Рисунок 0 — Система измерения мощности, построенная на AD8307
Автор: Иван Самков
Источник: dlrm.ru
Иван Самков Применение аналогдевайсовских логарифмических усилителей ассматриваются основные особенности и области применения логарифмических усилителей фирмы Analog Devices.
На сегодняшний день, как известно, лидером в разработке и производстве микросхем логарифмических усилителей (ЛУ) является фирма Analog Devices. Именно в Аналог Девайсес в конце прошлого века была выпущена и выставлена на рынок первая в мире интегральная микросхема логарифмического усилителя. Сейчас эта фирма является обладателем самой большой линейки логарифмических усилителей с характеристиками на любой вкус. Рассмотрим некоторые ЛУ и их особенности.
Рассмотрим сперва схему с применением микросхемы AD8307 для контроля мощности в диапазоне 1мкВт…1кВт с частотой до 500 МГц. Это может использоваться, например, в TDMA сотовой связи.
Рисунок 0 — Система измерения мощности, построенная на AD8307
На Рисунке 0 показана упрощённая схема системы измерения мощности, которая может отображать и контролировать мощность передачи, изменяющуюся в широком диапазоне 1 мкВ...1 кВ (от -30 дБм до +60 дБм, или среднеквадратическое напряжение от 7 мВ до 223 В при 50 Ом). Выходной сигнал (от усилителя мощности к антенне) ответвляется резистивным аттенюатором для обеспечения входного сигнала AD8307. Здесь используется коэффициент ослабления 158:1 (44 дБ); за счёт этого пересечение с логарифмической осью сдвигается с -87 дБм на значение -43 дБм. Ошибка, вносимая этой аттенюаторной цепью на 50-омном коаксиальном фидере очень мала, лишь 0,05% мощности передаваемой в нагрузку поглощается измерительной системой (максимум 500 мВт от 1 кВт). Требуемое ослабление между антенной и логарифмическим усилителем (ЛУ) может быть также выполнено с помощью ёмкостного делителя, обеспечивающего малую входную ёмкость, но этот вариант сложнее в выполнении (т.к. трудно обеспечить хорошую точность при малых значениях ёмкости конденсаторов).
Входной сигнал от усилителя мощности может быть направлен в ЛУ также через направленный ответвитель. Этот вариант более предпочтителен, т.к. некотоые ложные сигналы, принятые антенной, наряду с отражением передаваемого сигнала, не пересекаются с измерением передаваемой мощности. Однако из-за зависимости от коэффициента связи направленного ответвителя может понадобится некоторый резистивныё аттеюатор перед AD8307.
Меры предосторожности требуют минимизации паразитных связей в ЛУ AD8307 путём помещения его в экранированный корпус, через отверстие в котором подключается входной резистор. Отклик такой системы простирается от малых частот вплоть до 1 ГГц, не смотря на то, что паспортная верхняя частота AD8307 имеет значение до 500 МГц.
Общее выражение для выходного напряжения AD8307 записывается так: Uвых = 1 + P(дБм)/40 . Таким образом, получаем 1,5 В для уровня мощности 100 мВт, 2 В для 10 мВт и 2,5 В для 1 кВт.
Выход ЛУ можно использовать просто как индикатор передаваемой мощности. Как альтернатива он может быть использован в качестве составляющей в схеме автоматического контроля выходного уровня (как показано на Рисунке 1). На Рисунке 1 представлен предлагаемый интерфейс для РЧ усилстелей мощности. В данном примере сигнал с выхода ЛУ буферируется перед поступлением на интегратор. Происходит сравнение выхода ЛУ с заданным напряжением. Это напряжение, обычно поставляющееся от ЦАП, может быть стационарным (если требуется постоянная выходная мощность), а может быстро менять значение. Хороший пример вариаций заданного (опорного) напряжения – линейное изменение мощности в некотором диапазоне, что характерно для сотовой технологии TDMA (Time Division Multiple Access — система параллельного доступа с разделением во времени).
Отличие между заданным опорным значением и выходом ЛУ вызывает подъём или спуск напряжения в интеграторе. Выходное напряжение интегратора может использоваться в различной форме (например, преобразование в ток для контроля PIN-диодной аттенюаторной цепи) для контроля усилителя мощности.
Описанная схема контроля усилителя мощности работает вплоть до частот 50 МГц и ограничена рабочей полосой частот ЛУ. Для применений с более высокой частотой необходимо перед ЛУ пропустить сигнал с усилителя мощности через смеситель, чтобы получить частоту ниже 500 МГц (однако, такое смешение, конечно же, понижает динамический диапазон).
Разработано много схем логарифмических усилителей, оптимизированных под определенные задачи. В приемниках для регулировки усиления применяется индикация силы принимаемого сигнала (RSSI), чтобы расширить динамический диапазон до 100 дБ. В передатчиках с помощью индикации силы передаваемого сигнала (TSSI) проводится тщательный контроль мощности, что заметно упрощает схему контроля работы усилителя мощности (УМ) и повышает ее эффективность. Для наглядности скажем, что для ИС AD8309 и AD8310 фирмы Analog Devices максимальные частоты входного сигнала составляют соответственно 500 МГц и 440 МГц, а динамический диапазон 100 дБ и 95 дБ соответственно. Усилители AD8313 и AD8314 работают на частотах до 2,5 ГГц и имеют динамический диапазон 70 дБ и 45 дБ соответственно. Логарифмические детекторы AD8309 и AD8310 разработаны для RSSI-применений, а AD8313 и AD8314 — для TSSI.
