Eine auf hohe Geschwindigkeit, geringen Stromverbrauch und eine unipolare Versorgungsspannung von 3,3 V optimierte Schaltung misst den Crest-Faktor sowie Spitzen- und Effektivwert von HF-Signalen.

Die Schaltung in Bild 1 misst den Spitzen- und Effektivwert von Leistung bei HF-Frequenzen von 450 MHz bis 6 GHz in einem Bereich von etwa 45 dB. Die Messergebnisse werden in differentielle Signale gewandelt, um Rauschanteile zu beseitigen. Bereitgestellt werden die Messergebnisse als digitale Informationen am Ausgang eines 12-Bit-SAR-A/D-Wandlers mit serieller Schnittstelle und integrierter Referenz. Eine einfache Zweipunkte-Kalibrierung wird im digitalen Bereich durchgeführt.

Der ADL5502 ist ein Effektivwert-Leistungsdetektor in Kombination mit einem Hüllkurvendetektor zur genauen Ermittlung des Crest-Faktors eines modulierten Signals. Das Bauteil kann in HF-Empfänger- und Transmitter-Signalketten von 450 MHz bis 6 GHz mit Hüllkurvenbandbreiten über 10 MHz verwendet werden. Über die Peak-Hold-Funktion lassen sich mit A/D-Wandlern mit relativ niedrigen Abtastraten kurze Signalspitzen in der Hüllkurve erfassen. Die Stromaufnahme beträgt 3 mA bei 3 V.

Der ADA4891-4 ist ein schneller, vierkanaliger CMOS-Verstärker mit hoher Leistungsfähigkeit zu einem attraktiven Preis. Die Stromaufnahme des Bauteils beträgt 4,4 mA/Verstärker an 3 V. Der Verstärker weist die Fähigkeiten einer echten unipolaren Spannungsversorgung auf und bietet einen Eingangsspannungsbereich, der 300 mV unter der negativen Versorgungsspannung liegt.

Aufgrund der Rail-to-Rail-Ausgangsstufe erstreckt sich die Ausgangsspannung von 50 mV über der negativen Versorgungsspannung bis 50 mV unter der positiven Versorgungsspannung. Dies gewährleistet einen maximalen Dynamikbereich. Geringe Verzerrungen und kurze Einschwingzeiten prädestinieren den ADA4891-4 für diese Anwendung.

Der AD7266 ist ein schneller, zweikanaliger 12-Bit-SAR-A/D-Wandler mit geringem Stromverbrauch. Das Bauteil arbeitet an einer unipolaren Spannung von 2,7 bis 5,25 V und erreicht Abtastraten bis 2 MSample/s. Den beiden ADCs im AD7266 sind ein dreikanaliger Multiplexer sowie ein rauscharmer, breitbandiger Track-&-Hold-Verstärker nachgeschaltet, der mit Eingangsfrequenzen über 30MHz zurechtkommt. Die Stromaufnahme beträgt 3 mA bei 3 V. Ebenfalls im AD7266 enthalten ist eine 2,5-V-Referenz.

Unipolare Versorgungsspannung

Die Schaltung arbeitet an einer unipolaren Spannung von +3,3 V. Geliefert wird diese vom ADP121. Der ADP121 ist ein Linearregler mit geringem „Dropout“ und niedrigem Ruhestrom. Er arbeitet an 2,3 bis 5,5 V und bietet einen Ausgangsstrom bis zu 150 mA. Die Dropout-Spannung von 135 mV bei 150 mA Last erhöht die Effizienz und erlaubt den Betrieb über einen großen Eingangsspannungsbereich. Der Ruhestrom von 30 μA bei Volllast prädestiniert den ADP121 für batteriegespeiste, tragbare Geräte.

Den ADP121 gibt es mit Ausgangsspannungen von 1,2 bis 3,3 V. Das Bauteil ist für den stabilen Betrieb mit kleinen 1-μF-Keramikkondensatoren am Ausgang optimiert. Der ADP121 bietet ein gutes Transientenverhalten bei minimaler Grundfläche. Schutzschaltungen gegen Kurzschluss und Übertemperatur verhindern eine Beschädigung des Bauteils im Fehlerfall. Angeboten wird der ADP121 im winzigen 5-poligen TSOT-Gehäuse sowie im WLCSP-Gehäuse (Rasterabstand 0,4 mm). Aufgrund seiner sehr geringen Grundfläche eignet sich der ADP121 für viele tragbare Anwendungen.

