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Schlierner – Fotolia

Der einkanalige LTC5582 und der zweikanalige LTC5583 bilden eine Mittelwertdetektorfamilie die eine sehr gute Temperaturstabilität (zwischen -40 °C und +85 °C) bei allen Frequenzen bis zu 10 GHz für den LTC5582 beziehungsweise 6 GHz für den LTC4483 aufweist. Ihre Temperaturkoeffizienten variieren jedoch mit der Frequenz, weshalb der Temperaturfehler ohne Temperaturkompensation auf über 0,5 dB ansteigen kann.

Optimierung der Temperaturkompensation

Deshalb ist es manchmal nötig, die Temperaturkompensation bei unterschiedlichen Frequenzen zu optimieren, um den Fehler auf unter 0,5 dB zu begrenzen. Zusätzlich kann die Temperaturkompensation mit nur zwei externen Ausgangswiderständen implementiert werden, ohne dass weitere externe Komponenten erforderlich sind. Die Änderung der Ausgangsspannung wird von folgender Formel beschrieben:

Delta-Vout=TC1*(TA-tNOM) + TC2*(TA-tNOM)2+detV1+detV2 (Formel 1)
Wobei TC1 und TC2 die Temperaturkoeffizienten 1er und 2ter Ordnung sind. TA ist die momentane Umgebungstemperatur und tNOM als Bezugstemperatur die Raumtemperatur von 25 °C. V1 und detV2 sind die Änderungen der Ausgangsspannung, wenn RT1 und RT2 nicht auf Null gesetzt sind.

Bild 2: Vereinfachte Schaltung der Pins RP1 und RP2.

Bild 2: Vereinfachte Schaltung der Pins RP1 und RP2.

Bild 3: Vereinfachte Schaltung der Pins RT1 und RT2.

Bild 3: Vereinfachte Schaltung der Pins RT1 und RT2.

Die Methode zur Berechnung der Widerstandswerte für die Temperaturkompensation ist für beide Bausteine LTC3382 und LTC5583 die gleiche (Bilder 2 und 3). Die beiden Control-Pins sind RT1, der TC1 (der Koeffizient 1er Ordnung der Temperaturkompensation) und RT2, der TC2 (der Koeffizient 2ter Ordnung der Temperaturkompensation) einstellt. Das Kurzschließen von RT1 und RT2 schaltet die Temperaturkompensation ab, wenn sie nicht benötigt wird.

Die Auslegung der Temperaturkompensation des LTC5583

Der LTC5583 besitzt zwei zusätzliche Pins, und zwar RP1, der die Polarität von TC1 steuert und RP2, der die Polarität von TC2 steuert. Der Betrag der Temperaturkoeffizienten ist jedoch mit einem bestimmten Wert von RT1 oder RT2 derselbe, nur die Polarität dreht sich um. Beide Kanäle A und B teilen sich die Kompensationsschaltung; deshalb werden auch beide Kanäle zusammen gesteuert.

Bild 1:  1ste Ordnung Delta-Vout gegen die Temperatur aufgetragen.

Bild 1: 1ste Ordnung Delta-Vout gegen die Temperatur aufgetragen.Alle Bilder Linear Technology

Bild 1 zeigt die Änderung von Vout als eine Funktion de Temperatur mit der Temperaturkompensation 1er Ordnung. Es sind nur drei Widerstandswerte angegeben, um zu illustrieren, dass steigende Widerstandswerte auch ein Ansteigen des Wertes der Flanke hervorrufen. Die Polarität dieser Flanke wird über den RP1-Pin gesteuert.

Bild 4:  2te Ordnung Delta-Vout gegen die Temperatur aufgetragen.

Bild 4: 2te Ordnung Delta-Vout gegen die Temperatur aufgetragen.

