Bild 1: Hochfrequenz-Detektor mit Schottky-Diode.

Bild 1: Hochfrequenz-Detektor mit Schottky-Diode. Analog Devices

Integrierte Hochfrequenz- und Mikrowellendetektoren bieten zahlreiche Vorteile gegenüber diskreten Implementierungen. Eine integrierte Temperaturkompensationsschaltung bietet eine Out-of-the-Box Ausgangsspannung, die über einen großen Temperaturbereich auf etwa ±0,5 dB stabil ist. Doch zunächst zu den diskrete Dioden-basierten Detektoren.

Diskrete Dioden-basierte Detektoren

Bild 1 zeigt die Schaltung eines Hochfrequenz-Detektors mit einer Diode. Diesen Schaltkreis kann man sich als einfachen Halbwellengleichrichter mit Ausgangsfilter vorstellen. Die positiven Halbwellen des Eingangssignals spannen die Schottky-Diode, die den Kondensator lädt, in Vorwärtsrichtung vor. Bei der negativen Halbwelle verursachen die Vorspannungen in Sperrrichtung der Diode, dass die Spannung am Kondensator gehalten wird und eine zum Eingangssignal proportionale Ausgangsgleichspannung entsteht. Damit diese Spannung abfallen kann, sobald das Eingangssignal sinkt oder abgeschaltet wird, enthält die Schaltung als Entladungspfad einen Widerstand parallel zum Kondensator.

Bild 2 zeigt die Übertragungsfunktion der Schaltung. Die Eingangsleistung ist in dB und die Ausgangsspannung logarithmisch aufgetragen. Bei der Übertragungsfunktion für 25 °C erkennt man zwei verschiedene Betriebsbereiche. Der sogenannte lineare Bereich erstreckt sich vom oberen Ende des Eingangsbereichs (etwa +15 dBm) bis hinunter auf ungefähr 0 dBm. Der Begriff Linearbereich leitet sich von der Tatsache ab, dass die Ausgangsspannung in diesem Bereich annähernd proportional zur Eingangsspannung ist. Unter 0 dBm beginnt der quadratische Bereich (Square-Law Region). In diesem Bereich ist die Ausgangsspannung ungefähr proportional zum Quadrat der Eingangsspannung. Daraus ergibt sich ein steilerer Anstieg der Kurve. Bild 2 zeigt auch die Ausgangsspannung gegenüber der Übertragungsfunktion der Eingangsleistung der Schaltung bei Temperaturen von -40 °C und +85 °C. Zu sehen sind signifikante Abweichungen bei Leistungen unter 0 dBm. Dies macht das Bauteil ungeeignet für Anwendungen mit großen Temperaturschwankungen.

Bild 2: Übertragungsfunktion eines Hochfrequenz-Detektors mit Schottky-Diode.

Bild 2: Übertragungsfunktion eines Hochfrequenz-Detektors mit Schottky-Diode. Analog Devices

Es gibt Techniken, mit denen sich die Temperaturdrift abmildern lässt. Diese beinhalten die Einbindung einer zweiten Referenzdiode entweder als Teil der Schaltung, oder als Stand-alone-Schaltung mit eigenem Ausgang. Die Temperaturdrift der Referenzdiode stimmt mit der Temperaturabweichung der primären Diode überein. Durch Subtraktion (je nach Schaltungsstruktur entweder im analogen oder im digitalen Bereich) lässt sich ein gewisses Maß an Drift-Unterdrückung erreichen.