Schaltungsbeschreibung

Das gemessene HF-Signal wird an den ADL5502 angelegt. Ein Abschlusswiderstand mit 75 Ω am HF-Eingang parallel zur Eingangsimpedanz des ADL5502 ermöglicht eine Breitbandanpassung von 50 Ω. Genauere Ohm’sche oder reaktive Anpassungen können für schmalere Frequenzbänder angewendet werden (siehe Abschnitt HF-Eingangsschnittstelle im Datenblatt des ADL5502).

Der interne Filterkondensator des ADL5502 ermöglicht Mittelwertbildung im quadratischen Bereich, belässt jedoch einen AC-Anteil am Ausgang. Signale mit hohen Spitze/Mittelwert-Verhältnissen wie zum Beispiel W-CDMA oder CDMA2000 können AC-Restspannungen am DC-Effektivwertausgang des ADL5502 produzieren. Um die Effekte dieser niederfrequenten Komponenten in den Signalverläufen zu reduzieren, ist eine zusätzliche Filterung erforderlich. Die interne Filterkapazität des ADL5502 im quadratischen Bereich kann mit einem Kondensator zwischen Pin 1 (FLTR) und Pin 2 (VPOS) erhöht werden.

Die AC-Restspannung lässt sich weiter reduzieren, indem man einen Kondensator an den Ausgang für den Effektivwert der Spannung schaltet. Die Kombination des internen 100-Ω-Ausgangswiderstands und der zusätzlichen Ausgangskapazität bildet ein Tiefpassfilter, das Ausgangs-Ripple des U_RMS-Ausgangs verringert (mehr Informationen im Abschnitt „Selecting the Square-Domain Filter and Output Low-Pass Filter“ im Datenblatt des ADL5502).

Spitzenwert messen

Um den Spitzenwert eines Signalverlaufs zu messen, muss die Steuerleitung (CNTL) temporär auf den Logikpegel „High“ (Reset Mode für >1 μs) gesetzt und dann auf den Logikpegel „Low“ zurückgesetzt werden. So lässt sich der ADL5502 auf einen bekannten Zustand initialisieren. Beim Einstellen des Bauteils zur Messung von Spitzenwerten sollte der Peak-Hold-Modus für eine Periode getoggelt werden, in welcher sich der Effektivwert der Eingangsleistung und der Crest-Faktor nicht ändern.

Falls sich der ADL5502 im Peak-Hold-Modus befindet und sich der Crest-Faktor von „High“ auf „Low“ ändert oder die Eingangsleistung von „High“ auf „Low“ wechselt, wird eine fehlerhafte Spitzenmessung signalisiert. Der ADL5502 meldet einfach den höchsten Spitzenwert der aufgetreten ist, als der Peak-Hold-Modus aktiviert war und die Eingangsleistung oder der Crest-Faktor „High“-Pegel hatten. Es sei denn CNTL ist zurückgesetzt, dann gibt der PEAK-Ausgang nicht den neuen Spitzenwert im Signal wieder.

Der ADL5502 kann einen effektiven Ausgangsstrom von etwa 3 mA liefern. Der Ausgangsstrom fließt durch den auf dem Chip integrierten Serienwiderstand von 100 Ω. Somit bildet jeder Lastwiderstand mit diesem On-Chip-Widerstand einen Spannungsteiler. Es wird empfohlen, den U_RMS-Ausgang des ADL5502 eine hohe Ohm’sche Last treiben zu lassen, damit der Ausgangsspannungshub erhalten bleibt. Falls bei einer Anwendung eine Last mit niedrigem Widerstand getrieben werden soll (sowie in Fällen, in denen eine Erhöhung des nominalen Wandlungsgewinns wünschenswert ist), ist eine Pufferschaltung erforderlich.

Der PEAK-Ausgang ist zum Treiben von 2-pF-Lasten ausgelegt. Es wird empfohlen, dass der PEAK-Ausgang des ADL5502 niedrige kapazitive Lasten treibt, um eine volle Ausgangsreaktionszeit zu erzielen. Die Effekte größerer kapazitiver Lasten sind speziell sichtbar beim Tracking von Hüllkurven während der fallenden Signalübergänge.