Во всех этих детекторах выходной сигнал пропорционален логарифму амплитуды входного сигнала. Часто необходимо измерить и сравнить уровни мощности в разных точках схемы, чтобы отрегулировать и оптимизировать работу. Усиление УМ может меняться из-за температурного дрейфа, поэтому для максимальной эффективности и минимального потребления должен быть сохранен каждый децибел мощности. Для измерения разности двух сигналов была разработана схема AD8302 — детектор фазы и усиления. Эта схема позволяет проводить точную калибровку коэффициента усиления УМ и схемы АРУ с помощью вычисления коэффициента усиления или затухания между входом и выходом системы. Схема AD8302 состоит из двух интегральных логарифмических детекторов с динамическим диапазоном 60 дБ, фазового детектора и схем масштабирования (см. Рисунок 1).
Рисунок 1 — Функциональная схема AD8302, показывающая включение двух логарифмических детекторов на одном кристалле
Так как логарифмические усилители выполнены на одном кристалле, они точно согласованы и ошибки взаимно уничтожаются. На канал А и канал В подаются два независимых сигнала, один из которых может быть опорным. Выходные напряжения пропорциональны относительной амплитуде, т.е. усилению или ослаблению и фазе двух входных сигналов.
Это первая схема в линейке AD, позволяющая напрямую измерять соотношения между двумя входными независимыми радиочастотными сигналами. Она позволяет встраивать в готовые схемы точные дешевые системы диагностики и калибровки. С ее помощью можно измерять амплитуды с разностью до 60 дБ, что соответствует входным сигналам от 0 до –60 дБм. Измерения в центральной точке –30 дБм имеют очень высокую точность. Одновременно возможно измерение фазы в диапазоне до 180°, а измерение на 360° возможно только если заранее известно какой сигнал отстает по фазе. Амплитуда выходного сигнала проградуирована с масштабом 30 мВ/дБ, а фаза 10 мВ/градус, хотя эти масштабы можно регулировать. Выходное напряжение может подаваться на АЦП или на питание аналоговых схем.
Рисунок 2 — В режиме измерения, усиление и фаза выходного сигнала AD8302 изменяется во взаимосвязи с входным сигналом
Точность AD8302 зависит от многих факторов: относительная разность амплитуд и фаз входных сигналов на интересующем диапазоне частот (радиочастота или частота несущей), полоса пропускания на несущих частотах и рабочая температура. Разработчики AD8302 выбрали распространенные сотовые радиочастоты: 900 МГц, 1,8 ГГц и 2,2 ГГц. Однако эта схема точно измеряет амплитуду на частотах до 3 ГГц и фазу до 2,7 ГГц. Более того, она хорошо работает и на малых частотах, поэтому подходит для полосы частот модулирующих сигналов, сигналов РЧ и ПЧ. При измерении коэффициента усиления точность AD8302 составляет 0,2 дБ для динамического диапазона 40 дБ на 900 МГц и 1 дБ для динамического диапазона 60 дБ на той же частоте. При измерении фазы ошибка составляет 1° на диапазоне 0…180° на 900 МГц. Однако на более высоких частотах точность вблизи 0° и 180° снижается.
Эта схема может работать в двух режимах: измерение и контроль. Режим измерения показан на Рисунке 2. Если соотношение между входными сигналами меняется, то непрерывно меняются и выходные сигналы «усиление» и «фаза», причем выход «усиление» линеен в логарифмическом масштабе (наклон 30 мВ/дБ), а выход фазы имеет наклон 10 мВ/градус. Передаточные характеристики приведены на Рисунке 3. Для перехода в режим измерения амплитуды необходимо соединить выход VMAG с выводом MSET, а для измерения фазы – подать выход VPHS на вывод PSET.
Рисунок 3 — Линейные передаточные функции для усиления (левый график) и для фазы (правый график)
Передаточная функция по усилению (пин VMAG): усиление может непрерывно меняться от -30 дБ до 30 дБ когда мощность на опорном канале (INPB) поддерживается -30 дБм. Передаточная функция по фазе (пин VPHS): можно однозначно измерять относительную фазу 0…180°. Если изменение фазы превышает 180о, то выход VPHS менее определен, хотя знак наклона будет меняться при переходе точки 180°. Для обеих характеристик наибольшая точность достигается в средних точках, то есть усиление 0 дБ, относительная фаза 90° при абсолютном сигнале –30 дБм.
В режиме контроля работа выходов VPHS и VMAG без обратной связи аналогична работе компаратора. Для перехода в этот режим надо разорвать соединения VMAG-MSET и VPHS-PSET (см. Рисунок 4) и подать на MSET и PSET контрольные напряжения, соответствующие условиям, для которых тестируется AD8302.
