改善RMS功率检波器在整个温度范围内的输出准确度

在基站设计中，稳定的温度性能极其重要，因为视基站周边情况和地点的不同而不同，环境温度可能变化很大。RMS检波器如果随温度变化的准确度很高，就可以提高基站设计的电源效率。LTC5582和双通道LTC5583是一个RMS检波器系列的两款器件，LTC5582在最高10GHz的频率范围内可提供极其稳定的温度性能 (从-40℃至85℃)，而LTC5583的频率范围则在 6GHz内。不过，它们的温度系数随频率而改变，而没有温度补偿下，随温度变化而产生的误差可能大于0.5dB。因此，有时有必要针对不同的频率优化温度补偿，以改善准确度，使误差<0.5dB。此外，温度补偿可以仅用两个外部电阻器实现，而无需外部电路。

输出电压的变化由以下等式决定：

△V_OUT= TC1 x (T_A - t_NOM) + TC2 x (TA - tNOM)2 + detV1 + detV2 (等式 1)

其中TC1和TC2分别是1阶和2阶温度系数。T_A是实际的环境温度，t_NOM是室内基准温度25℃，detV1和detV2是RT1和RT2未设定为零时的输出电压变化。

图1：1阶△V_OUT随温度的变化

就LTC5582和LTC5583而言，计算温度补偿电阻值的方法是相同的(参见图2和图3)。两个控制引脚是RT1和RT2，RT1设定TC1 (1阶温度补偿系数)，RT2设定TC2 (2阶温度补偿系数)。如果不需要温度补偿，那么将RT1和RT2短路到地，就可以很方便地关闭温度补偿功能。

图2：引脚RP1和RP2的简化原理图

图3：引脚RT1和RT2的简化原理图

[p]

LTC5583的温度补偿设计

LTC5583包括两个额外的引脚RP1和RP2，RP1控制TC1的极性，RP2控制TC2的极性。不过，在采用一个固定的RT1或RT2值时, 温度系数的大小相等, 只是极性倒转。通道A和通道B共享补偿电路，因此两个通道一起受到控制。

图1说明了在1阶温度补偿的情况下，V_OUT作为温度的函数是怎样变化的。图中仅显示了3个电阻值，以说明增大电阻值会使斜线斜率增大。斜线极性由RP1引脚控制。

图4说明了2阶温度补偿对V_OUT的影响。该曲线的极性由RP2控制。其曲率取决于电阻值。1阶和2阶温度补偿合起来的总体影响由等式1给出。

图4：2阶V_OUT随温度的变化

以LTC5583在900MHz输入时的情况为例。第一步是测量没有温度补偿时V_OUT随温度的变化。图5显示未补偿时的V_OUT。线性误差随温度的变化以25℃时的斜线和截取点为基准。为了最大限度地减小输出电压随温度的变化，红色 (85℃) 的线性度曲线必须下移，蓝色 (-40℃) 的线性度曲线必须上移，以与黑色室温时的曲线一致，并尽可能多地重叠。接下来就是一步一步地设计了。

图5：在900MHz时未补偿的LTC5583

第一步。以dB为单位从图5估计所需的温度补偿。例如，读取输入功率为-25dBm时的曲线值，这是动态范围的中部。将以dB为单位的线性误差乘以30mV/dB (典型的V_OUT斜率)，以将单位转换为mV。

低温 (-40℃) = +13mV 或 +0.43dB

高温 (85℃) = -20mV 或 -0.6dB

这是随温度变化所需的输出电压调节量。

[p]

第二步。确定RP1和RP2的极性以及1阶和2阶补偿解决方案。为了找到解决方案，设a = 1 阶项，b = 2 阶项。设定这两项的值，使它们满足-40℃和85℃的温度补偿要求。

a – b = +13mV (等式2)

a – b = -20mV (等式3)

a = 16.5 (1阶解决方案)

b = 3.5（2阶解决方案）

等式2和等式3中“a”和“b”的极性由1阶项和2阶项的极性决定，这样，它们的和在低温(-40℃) 时满足+13Mv和高温时满足-20mV(85℃) 的调节要求。参见图6。1阶项和2阶项或者为正、或者为负。因此。总共有4种组合。在这种情况下，仅当两项均为负时，它们的和才能满足所需补偿。