Befindet sich die Hüllkurve in einem fallenden Signalübergang, entlädt sich der Lastkondensator über den chipinternen Widerstand von 1,9 kΩ. Falls sich die größere kapazitive Last nicht vermeiden lässt, kann der zusätzlichen Kapazität entgegengewirkt werden, indem man einen Shunt-Widerstand zwischen Masse und den PEAK-Ausgang legt, um eine schnellere Entladung zu erreichen. Ein solcher Shunt-Widerstand erhöht den Strom des ADL5502 und sollte nicht niedriger als 500 Ω sein.

Einschaltzeit und Impulsverlauf

Die Einschaltzeit und der Impulsverlauf sind stark von der Größe des Square-Domain-Filters (CFLTR) und dem an den U_RMS-Ausgang angeschlossenen Ausgangs-Shunt-Kondensator abhängig. Bild 6 (aus dem Datenblatt des ADL5502) zeigt den Verlauf des Ausgangssignals bei verschiedenen am RF_IN-Pin angelegten HF-Impulen mit einem Ausgangsfilterkondensator von 0,1 μF und ohne Square-Domain-Filterkondensator (C_FLTR). Die fallende Flanke wird speziell von der Kapazität des Ausgangs-Shunts bestimmt.

Um die fallende Flanke der Enable- und Pulsreaktionen zu verbessern, kann parallel zum Ausgangs-Shunt-Kondensator ein Widerstand geschaltet werden. Der zusätzliche Widerstand trägt dazu bei, den Filter-Kondensator am Ausgang zu entladen. Obwohl diese Methode die Abschaltzeit verkürzt, dämpft der zusätzliche Lastwiderstand auch den Ausgang (siehe Abschnitt „Output Drive Capability and Buffering“ im Datenblatt des ADL5502). Bild 7 (aus dem Datenblatt des ADL5502) zeigt die Verbesserung, die durch den zusätzlichen parallelen 1-kΩ-Widerstand erreicht wurde.

Die RMS- und PEAK-Ausgänge des ADL5502 durchlaufen Puffer mit Einsverstärkung, die zur Wandlung der massebezogenen Ausgänge in differentielle Signale Stufen mit Cross-Kopplung treiben. Die interne 2,5-V-Referenz des AD7266 (über die DCAPA- und DCAPB-Pins) durchläuft einen weiteren Puffer mit Einsverstärkung und einen Spannungsteiler.

Dies setzt die Gleichtaktspannung des Netzwerks auf +1,25 V. Der AD7266 erzielt simultane Samples der RMS- und PEAK-Ausgänge und überträgt die Daten innerhalb einer Reaktionszeit von 1 μs. Die Daten werden auf einer seriellen Datenleitung bereitgestellt. Da Steigung und Achsenabschnitt (Intercept) von Bauteil zu Bauteil variieren, muss für hohe Genauigkeit eine Kalibrierung auf Boardebene durchgeführt werden.

In der Regel erfolgt die Kalibrierung, indem man zwei Eingangsleistungspegel an den ADL5502 anlegt und die zugehörigen Ausgangsspannungen misst. Die Kalibrierungspunkte werden normalerweise so gewählt, dass sie im linearen Arbeitsbereich des Bauteils liegen. Die am besten geeignete Gerade findet man, indem man den Wandlungsgewinn (oder die Steigung) und den Achsenabschnitt mithilfe der Gleichungen 1 und 2 berechnet:

Verstärkung = (U_URMS2 − U_URMS1)/(U_IN2 − U_IN1) (Gleichung 1)

Achsenabschnitt = _URMS1 − (Verstärkung . U_IN1) (Gleichung 2)

Darin sind U_IN der Effektivwert der Eingangsspannung an RF_IN und U_URMS die Ausgangsspannung an VRMS.

Sobald Verstärkung und Achsenabschnitt berechnet sind, kann Gleichung 3 herangezogen werden, welche die Berechnung einer (unbekannten) Eingangsleistung, basierend auf der gemessenen Ausgangsspannung, erlaubt.