Рисунок 4 — Режим регулировки без обратной связи. Выходы фазы и амплитуды AD8302 аналогичны выходам компаратора
Например, чтобы узнать, превышает ли коэффициент усиления значения +10 дБ или нет, нужно на вывод MSET подать опорное напряжение, соответствующее усилению +10 дБ, то есть +1,2 В постоянного тока (VDC). Если окажется, что величина сигнала на входе INPA на 10 дБ (или больше) превосходит сигнал на входе INPB, то напряжение на выводе VMAG примет максимальное положительное значение, примерно +2 В постоянного тока. В противном случае напряжение VMAG примет минимальное значение, то есть примерно 0 В. В режиме фазового контроля усилитель работает аналогичным образом. Напряжение, которое соответствует условиям теста AD8302, представляет собой напряжение, получаемое в режиме измерения при этих условиях на входах системы. Функции измерения амплитуды и фазы независимы, поэтому можно одновременно использовать одну из функций в режиме измерения, а вторую – в режиме контроля. AD8302 позволяет непрерывно измерять вклад или изменение усиления отдельной секции схемы. В сотовых беспроводных точках доступа радио-приемопередатчиков важно, чтобы АРУ были правильно настроены под пропускную способность узла сотовой связи и скомпенсированы по температурному дрейфу. AD8302 может быть установлен для мониторинга изменений разницы между сигналами или для индикации тревоги, если он включена в режиме контроля. Таким образом, АРУ и узел сотовой связи могут динамически регулироваться при старении схемы. Этот усилитель также применяется для контроля коэффициента усиления УМ или для построения простых схем линеаризации, см. Рисунок 5. Он может применяться в любом режиме в каналах ОС, в схемах линеаризации с помощью контроллера(controller-based), как часть активной или пассивной цепи в УМ. Операторы сотовой связи сейчас используют усилители мощности с несколькими несущими. В них требуется расширенная линеаризация для устранения интермодуляционных (ИМ) искажений. Схема AD8302 подходит для всех видов линеаризации, включая положительную ОС и предыскажения. В системах регулирования прямого действия AD8302 может отслеживать подавление несущей в первой цепи ОС усилителя мощности и подавление искажений в петле ОС усилителя ошибки (рассогласования). Выходная реакция в обоих случаях может быть скомпенсирована с помощью фазовращателя и регулятора усиления.
Рисунок 5 — AD8302 может использоваться в разных схемах линеаризации для минимизации ИМ в сотовых параметрических усилителях, работающих с несколькими несущими
Следующая область применения AD8302 — это адаптивные антенны, в которых согласование обоих логарифмических усилителей значительно упрощает измерение прямой и отраженной мощности или коэффициент напряжения стоячей радиоволны. Для получения широкополосного измерителя коэффициента отражения и коэффициента напряжения стоячей радиоволны AD8302 соединяется со сдвоенным направленным ответвителем и одним или двумя аттенюаторами (ослабителями, делителями мощности). Усилитель сравнивает амплитуды и фазы сигнала генератора и отраженного от нагрузки сигнала. Для лучшего согласования между источником, нагрузкой и линиями передачи амплитуда отраженного сигнала должна равняться 0, тогда коэффициент стоячей радиоволны будет равен 1. Если один из импедансов отклонится от оптимального значения, то амплитуда отраженной волны увеличится, коэффициент стоячей волны изменится (увеличится). Поскольку наилучшая точность AD8302 достигается при работе с входными сигналами –30дБм, то коэффициент связи ответвителя и коэффициент ослабления аттенюатора подбираются так, чтобы обеспечивать сигналы такого же уровня. Таким образом, усилитель работает с максимальной точностью. Коэффициент отражения является векторной величиной и выражается следующей формулой:
Если коэффициент связи ответвителей выбрать равным 20 дБ, то коэффициент ослабления аттенюатора будет выбран следующим образом: аттенюатор ATTENВ на входе INPB подстраивается так, чтобы сигнал на резисторе RB составлял –30 дБм при данных условиях. Коэффициент ослабления второго аттенюатора также выбирается так, чтобы на входе INPA сигнал составлял –30 дБм. Если теперь предположить, что потери на отражение от нагрузки составляют 20 дБ, то отраженный сигнал на входе INPB будет на 20 дБ меньше, чем сигнал с генератора, таким образом, значение на ATTENВ будет на 20 дБ меньше чем на ATTENА. Например, если коэффициент ослабления ATTENВ равен 23 дБ, а потери на отражение составляют 20 дБ, то коэффициент ATTENА будет равен 3 дБ. Измеренный коэффициент отражения может использоваться при вычислении несогласованности импедансов или коэффициента стоячей волны для определенной нагрузки. Такой принцип хорошо зарекомендовал себя в диагностировании переменных нагрузочных импедансов в антеннах.
В тестирующих устройствах, таких как векторный сетевой анализатор, AD8302 может использоваться для измерения коэффициента отражения тестируемой схемы или определения комплексного импеданса.
Логарифмические усилители для точного измерения мощности/ Электронные компоненты, №3, 2008.