Bild 4 illustriert die Auswirkung der Temperaturkompensation 2ter Ordnung auf Vout. Die Polarität der Kurven wird von RP2 gesteuert. Die Krümmung hängt von den Widerstandswerten ab. Die Auswirkung insgesamt ist die Summe der Temperaturkompensation 1er und 2ter Ordnung wie in Formel 1 angegeben. Als Beispiel dient ein LTC5583 mit 900 MHz Eingangsfrequenz. Der erste Schritt ist, Vout ohne Kompensation über die Temperatur zu messen.

Bild 5: Unkompensierter LTC5583 bei 900 MHz.

Bild 5: Unkompensierter LTC5583 bei 900 MHz.

Bild 5 zeigt die nicht kompensierte Vout. Der Linearitätsfehler bei Temperaturänderungen wird auf die Flanke (slope) und den Schnittpunkt bei 25 °C bezogen. Um die Schwankung der Ausgangsspannung bei einer Temperaturänderung zu minimieren, muss die Linearitätskurve in Rot (85 °C) nach unten verschoben werden, und die Linearitätskurve in Blau (-40 °C) nach oben, um mit der Raumtemperatur in Schwarz mit soviel Überlappung wie möglich überein zu stimmen. Was folgt ist eine schrittweise Entwicklungsprozedur.

Schritt 1: Bestimmen der erforderlichen Temperaturkompensation in dB aus Bild 5. Dazu liest man das Diagramm bei einer Eingangsleistung von -25 dBm, was in der Mitte des Dynamikbereichs liegt, und multipliziert den Linearitätsfehler in dB mit 30 mV/dB (typische Vout-Flanke) um ihn in mV anzugeben.
Kalt (-40 °C) = +13 mV oder +0,43 dB
Heiß (+85 °C) = -20 mV oder -0,6 dB
Dies ist der Betrag in dm um den die Ausgangsspannung bei Temperaturänderung justiert werden muss.

Schritt 2: Bestimmen der Polarität von RP1 und RP2 und der Lösungen (Solutions) für die Temperaturkompensation 1er und 2ter Ordnung. Um diese Lösungen zu finden, setzt man a = Wert 1er Ordnung und b = Wert 2ter Ordnung. Richtet man sie ein so führen sie die Temperaturkompensation bei -40 °C und 85 °C durch.
a – b = + 13 mV (Formel 2)
a – b = – 20 mV (Formel 3)
a = 16,5 (Lösung 1er Ordnung)
b = 3,5 (Lösung 2ter Ordnung)
Die Polarität von a und b in den Formeln 2 und 3 wird von der Polarität des Werts 1en und 2ten Ordnung bestimmt, so dass ihre Summe den Betrag + 13 mV bei Kälte (-40 °C) und -20 mV bei Hitze (85 °C) der Einstellung erzielt. Siehe dazu auch Bild 6.

Bild 6: Polarität der Lösungen 1ster und 2ter Ordnung.

Bild 6: Polarität der Lösungen 1ster und 2ter Ordnung.

Die Terme 1er Ordnung und 2ter Ordnung können entweder positiv oder negativ sein, so dass es insgesamt vier mögliche Kombinationen gibt, aber nur im Falle, wenn beide Terme negativ sind, wird ihre Summe der erforderlichen Kompensation genügen.

Bild 7: Lösungen für die Temperaturkompensierung.

Bild 7: Lösungen für die Temperaturkompensierung.

Bild 7 zeigt die bei -40 °C und +85 °C erforderliche Kompensation 1er und 2ter Ordnung. Man beachte, dass die Polarität sowohl der Kompensation 1er als auch 2ter Ordnung negativ ist, so dass, wenn beide Kurven addiert werden, ihre Summe die erforderliche Justierung für Vout erzeugt. Deshalb sind TC1 und TC2 negativ und RP1 und RP2 werden wie in den Bildern 8 und 9 dargestellt, bestimmt. Man beachte, dass sich die Werte der beiden Lösungen zu etwa +13 mV bei -40 °C und -20 mV bei +85 °C aufsummieren.
RP1 = offen
RP2 = kurzgeschlossen

Schritt 3: Berechnen des Temperaturkoeffizienten bei einem der beiden Temperaturextremwerte und bestimmen der Widerstandswerte RT1 und RT2 unter Einbeziehen der Bilder 8 und 9.
A = 16,5 = RT1 * (85 – 25); TC1 = 0,275 mV/°C
RT1=11 kOhm (aus Bild 8)

Bild 8: Temperaturkompensationskoeffizient 1st Ordnung, TC1, gegen externe RT1-Werte.