U_IN = (U_URMS − Achsenabschnitt) / Verstärkung (Gleichung 3)

Linearitätsfehler

Für eine ideale (bekannte) Eingangsleistung kann der Linearitätsfehler der gemessenen Daten nach Gleichung 4 berechnet werden:

Fehler (dB) = 20 log (U_URMS, gemessen – Achsenabschnitt) / (Verstärkung  U_IN, ideal) (Gl. 4)

Die Bilder 8 und 9 zeigen den Verlauf des U_eff– und PEAK-Fehlers bei 25°C. Dies ist die Temperatur, bei welcher der ADL5502 kalibriert wird.

Zu beachten ist, dass der Fehler nicht Null beträgt. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass der ADL5502 selbst in seinem Betriebsbereich nicht optimal der idealen linearen Gleichung folgt. Der Fehler an den Kalibrierungspunkten ist jedoch laut Definition gleich Null.

Wenn die Charakteristika (Steigung und Achsenabschnitt) der VRMS- und PEAK-Ausgänge bekannt sind, ist die Kalibrierung für die Crest-Faktor-Berechnung vollständig. Ein dreistufiger Prozess muss verwendet werden, um den Crest-Faktor eines beliebigen Signalverlaufs zu messen und zu berechnen. Zunächst muss das unbekannte Signal an den HF-Eingang angelegt werden. Dann wird der zugehörige U_RMS-Pegel gemessen.

Dieser Pegel ist in Bild 10 als V_VRMS-UNKNOWN dargestellt. Der HF-Eingang, U_IN, wird mit V_VRMS-UNKNOWN und Gleichung 3 ermittelt.

Anschließend wird der CW-Referenzpegel von PEAK, U_PEAK-CW, laut Gleichung 5 berechnet. Dazu wird U_IN (dies ist die Ausgangsspannung, die die Schaltung „sehen” würde, wenn das eintreffende Signal ein CW-Signal wäre) verwendet.

U_PEAK-CW = (U_IN Gain_PEAK) + Intercept_PEAK (Gleichung 5)

Abschließend wird der tatsächliche Pegel von PEAK, U_PEAK-UNKNOWN, gemessen. Der Crest-Faktor CF lässt sich dann nach Gleichung 6 berechnen:

CF = 20 log 10 (U_PEAK-UNKNOWN / U_PEAK-CW) (Gleichung 6)

Dabei dient U_PEAK-CW als Referenzpunkt zum Vergleichen von U_PEAK-UNKNOWN. Falls beide U_PEAK-Werte gleich sind, beträgt der Crest-Faktor 0 dB. Dies zeigt Bild 11 mit dem CW-Signal (aus dem Datenblatt des ADL5502). Über den Dynamikbereich bewegt sich der Crest-Faktor um die 0-dB-Linie. Auch bei komplexen Signalverläufen mit Scheitelwerten von 3, 6 und 9 dB liegen die zugehörigen CF-Werte in diesen Bereichen.

Leiterplattenlayout entscheidet über die Leistungsfähigkeit

Die Leistungsfähigkeit dieser oder anderer schneller Schaltungen hängt stark vom Leiterplattenlayout ab. Dies beinhaltet unter anderem den Bypass der Stromversorgung, kontrollierte Impedanzleitungen (wo erforderlich), Bauteileplatzierung, Signal-Leitungsführung (Routing) und Power- sowie Masse-Flächen. (Siehe MT-031 Tutorial, MT-101 Tutorial, und Artikel “A Practical Guide to High-Speed Printed-Circuit-Board Layout” für mehr Informationen bezüglich Leiterplattenlayout).

Gemeinsame Abweichungen

Für Anwendungen, bei denen ein kleinerer HF-Erkennungsbereich erforderlich ist, kann der Effektivwert-Detektor AD8363 verwendet werden. Der AD8363 hat einen Erkennungsbereich von 50 dB und arbeitet bei Frequenzen bis 6 GHz. Für Anwendungen, bei denen der Effektivwert nicht erkannt werden muss, können die Bauteile AD8317/AD8318/AD8319 oder ADL5513 verwendet werden. Diese Bauteile bieten unterschiedliche Erkennungsbereiche und weisen verschiedene Eingangsfrequenzbereiche bis 10 GHz auf (siehe CN-0150 für weitere Informationen).

