由于其基本的整流特性，只要有二極管，二極管就被用來產生與交流和射頻信號電平成比例的直流電壓。本文將比較基于二極管的RF和微波與集成電路替代方案的性能。涵蓋的主題包括傳遞函數線性度、溫度穩定性和ADC接口。

基于分立二極管的RF檢波器

圖1所示為一種常用的基于二極管的RF檢測電路的原理圖。這可以被認為是具有輸出濾波的簡單半波整流器。輸入信號的正半周期正向偏置肖特基二極管，肖特基二極管又為電容器充電。在負半周期，二極管反向偏置，導致電容上的電壓保持并產生與輸入信號成比例的直流輸出。為了在輸入信號減小或關閉時允許該電壓下降，與電容器并聯的電阻器提供放電路徑。

圖1.基于肖特基二極管的RF檢波器。

圖2顯示了該電路的傳遞函數。輸入功率以dB為單位，輸出電壓以對數垂直刻度表示。觀察25°C傳遞函數，曲線上有兩個不同的工作區域。所謂的線性區域從輸入范圍的頂端（約15 dBm）向下延伸到0 dBm左右。線性區域這個術語得名于該區域的輸出電壓與輸入電壓大致成正比。

圖2.基于肖特基二極管的RF檢波器的傳遞函數。

低于 0 dBm 時，所謂的平方律區域開始。在此區域中，輸出電壓大致與輸入電壓的平方成正比。這會導致圖上的斜率更高。

圖2還顯示了溫度為–40°C和+85°C時電路的輸出電壓與輸入功率傳遞函數的關系。 這在功率電平低于0 dBm時顯示出明顯的偏差。這使得該器件在溫度變化顯著的應用中無法使用。

現有的技術可用于在一定程度上緩解這種溫度漂移。它們涉及引入第二個參考二極管作為電路的一部分或作為具有自身輸出的獨立電路。基準二極管的溫度漂移與初級二極管的溫度漂移相匹配。通過減法過程（在模擬域或基于電路結構的數字域中），可以實現一定程度的漂移消除。

圖3顯示了ADL6010在25 GHz時的傳遞函數，ADL6010是一款基于肖特基二極管的集成檢波器，具有許多新穎特性。作為信號處理的一部分，輸入信號通過一個電路，該電路僅對低于特定功率水平的信號執行平方根功能。過渡點被特意設置為等于二極管從平方律區域躍遷到線性區域的功率電平。因此，二極管的平方律效應被抵消，并且沒有圖1中如此明顯的兩區傳遞函數的跡象。

圖3.輸出電壓與輸入功率的關系以及25 GHz時集成肖特基二極管檢波器的線性誤差。

圖3還包括在–55°C至+125°C不同溫度下的傳遞函數圖。 還繪制了傳遞函數與溫度的變化。使用25°C傳遞函數的線性回歸作為參考，每個溫度下的誤差以dB為單位繪制。由于集成了溫度補償電路和平方律消除電路，我們看到在大部分輸入范圍內，線性度和溫度漂移引起的誤差約為±0.5 dB。

模數轉換器接口

雖然RF和微波檢波器有時用于模擬功率控制環路1，但更常見的是構建數字功率控制環路，如圖4所示。在這些應用中，功率檢波器的輸出由模數轉換器數字化。在數字域中，功率電平是使用ADC的代碼計算的。一旦知道功率電平，系統將在必要時通過調整發射功率來響應。

圖4.典型的數字控制RF功率控制環路。

雖然該環路的響應時間在很大程度上取決于檢波器的響應時間，但ADC的采樣速率和功率控制算法的速度將產生更大的影響。

環路測量和精確設置RF功率電平的能力受到許多因素的影響，包括RF檢波器的傳遞函數和ADC的分辨率。為了更好地理解這一點，讓我們仔細看看探測器的響應。圖5比較了基于二極管的檢波器ADL6010與微波對數放大器HMC1094在20 GHz時的響應。對數放大器具有線性dB傳遞函數，其中輸入功率的1 dB變化始終導致輸出端的電壓變化相同（在大約–50 dBm至0 dBm的線性輸入范圍內）。與此相反，基于二極管的檢波器（如ADL6010）具有傳遞函數，當在水平軸上使用dB刻度而線性垂直軸用于輸出電壓時，傳遞函數呈指數級。

圖5.線性分貝的比較。

由于模數轉換器具有以位/電壓為單位的傳遞函數，這意味著以每比特dB為單位的系統分辨率隨著輸入功率的降低而不斷降低。圖5中的曲線還顯示了如果ADL6010驅動滿量程電壓為5 V的12位ADC，可以實現的每dB位數分辨率（該圖在對數次級軸上縮放，便于查看）。在器件功率范圍的低端（約–25 dBm），增量斜率約為每dB2位，分辨率約為0.5 dB/位。這表明12位ADC足以在整個范圍內精確解析ADL6010的輸出。

隨著RF輸入功率的增加，以位/dB為單位的增量斜率穩步增加，在最大輸入功率為15 dBm時，最大約為300位/dB。這在RF功率控制應用中很有價值，當系統處于最大功率時，精度最為關鍵。在使用RF檢波器測量和控制高功率放大器（HPA）功率的應用中，這是一個非常典型的場景。在通常控制功率以防止HPA過熱的應用中，最大功率下的高分辨率功率測量具有重要價值。

相比之下，圖5中HMC1094對數放大器的傳遞函數也表明，它在其線性工作范圍內具有恒定的斜率。這表明較低分辨率的ADC（10位甚至8位）足以實現遠低于1 dB的分辨率。

圖6所示為應用電路，其中ADL6010與AD7091接口，AD7091是一款12位精密ADC，采樣速率最高可達1 MSPS。ADC具有一個內部2.5 V基準電壓源，用于設置滿量程輸入電壓。由于ADL6010檢波器的最大電壓可達約4.25 V，因此使用簡單的電阻分壓器來降低該電壓，使其永遠不會超過2.5 V。無需運算放大器緩沖器即可實現這種縮放。在輸入功率范圍底端，以每比特dB表示的可實現分辨率與上述示例類似（即每比特約0.5 dB）。2

圖6.將集成微波功率檢波器與精密ADC接口。

結論

與分立式方案相比，集成RF和微波檢波器具有許多優勢。集成溫度補償電路提供開箱即用的輸出電壓，在寬溫度范圍內穩定在 ±0.5 dB 左右。使用內部平方根功能可有效消除低輸入功率電平下的平方律特性。這導致單個線性傳遞函數，使設備校準更容易。集成檢波器的緩沖輸出可以直接驅動ADC，無需擔心負載會影響計算精度。在選擇和確定ADC尺寸時需要小心，以便在低輸入功率下實現足夠的位/dB。

審核編輯：郭婷