Bild 8: Temperaturkompensationskoeffizient 1st Ordnung, TC1, gegen externe RT1-Werte.

B = 3,5 = TC2 * (85 – 25)²; TC2 = 0,972 µV/°C²
RT2 = 499 Ohm (aus Bild 9).

Bild 9: Temperaturkompensationkoeffizient 2ter Ordnung, TC2, gegen externe RT2-Werte.

Bild 9: Temperaturkompensationkoeffizient 2ter Ordnung, TC2, gegen externe RT2-Werte.

Bild 10: Kompensierter LTC5583-Ausgang nach der ersten Iteration.

Bild 10: Kompensierter LTC5583-Ausgang nach der ersten Iteration.

Bild 10 zeigt die Stabilität des LTC5583 über die Temperatur für einen der beiden Ausgangskanäle. Man beachte die Verbesserung in der Temperaturstabilität im Vergleich zum unkompensierten Vout aus Bild 5. Dies kann für die meisten Applikationen bereits ausreichend sein. In einigen Anwendungen jedoch, in denen eine höhere Genauigkeit erforderlich ist, kann eine zweite Iteration durchgeführt werden, um die Temperaturstabilität weiter zu verbessern. Um die Berechnung zu vereinfachen, werden die Ausdrücke detV1 und detV2 ignoriert, weil sie nicht temperaturabhängig sind. Daraus folgt aber, dass die Werte nicht präzise sind. Dies ist jedoch hilfreich zur Verbesserung der Genauigkeit, wie hier gezeigt.

Berechnung der 2ten Iteration

Schritt 4: Finde die erforderliche Kompensation aus Bild 10, auf die gleiche Weise wie im vorherigen Schritt 1 gezeigt.
Kalt (-40 °C) = 3 mV oder -0,1 dB
Heiß (+85 °C) = -3 mV oder -0,1 dB
Addiere die neuen Werte zur ersten Iteration
Kalt (-40 °C) = -3 mV + 13 mV = 10 mV
Heiß (+85 °C) = -3 mV – 20 V = -23 mV
Wiederhole die Schritte 2 und 3, um die Werte von RT1 und RT2 zu berechnen.
RT1 = 11 kOhm
RT2 = 953 Ohm
RP1 = offen
RP2 = kurz geschlossen
Die Stabilitätsergebnisse nach zwei Iterationen sind in Bild 11 dargestellt.

Bild 11: Temperaturkompensierte Vout nach der zweiten Iteration.

Bild 11: Temperaturkompensierte Vout nach der zweiten Iteration.

Über die Temperatur ist der Dynamikbereich 50 dB mit 0,2 dB Linearitätsfehler bzw. 56 dB mit 1,0 dB Linearitätsfehler. In Tabelle 1 findet man weitere Werte für die Temperaturkompensation bei anderen Frequenzen. Dieser Iterationsprozess kann wiederholt werden, um die Genauigkeit weiter zu erhöhen. Dies ermöglicht es die Kompensation so genau wie nötig zu wählen.

Einkanal-Detektor LTC3382

Die Methode die Kompensationswerte des LTC582 für RT1 and RT2 zu berechnen ist die gleiche, nur einfacher, weil die Polarität bereits vorbestimmt ist. Sowohl TC1 als auch TC2 sind negativ und es ergeben sich andere Werte für RT1RT1 und RT2. (sb)