Bild 3 zeigt die Übertragungsfunktion eines integrierten Detektors mit Schottky-Diode bei 25 GHz, der eine Reihe von neuartigen Leistungsmerkmalen aufweist. Als Teil der Signalverarbeitung durchläuft das Eingangssignal eine Schaltung, die eine Wurzelfunktion nur bei Signalen unter einem bestimmten Leistungspegel durchführt. Der Übergangspunkt ist bewusst so gesetzt, dass er dem Leistungspegel entspricht, bei dem die Diode vom quadratischen in den linearen Bereich wechselt. Infolgedessen wird der quadratische Einfluss der Diode unterdrückt und es gibt keine Spur der Zwei-Regionen-Übertragungsfunktion, die in Bild 1 offensichtlich ist. Bild 3 zeigt den Verlauf der Übertragungsfunktion bei verschiedenen Temperaturen von bis -55 bis +125 °C. Auch die Abweichung der Übertragungsfunktion gegenüber der Temperatur ist aufgetragen. Mithilfe der linearen Regression der Übertragungsfunktion für 25 °C als Referenz ist der Fehler bei jeder Temperatur in dB aufgetragen. Als Resultat der integrierten Temperaturkompensationsschaltung und der Schaltung zur Auslöschung des quadratischen Bereichs sieht man Fehler infolge von Linearitäts- und Temperaturdrift von etwa ±0,5 dB über den Großteil des Eingangsbereichs.

Bild 3: Ausgangsspannung gegenüber Eingangsleistung und Linearitätsfehler des integrierten Schottky-Dioden-Detektors ADL6010 bei 25 GHz.

Bild 3: Ausgangsspannung gegenüber Eingangsleistung und Linearitätsfehler des integrierten Schottky-Dioden-Detektors ADL6010 bei 25 GHz. Analog Devices

A/D-Wandler-Anbindung zur Leistungsdetektion

Während Hochfrequenz- und Mikrowellendetektoren gelegentlich in analogen Power-Control-Schleifen eingesetzt werden, ist der Aufbau einer digitalen Power-Control-Schleife nach Bild 4 üblicher. In diesen Applikationen wird der Ausgang des Leistungsdetektors mit einem Analog/Digital-Wandler digitalisiert. Im digitalen Bereich wird der Leistungspegel mithilfe von Code des A/D-Wandlers berechnet. Sobald der Leistungspegel bekannt ist, wird das System reagieren, indem es, falls erforderlich, die übertragene Leistung anpasst.

Während die Reaktionszeit der Schleife in geringem Maß von der Reaktionszeit des Detektors abhängt, haben die Abtastrate des A/D-Wandlers und die Geschwindigkeit des Power-Control-Algorithmus einen weitaus größeren Einfluss. Die Fähigkeit der Schleife, den Hochfrequenz-Leistungspegel zu messen und genau einzustellen, wird durch eine Reihe von Faktoren, darunter die Übertragungsfunktion des Hochfrequenz-Detektors und die Auflösung des A/D-Wandler, beeinträchtigt. Zum besseren Verständnis dient eine genauere Betrachtung des Verhaltens des Detektors.

Bild 5 vergleicht die Reaktion eines Detektors mit Diode bei 20 GHz mit einem logarithmischen Mikrowellenverstärker (Log-Amp). Die Übertragungsfunktion des Log-Amp verläuft linear-in-dB. Dabei bewirkt eine Änderung der Eingangsleistung um 1 dB stets die gleiche Spannungsänderung am Ausgang (über den linearen Eingangsbereich von etwa -50 bis 0 dBm). Im Gegensatz dazu hat ein Dioden-basierter Detektor wie der ADL6010 eine Übertragungsfunktion, die exponentiell erscheint, wenn eine dB-Skala auf der horizontalen Achse und eine lineare vertikale Achse als Ausgangsspannung benutzt werden. Da Analog/Digital-Wandler eine Übertragungsfunktion haben, die in Bit/V eingeteilt ist, bedeutet dies, dass die Systemauflösung hinsichtlich dB/Bit mit sinkender Eingangsleistung kontinuierlich abfällt. Bild 5 zeigt auch, dass die Bit/dB-Auflösung, die erreicht werden könnte, wenn der Dioden-Detektor einen 12-Bit-A/D-Wandler mit einer Full-Scale-Spannung von 5 V treiben würde (dieser Plot ist auf einer logarithmischen sekundären Achse zur einfachen Betrachtung aufgetragen). Am unteren Ende des Leistungsbereichs, etwa bei -25 dBm, wäre die inkrementelle Steigung etwa 2 Bit/dB, woraus eine Auflösung von ungefähr 0,5 dB/Bit resultiert. Dies legt nahe, dass ein 12-Bit-A/D-Wandler ausreicht, um den Ausgang des ADL6010 über seinen gesamten Bereich exakt aufzulösen.

