对数放大器和温度传感器结合的设计温度补偿方案

　　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6. 在3.5 GHz 处+85°C时的温度漂移分布曲线移动并不再与25°C时的分布曲线平行。　　通过+85°C对数一致性曲线的线性区的趋势线表示该温度的误差模型。　　由于斜率和截距随温度变化导致温度漂移。鉴于这种认识，通过分析器件的总体分布曲线可以总结出一个误差模型。可以建立分布曲线随温度移动的误差表达式，如图6所示。图中画出的通过+85°C对数一致性曲线的线性区的趋势线——误差线，它表示在+85°C时的误差模型。应用该误差线的斜率和截距特性，利用补偿函数关系可抵消这种温度变化。尽管如此，该误差模型仅描述+85°C时温度漂移带来的误差。　　大多数的温度漂移发生在+25°C和+85°C之间。对所有温度都普遍适用的误差函数可利用一个温度比例因子k（T）来建立各种温度范围的函数关系，其中k（T）是温度的函数。将补偿误差函数和温度比例因子函数结合起来，组合结果如图7所示。当温度升高的时候，比例因数将跟着变化，从而可消除由于温度漂移上升引起的误差。　　图7示出AD8312采用上述误差补偿方法的对数一致性分布。误差补偿前，对数一致性误差为5 dB。误差补偿后，在从-30 dBm 至 0 dBm功率输入范围之间，在整个工作温度范围内对数一致性误差提高到大约±0.5 dB。这种RF功率管理系统可达到的精度是由器件的总体分布曲线确定的。同样的结果对于温度漂移不显著的低温和低频情况也可适用。　　在半导体制造过程期间，有些参数在变化，比如薄层电阻、电容和β值。所有这些参数变化都会影响对数放大器的斜率、截距及检测器的温度性能。减轻制造工艺参数变化造成影响的一种方法就是使用激光微调对数放大器。图8示出经过激光微调的60 dB对数放大器在1.9 GHz处的对数一致性误差分布曲线。该器件不采用数字补偿而是模拟补偿方法，即使用内置温度电路和外部电阻器来优化温度性能。电阻值依赖于修正系数要求的数值。这种模拟补偿电路的作用能够使测量结果偏离总体分布曲线中心值的程度达到±0.5-dB。　　结论　　使用精确的RF功率管理，基站和手机发射器能够从功率放大器保护和减少功耗方面获得好处，从而远远超过了蜂窝标准的要求。利用稳定的对数放大器和温度传感器，MCU能够补偿温度漂移误差以提高RF功率管理系统的总精度。对数放大器与温度分布密切相关，所以允许简单的误差补偿。用于适中温度漂移的两点校准能够为在整个温度范围内达到±0.5-dB精度的精确RF功率管理成为可能。
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