參考源自動(dòng)切換電路設(shè)計(jì)范文

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摘要

介紹了采用對(duì)數(shù)放大器檢測(cè)功率法設(shè)計(jì)了一種基于AD8306的參考源自動(dòng)切換電路，該電路具有自動(dòng)切換、閾值可控、動(dòng)態(tài)范圍大、精度高等優(yōu)點(diǎn)。通過電路測(cè)試得到閾值設(shè)定的動(dòng)態(tài)范圍最高可達(dá)100dB，識(shí)別精度高達(dá)±0.4dB，能較好地滿足工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞

參考源;AD8306;對(duì)數(shù)放大器檢測(cè)功率法;自動(dòng)切換;大動(dòng)態(tài)范圍

在電子系統(tǒng)中，采用頻率合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)的合成頻率源有著重要地位。頻率合成技術(shù)是指由一個(gè)或幾個(gè)參考基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生出一個(gè)或多個(gè)新頻率的過程［1］。通常稱參考基準(zhǔn)頻率為參考源，常見的合成頻率源都有內(nèi)置參考源。隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可切換內(nèi)外參考源的頻率源，相較于只有內(nèi)置參考源頻率源，此類頻率源可切換外部提供的參考源，使得頻率源性能多樣化，適用于更多的應(yīng)用場(chǎng)合。本文以亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司(ADI)的AD8306高精度對(duì)數(shù)放大器為核心，設(shè)計(jì)了基于功率檢測(cè)的參考源自動(dòng)切換電路，該電路具有自動(dòng)切換、閾值可控、動(dòng)態(tài)范圍大、精度高等特點(diǎn)。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于AD8306的參考源自動(dòng)切換電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，外部參考源的信號(hào)通過功率分配，將信號(hào)分成兩部分。一部分信號(hào)通過功率補(bǔ)償后傳輸?shù)角袚Q開關(guān)。另一部分信號(hào)用于功率強(qiáng)度檢測(cè)，功率強(qiáng)度檢測(cè)后得到的強(qiáng)度指示用于邏輯處理。可在邏輯處理中設(shè)置信號(hào)強(qiáng)度的閾值，當(dāng)檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度大于預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，指示開關(guān)切換到外部參考源;反之，則切換到內(nèi)部參考源。從而實(shí)現(xiàn)參考源的自動(dòng)切換。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的參考源自動(dòng)切換電路的基本原理如圖2所示［2］。

2.1功率分配單元功率分配單元實(shí)現(xiàn)外部參考源信號(hào)的一分二傳輸，一路信號(hào)傳輸功率檢測(cè)單元，用于信號(hào)功率強(qiáng)度的檢測(cè)，另一路傳輸?shù)焦β恃a(bǔ)償單元。如圖2所示，設(shè)計(jì)采用電阻Y型連接實(shí)現(xiàn)［3］。該電路結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，布局面積小及適用頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)。可以看出，信號(hào)從端口1傳輸?shù)蕉丝?或端口3，會(huì)產(chǎn)生近6.02dB的損耗，這是電阻Y型連接電路自身存在損耗大的缺點(diǎn)。

2.2功率補(bǔ)償單元電阻Y型連接會(huì)帶來較大的損耗，為防止外部參考源信號(hào)在通過本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)切換電路時(shí)，損耗過大，需要進(jìn)行功率補(bǔ)償。如圖2所示，設(shè)計(jì)采用HittiteMicrowave公司的放大器HMC311SC70［4］來補(bǔ)償該部分損耗。常用的參考源頻率為10～100MHz，該頻率范圍涵蓋了多個(gè)倍頻程，需要進(jìn)行阻抗匹配，確保本文設(shè)計(jì)的電路能實(shí)現(xiàn)該頻率范圍的最大功率傳輸。使用仿真軟件AdvancedDesignSystem(ADS)進(jìn)行阻抗匹配仿真［5］，圖4所示為仿真電路及匹配后的S21和S11。如圖4所示，阻抗匹配后，可確保外部參考源通過放大器HMC311SC70后，達(dá)到近15dB的增益，在放大器后，增加一個(gè)9dB的π型電阻衰減器，即可達(dá)到對(duì)電阻Y型連接結(jié)構(gòu)會(huì)帶來6dB損耗的補(bǔ)償。此外，放大器HMC311SC70除了起到補(bǔ)償作用，還可抑制內(nèi)部參考源到功率檢測(cè)單元的泄漏，防止內(nèi)部參考源通過開關(guān)泄漏到功率分配單元，進(jìn)而進(jìn)入到功率檢測(cè)單元，干擾了AD8306對(duì)外部參考源的功率檢測(cè)。

