450MHz
• 测量的调制类型
  • QPSK调制，3.5dB PAR
  • QPSK调制，6.5dB PAR
  • QAM调制，6dB PAR

测量结果

图3至图5使用3.5dB PAR作为参考点或“零”误差。调整R2对不同频段进行匹配，并产生期望的输出电压范围。

图3. 1.9GHz信号频率(f_IN)的误差测量，其中
V_CC = 2.8VDC
R2 = 150Ω


图3a. +25°C时误差和信号的关系


图3b. -40°C时误差和信号的关系


图3c. +85°C时误差和信号的关系

图4. 800MHz信号频率(f_IN)下的误差测量，其中
V_CC = 2.8VDC
R2 = 150Ω


图4a. +25°C时误差和信号的关系


图4b. -40°C时误差和信号的关系


图4c. +85°C时误差和信号的关系

图5. 450MHz信号频率(f_IN)下的误差测量，其中
V_CC = 2.8VDC
R2 = 330Ω


图5a. +25°C时误差和信号的关系


图5b. -40°C时误差和信号的关系


图5c. +85°C时误差和信号的关系

结论

1. MAX2205响应的是输入电压，不是输入电压的平方。PAR改变时，输出电压也将改变。
2. PAR越高，产生的误差越大。室温下，一个6.5dB PAR信号的误差在1.9GHz是0.9dB，在800MHz是0.55dB，而在450MHz是0.56dB。使用较低的耦合功率(也就是对检测器较低的关联功率)会减小误差，但也会压缩功率检测器的动态范围。对于某些情况，这个误差是可以接受的，并且可以使用一个单独的查找表查询从3.5dB到6.5dB的峰值因数。附录给出的分析解释了在输入功率较低时误差会减小的原因。
3. 温度对误差的影响不大。
4. 多频带应用时可能需要一个以上的查找表。但是，输出电压曲线在不同频率下是相似的，而且可能设计一个修正因数，允许只使用一个查找表。

附录—采用二极管I/V特性实现功率检测的详细数学分析和典型电路

对于这个分析，二极管的I/V特性是：



我们将针对不同信号输入的条件进行I/V分析。

图6所示功率检测器具有对称的三极管Q₁、Q₂，I₁、I₂和R₁、R₂。双极型三极管Q₁调整输入电压V_I。当AC输入信号V_AC为零时，三极管Q₂提供一个直流偏移电压来平衡V_O使其为零。C₁为保持电容，其数值通过V_O所允许的压降设置。Q₁和Q₂的直流偏置应该相等，以抵消温漂的影响。


图6. 典型的功率检测电路

Q₁的发射极电流是：



其中，V_Q是Q₁的基极偏置电压，V_C1是C₁处的电压，且信号V_i = V_AC x cos(ωt)作用于Q₁。

与式1相比，可根据V_i = V_Q + V_AC x cos(ω x t) >> V_T作如下近似运算：



其中：
V_AC = 交流输入信号的峰值幅度
V_Q = 基极和发射极的直流压差
b = V_AC/V_T
I_n(b) = 修正的n阶Bessel函数

I_E的直流成分是：



当V_AC >> V_T时，I₀(b)可近似为：



因此，



因为I = I₁恒流源与双极型三极管的发射极串联，所以I_{E_DC}应该等于I₁。因此，



同时，考虑双极性三极管Q₂，它和Q₁一样：



其中，V_C2是C₂ (Q₂的发射极)的平均直流电压。

对于对称电路的设计，I₁ = I₂。因此，



从式9我们可推导出：



我们知道V_O = V_C1 - V_C2，并且b = V_AC / V_T。因此，



这是输入信号较大时，输入电压和输出电压之间的近似关系。

从式11可知：

1. V_O对V_AC是近似的线性关系，因为V_AC包含在式11的第二项，需要开方并取对数。因此，输出电压会在输入信号较大时随PAR变化。
2. 当V_AC >> V_T时，温度的影响很小。

当输入信号较小时，式4中的I₀(b)可近似为：



与式9类似，我们知道：



因此，



当x较小时，ln(1 + x) x，由此可得：



式15说明：

1. 输出电压与RF输入信号的电压幅值的平方成正比，电压幅值的平方与功率成正比；因此，在平方定律范围内，功率检测器的输出电压与输入信号的功率成正比。
2. 输出电压与温度成反比。