【導讀】該應用筆記討論如何利用MAX2016 RF檢測器實現超外差收發器的增益自動測量。本文比較了三種方案的性能和測量精度：增益測量和校準，具有失調修正的增益測量和具有失調、斜率修正的增益測量。
概述
作為一個雙路RF功率檢測器，MAX2016可以測量RF電路或復雜的超外差收發陣列的增益測量。該器件的一個關鍵特性是包含一個比較器，可以計算出兩個功率電平的差值。即通過該電路可以很容易地實現簡單的增益計算：增益 = POUTPUT - PINPUT = POUTA - POUTB = POUTD。但是，需要保證滿足測量精度的要求。
根據應用情況，可能需要進行一次校準，以消除線路和耦合損耗以及器件之間的差異。以下概括了幾種RF增益測量的基本校準方法，并提供了兩個常見實例。第一個例子詳細描述了超外差收發器的增益測量，第二個例子說明如何在工廠自動測試設備(ATE)中利用經過校準的MAX2016取代速度低、價格昂貴的功率計。在自動測試設備(ATE)中，我們比較了校準和沒有校準情況下的測量精度。兩個例子都說明測量設備中校準過程的重要性。
典型的RF收發器增益測量
由于MAX2016功率檢測器可以工作在直流到2.5GHz頻率范圍內，所以，該器件可以很容易地配置用于測量單個增益模塊(圖1a)或整個超外差收發陣列的增益(圖1b)。
圖1a. 單個RF增益模塊的增益測量
圖1b. 超外差接收機的增益測量
上述配置中，測量的不確定因素都會影響增益測量的精度，絕對增益測量會受線路差異、耦合器損耗以及MAX2016器件之間差異的影響。盡管MAX2016集成了兩路完全相同的對數檢測器，但是斜率和截取點的微小差異會導致差分輸出誤差。
補償這些差異的簡單方法是在出廠測試時進行斜率和截取點的一次校準。圖2是超外差接收機的測試配置框圖。如圖所示，將一個功率電平已知的RF信號送入接收器前端。然后，利用一個外部功率檢測器測量下變頻轉換后的接收功率。如果下變頻信號不容易采樣，可以利用收發器的板上高速模數轉換器ADC近似表示接收功率。由于大多數接收器使用某種可變增益放大器/可變電壓放大器(VGA/VVA)提高其動態范圍，所以在測試中和隨后的斜率測量、增益-VOUTD響應截取點的測量中，可以改變接收器的增益。把斜率和響應截取點存儲到收發器的非易失存儲器(NVM)中，可以將隨后測量的VOUTD 映射為絕對增益值。也可以將多個VOUTD和增益值組成的矩陣存儲到非易失性存儲器(NVM)中，提高精度。利用內插算法可以計算任意VOUTD測量值對應的增益。圖3說明了這兩種可選方案。
圖2. 出廠增益校準設備—所測試的接收器
圖3. 超外差接收器的增益校準圖解
MAX2016的兩個內部對數檢測器在整個溫度范圍內保持較好的一致性，計算收發器的絕對增益時無需進行溫漂補償。如果需要更高精度，也可以測量典型的溫度漂移，并將其存儲到非易失存儲器(NVM)中。通過測量當前的工作溫度，在溫度端點之間進行插值計算，增益-VOUTD算法可以加入對溫度漂移的考慮。
用MAX2016代替自動測試設備(ATE)中的兩個功率計
如上所述，測量被測件(DUT)增益最簡單的方法是以dBm為單位，直接測量它的輸入功率和輸出功率，然后，用輸出功率減去輸入功率就可得到增益。傳統方案中，使用功率計測量寬帶功率是得到精確測量結果的唯一方法。但是，功率計的測量速度很低，無法滿足快速測量生產環境的要求。而MAX2016的雙路對數檢測器具有相當短的響應時間(~100ns)，可以實現快速增益測量。如上所述，將被測件(DUT)的輸入功率耦合到MAX2016的一個端口，同時將被測件(DUT)的輸出功率耦合到MAX2016的第二個端口，就可實現簡單的增益測量。VOUTD引腳輸出正比于器件增益的直流電壓(VOUTD_MEAS)。增益可根據下式計算：
增益(dB) = (VOUTD_OFFSET - VOUTD_MEAS) / VOUTD_SLOPE (式1)
使用MAX2016數據資料給出的未經校準的VOUTD_OFFSET和VOUTD_SLOPE典型值, 可以將該式簡化為：增益(dB) = (1.0 - VOUTD_MEAS) / 0.025。
雖然這個簡單的表達式對于計算增益很有用，我們還是推薦采用校準過程來提高增益測量精度。通過執行多個校準步驟，可以得到不同程度的絕對精度。下文詳細介紹了一種校準方法，這種方法需要測量VOUTD_OFFSET和VOUTD_SLOPE的精確值。根據不同的精度要求，用戶可以選擇執行一種或兩種校準。本文對使用VOUTD_OFFSET校準和同時使用VOUTD_OFFSET、VOUTD_SLOPE校準得到的精度進行了比較(參見下文)。
通用測試裝置