Schaltungsevaluierung und Test

Bei dieser Schaltung kommen das Schaltungsboard EVAL-CN0187-SDPZ und das Systemdemonstrationsplattform (SDP) Evaluation-Board EVAL-SDP-CB1Z zum Einsatz. Beide Boards verfügen über 120-polige Anschlüsse und ermöglichen einen schnellen Aufbau sowie die schnelle Überprüfung der Leistungsfähigkeit der Schaltung.

Die Platine EVAL-CN0187-SDPZ enthält die zu evaluierende Schaltung, wie hier beschrieben. Das SDP-Evaluation-Board wird in Verbindung mit der CN0187 Evaluierungssoftware verwendet, um die Daten vom EVAL-CN0187-SDPZ Schaltungsboard zu erfassen.

Erforderliche Geräte

• PC mit USB-Port und Windows XP, Windows Vista (32 Bit) oder Windows 7 (32 Bit)
• Schaltungs-Evaluierungsboard EVAL-CN0187-SDPZ
• Evaluierungsboard EVAL-SDP-CB1Z SDP
• Evaluierungssoftware CN0187
• Versorgungsspannung: +6 V oder 6-V-Steckernetzteil
• HF-Signalquelle
• Koaxial-HF-Kabel mit SMA-Steckern

Erste Schritte

Laden der Evaluierungssoftware. Dazu wird die CD mit der Evaluierungssoftware in das PC-Laufwerk eingelegt und die Read-me-Datei, in der die Installation und die Verwendung der Evaluierungssoftware beschrieben sind, geöffnet.

Blockdiagramm mit den Funktionen

Bild 1 und die pdf-Datei EVAL-CN0187-SDPZ-SCH zeigen das Blockdiagramm. Die pdf-Datei befindet sich im Design Support Package CN0187.

Aufbau

Zunächst wird der 120-polige Stecker am EVAL-CN0187-SDPZ Schaltungsboard mit dem mit „CON A” gekennzeichneten Anschluss des EVAL-SDP-CB1Z Evaluation (SDP) Boards verbunden. Um die beiden Boards gut zu sichern, sollte Nylon-Hardware verwendet werden. Dazu dienen die Bohrungen an den Enden des 120-poligen Steckers. Mit einem geeigneten HF-Kabel und dem SMA HF-Eingangsstecker wird die HF-Signalquelle an das EVAL-CN0187-SDPZ Board angeschlossen.

Bei ausgeschalteter Stromversorgung wird eine 6-V-Spannung an die mit „+6 V” und „GND” bezeichneten Pins am Board angeschlossen. Falls verfügbar kann ein 6-V-Steckernetzteil an die Buchse für Hohlstecker am Board angeschlossen und statt der 6-V-Versorgungsspannung verwendet werden. Jetzt wird das im Lieferumfang des SDP-Boards enthaltene USB-Kabel an den USB-Port des PCs gesteckt. Zu beachten ist, dass das USB-Kabel zu diesem Zeitpunkt nicht an den Mini-USB-Stecker am SDP-Board angeschlossen wird.

Test

Jetzt wird die am EVAL-CN0187-SDPZ Schaltungsboard angeschlossene 6-V-Stromversorgung (oder das Steckernetzteil) eingeschaltet. Anschließend wird die Evaluierungssoftware gestartet und der PC über das USB-Kabel an den USB Mini-Stecker des SDP-Boards angeschlossen. Die Software kann mit dem SDP-Board kommunizieren, falls der Treiber für die Analog Devices Systementwicklungsplattform im Device Manager gelistet ist. Sobald die USB-Kommunikation aufgebaut ist, lassen sich mit dem SDP-Board serielle Daten vom EVAL-CN0187-SDPZ Board senden, empfangen und erfassen.

Die Daten in diesem Beitrag wurden mit der Signalquelle SMT-03 RF von Rohde & Schwarz und der Stromversorgung E3631A von Agilent erzeugt. Die Signalquelle war auf den in den Kurven angegebenen Frequenzen eingestellt. Die Eingangsleistung wurde in Stufen durchlaufen und die Daten in 1-dB-Inkrementen aufgezeichnet.

Informationen und Einzelheiten über die Nutzung der Evaluierungssoftware zur Datenerfassung befinden sich in der ReadMe-Datei der CN0187 Evaluierungssoftware. Informationen über das SDP-Board enthält der SDP User Guide.

Der Autor:  James Fitzgerald, Analog Devices.