图6：1阶和2阶解决方案的极性

图7显示了在-40℃和+85℃时所需的1阶和2阶补偿。请注意，1阶和2阶补偿的极性是负的，这样，当两条曲线相加时，它们的和才能对V_OUT产生所需的调节。结果，TC1和TC2为负，RP1和RP2从图8和图9决定。请注意，两个解决方案的值加起来在-40℃时约等于+13mV，在+85℃时约等于-20mV。

图7：温度补偿解决方案

图8：1阶温度补偿系数TC1随外部R_T1值的变化

图9：2 阶温度补偿系数TC2随外部RT2值的变化

RP1 = 开路

RP2 = 短路

第三步。计算一个温度极限的温度系数，利用图8和图9确定 R_T1和R_T2的电阻值。

a = 16.5 =TC1 x (85 - 25)；TC1 = 0.275mV/℃

RT1 = 11KΩ (根据图8)

b = 3.5 = TC2 x (85 - 25)2；TC2 = 0.972uV/℃2

RT2 = 499Ω (根据图9)

[p]

图10显示了LTC5583的两个输出通道之一随温度变化的性能。请注意与图5中未补偿V_OUT相比的温度性能改进。就大多数应用而言，这也许能满足要求了。不过，对于某些需要更佳准确度的应用, 可以执行二次迭代以进一步改善温度性能。为了简化计算可忽略detV1和detV2项，因为这两项不受温度影响。因此，解决方案是不精确的。不过，在改进随温度变化的准确度方面，这么做很有用，如下所示。

图10：1阶迭代温度补偿的LTC558输出

2次迭代计算

第一步。从图10中确定所需补偿，采用与第一次迭代时相同的方法。

低温 (-40℃) = -3mV 或 -0.1dB

高温 (85℃) = -3mV 或 -0.1dB

给1次迭代增加新值

低温 (-40℃) = -3mV + 13mV = 10mV

高温 (85℃) = -3mV - 20mV = -23mV

重复第二步和第三步，计算 R_T1和R_T2值。

R_T1= 11KΩ

R_T2= 953Ω

RP1 = 开路

RP2 = 短路

经过两次迭代后的性能结果如图11所示。随着温度变化，动态范围为 50dB (0.2dB线性误差) 和 56dB (1.0dB的线性误差)。从表1中可查到其他频率时的温度补偿值。

图11：2阶迭代后温度补偿的V_OUT

表1：LTC5583 要在各种不同的频率时实现最佳的温度性能，推荐采用以下设定和电阻值

这种迭代过程可以一再重复，以进一步提高准确度。就大多数应用而言，这将允许设计师按照所需要的准确度引入补偿。

[p]

LTC5582单检波器

计算LTC5582的补偿值以求出RT1和RT2的方法是相同的，而且更容易，因为极性已经预先确定了。TC1和TC2为负。从表2中可查出在其他频率时的RT1和RT2值。图8和图9中显示的补偿系数对LTC5582而言是不同的。在数据表中进行查找，以获得更多信息。

表2：LTC5582要在各种不同的频率时实现最佳的温度性能，推荐采用以下R_T1和R_T2值

结论

LTC5582和LTC5583仅用两个外部补偿电阻器，就可以提供卓越的温度性能。计算补偿电阻器的过程很简单，而且可以迭代，以实现更高的性能。本文所举例子是LTC5583在900MHz RF输入时的情况，但是在该IC允许频率范围内的任何频率上，同样的方法都可以应用于LTC5582和LTC5583。随温度变化的性能相当一致。所得性能结果为，随温度变化的准确度可低于输出电压的1%。

作者：Andy Mo

凌力尔特公司 高频产品 RF应用工程师