為了得到更精確的VOUTD_OFFSET，在MAX2016的兩個輸入端口輸入同樣的功率電平。VOUTD引腳的輸出直流電壓等于VOUTD_OFFSET。將一個經過校準的衰減器與MAX2016的一個輸入端口串聯，測量VOUTD，用戶即可根據給定的VOUTD_OFFSET和衰減器損耗求解對應的VOUTD_SLOPE值。圖4是測試裝置框圖。該增益測量/校準方案使用了一塊MAX2016評估板。
圖4. 實驗室評估裝置
該評估方法使用固定功率衰減器校準VOUTD_SLOPE。但所得結果對其它增益器件同樣適用。頻率和精確的衰減量由MAX3654可變增益放大器(VGA)的測試要求決定，MAX3654是具有自動增益控制(AGC)的CATV互阻放大器，增益范圍為0dB到20dB。在其它應用場合，可以根據要求選擇不同的頻率和衰減器。
校準VOUTD_OFFSET和VOUTD_SLOPE
首先使用URV5 RF功率計測量不同的衰減器。隨后，在圖4的A點進行測量，以準確表現真實的衰減量，包括電纜損耗。
接下來，在每個測試頻率下分別測量VOUTD_OFFSET和VOUTD_SLOPE。
- 為了測量VOUTD_OFFSET，將衰減器旁路，在MAX2016的兩個輸入端口輸入同樣的信號電平。這樣，VOUTD引腳的輸出直流電壓就是OUTD_OFFSET的校準值。
- 為了測量VOUTD_SLOPE，串聯一個經過校準的10dB衰減器，再次測量VOUTD引腳的輸出直流電壓(定義該值為VOUTD_MEAS)。給定VOUTD_OFFSET和VOUTD_MEAS，且已知衰減器的衰減量為10dB，可利用式1計算VOUTD_SLOPE。衰減器的衰減量代表式1中-10dB的增益。因為10dB是MAX3654增益范圍的中間值，所以，我們選擇了10dB衰減。表1列出了VOUTD_OFFSET和VOUTD_SLOPE的對應值。
表1. 失調和斜率校準
校準精度比較
分別使用六個獨立的衰減器(1、2、8、10、12和20dB)，在每個測試頻率下分別測量VOUTD。這樣通過計算就可以得到下面三種情況下測量的衰減值和對應精度：
- 無校準
- 只進行失調校準
- 進行失調和斜率校準
下面的表2至表6給出了測試結果。
表2. MAX2016的測量誤差采用數據資料中的典型值(VOUTD_OFFSET = 1.0V, VOUTD_SLOPE = 25mV/dB)
表3. 工作于50MHz、只進行失調校準時，MAX2016的測量誤差(數據資料給出的典型值是VOUTD_SLOPE = 25mV)
表4. 工作于50MHz、同時進行失調校準和斜率校準后，MAX2016的測量誤差
表5. 工作于900MHz、只進行失調校準時，MAX2016的測量誤差(數據資料中給出的典型值是VOUTD_SLOPE = 25mV)
表6. 工作于900MHz、同時進行失調校準和斜率校準后，MAX2016的測量誤差
MAX2016作為RF檢測器的生產測試
觀察上面所給出的數據我們可以得出以下結論。
首先，沒有校準時，測量誤差(表2)較大。如果自動增益放大器(VGA)MAX3654等器件在生產過程中采用未經校準的MAX2016測量增益，考慮到它所產生的較大誤差，必須放寬自動增益放大器(VGA)的測試要求。因而，也就相應放寬了數據資料中的增益指標，從而失去了對設計者的吸引力。
其次，對于衰減值為0.9dB和2.0dB的衰減器，只進行失調校準時，誤差是可以控制的(表3和表5)。這對于測量只有一個增益值的DUT非常有用，如果DUT電路板已經設計好，DUT輸出端的衰減等于所期望的典型增益，那么，功率檢測器端口的輸入電平近似相等。假定增益指標的變化小于2dB，對于0.9dB和2.0dB的衰減器所得的精度表明，只需進行失調校準即可得到準確的測量結果。但是，隨著衰減值的增大，測量精度會迅速下降。所以，在對MAX3654等存在很大增益偏差的VGA進行測量時，這種方法會存在問題。
表4和表6說明在測量變化范圍較大的增益，同時校準失調和斜率能夠得到精確的結果。為了進行校準，DUT必須能夠在MAX2016的功率檢測端口輸入同樣的信號電平，而且可以在經過校準的衰減器之間進行切換。
圖5提供了一個MAX2016輸入端RF開關的范例。測量DUT的增益時，將開關切換到位置A。進行失調校準時，將開關切換到位置B。進行斜率校準時，將開關切換到位置C。校準斜率時所使用的衰減值等于DUT增益的典型值。即使使用與斜率校準值相差很大的衰減值(10dB)，所得誤差仍然很小。數據表明假設增益-VOUTD曲線具有極小的非線性是正確的，建議只需使用斜率校準即可。
圖5. MAX2016RF輸入校準切換開關
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