Bild 4: Typische digital gesteuerte Hochfrequenz-Power-Control-Schleife.

Bild 4: Typische digital gesteuerte Hochfrequenz-Power-Control-Schleife. Analog Devices

Mit steigender Hochfrequenz-Eingangsleistung erhöht sich die inkrementelle Steigung in Bit/dB stetig bis auf maximal etwa 300 Bit/dB bei der maximalen Eingangsleistung von +15 dBm. Dies ist in Hochfrequenz-Power-Control-Applikationen nützlich, wo Genauigkeit am wichtigsten ist, wenn sich das System an seiner Maximalleistung befindet. Dies ist ein sehr typisches Szenario in Applikationen, wo Hochfrequenz-Detektoren verwendet werden, um die Leistung eines HPA (High Power Amplifier) zu messen und zu steuern. In Applikationen, bei denen die Leistung oft gesteuert wird, um zu verhindern, dass der HPA überhitzt, ist eine hochauflösende Leistungsmessung bei Maximalleistung von großem Wert. Im Gegensatz dazu zeigt die Übertragungsfunktion des Log-Amps in Bild 5 auch, dass sie eine konstante Steigung über den linearen Betriebsbereich hat. Dies lässt darauf schließen, dass ein A/D-Wandler mit niedrigerer Auflösung (10 Bit oder möglicherweise selbst 8 Bit) angemessen wäre, um eine Auflösung von weit unter 1dB zu erreichen.

Bild 6 zeigt eine Applikationsschaltung, bei der der Dioden-Detektor an einen 12-Bit-Präzisions-A/D-Wandler angeschlossen ist, der mit bis zu 1 MSample/s abtasten kann. Der A/D-Wandler hat eine interne 2,5-V-Referenz, die die Full-Scale-Eingangsspannung festlegt. Da der Dioden-Detektor eine maximale Spannung von ungefähr 4,25 V erreichen kann, wird ein einfacher Widerstandsteiler verwendet, um diese Spannung herunter zu skalieren, damit sie 2,5 V nicht übersteigt. Diese Skalierung lässt sich ohne einen OpAmp-Puffer implementieren.

Bild 5: Vergleich des Linear-in-dB-Verhaltens: ADL6010, Dioden-basierter Detektor, gegenüber dem Log-Amp HMC1094.

Bild 5: Vergleich des Linear-in-dB-Verhaltens: ADL6010, Dioden-basierter Detektor, gegenüber dem Log-Amp HMC1094. Analog Devices

Schlussbemerkung

Die Nutzung einer internen Wurzelfunktion eliminiert auf effiziente Weise die quadratische Charakteristik bei niedrigen Leistungspegeln am Eingang. Daraus ergibt sich eine einzige lineare Übertragungsfunktion, was die Kalibrierung erleichtert. Der gepufferte Ausgang des integrierten Detektors kann A/D-Wandler direkt treiben und zwar ohne Bedenken, dass die Belastung die Rechengenauigkeit beeinträchtigt. Die Wahl und die Dimensionierung des A/D-Wandlers müssen sorgfältig erfolgen, damit adäquate Bit/dB bei niedrigen Eingangsleistungen erreicht werden können.

ECKDATEN

Wegen ihrer grundlegenden Gleichrichter-Charakteristik werden Dioden schon sehr lange zur Erzeugung von Gleichspannungen verwendet, die proportional zu Wechselspannungs- und Hochfrequenz-Signalpegeln sind. Dieser Artikel vergleicht die Leistungsdaten von Dioden-basierten Hochfrequenz- und Mikrowellen-Detektoren mit IC-Alternativen. Der Themenkreis umfasst die Linearität der Übertragungsfunktion, die Temperaturstabilität sowie den Anschluss von A/D-Wandlern.

Bild 6: Anschluss eines integrierten Mikrowellen-Leistungsdetektors an einen Präzisions-A/D-Wandler.

Bild 6: Anschluss eines integrierten Mikrowellen-Leistungsdetektors an einen Präzisions-A/D-Wandler. Analog Devices