2.3功率檢測(cè)單元功率檢測(cè)單元實(shí)現(xiàn)信號(hào)的功率檢測(cè)，將接收到的信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。常見的功率檢測(cè)方法有:利用二極管檢測(cè)功率法、等效熱功耗檢測(cè)法、真有效值/直流轉(zhuǎn)換檢測(cè)功率法、對(duì)數(shù)放大器檢測(cè)功率法［6］。設(shè)計(jì)采用對(duì)數(shù)放大器檢測(cè)功率法，對(duì)數(shù)放大器檢測(cè)法采用多級(jí)對(duì)數(shù)放大器級(jí)聯(lián)，各級(jí)對(duì)數(shù)放大器的輸出經(jīng)過檢波器送到求和器，求和輸出后經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。該方法具有精度高、動(dòng)態(tài)范圍大、溫度穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)［7］。如圖2所示，設(shè)計(jì)以亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)有限公司的AD8306［8］高精度對(duì)數(shù)放大器為核心來設(shè)計(jì)功率檢測(cè)電路。AD8306是16引腳SO－16封裝的，頻率達(dá)400MHz高精度中頻限幅對(duì)數(shù)放大器。該對(duì)數(shù)放大器能提供100dB的動(dòng)態(tài)范圍，使用簡(jiǎn)單，只需少數(shù)外部元件，支持2.7～6.5V，16mA單電源供電，3V時(shí)功耗僅為50mW。AD8306主要由6個(gè)放大器級(jí)聯(lián)組成，每級(jí)具有12dB的小信號(hào)增益和850MHz的－3dB帶寬。每級(jí)放大器后包含一個(gè)檢波器，以及寬帶衰減器后包含的4個(gè)檢波器，共10個(gè)檢波器。對(duì)10個(gè)檢波器輸出的差分電流求和，經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換單元形成對(duì)數(shù)輸出電壓。該器件信號(hào)輸入端口為INHI和INLO，內(nèi)部阻抗為1000Ω，支持非平衡信號(hào)輸入或平衡信號(hào)輸入。如圖2所示，本文的設(shè)計(jì)采用非平衡信號(hào)輸入，整個(gè)電路的特征阻抗設(shè)計(jì)為50Ω，因此需進(jìn)行輸入端口的阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)方法為在INHI管腳和INLO間并聯(lián)阻值為51Ω的電阻，讓INHI管腳對(duì)輸入信號(hào)呈現(xiàn)為近50Ω的阻抗。設(shè)計(jì)并未使用AD8306的限幅輸出功能，需將LMDR開路，將LMHI、LMLO與VPS2相連接，這樣才使限幅放大器處于關(guān)斷狀態(tài)。這樣，AD8306會(huì)檢測(cè)INHI管腳的輸入信號(hào)，在VLOG輸出一個(gè)表征信號(hào)強(qiáng)度大小的直流電壓。圖5所示為AD8306檢測(cè)功率的特征曲線及誤差曲線。從特征曲線中可看出，其動(dòng)態(tài)范圍最高可達(dá)100dB。在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，輸出電壓與輸入功率呈線性關(guān)系，功率檢測(cè)的誤差在±0.4dB以內(nèi)。延長(zhǎng)特征曲線的線性部分，可得曲線斜率約為20mV/dB，橫坐標(biāo)截距約為－95dBm，可得出如式(2)所示的AD8306功率檢測(cè)傳遞函數(shù)。

2.4邏輯處理單元邏輯處理單元實(shí)現(xiàn)功率檢測(cè)的輸出電壓Vout與預(yù)設(shè)閾值Vth的比較。如圖2所示，邏輯處理單元采用美國(guó)德州儀器公司的電壓比較器LM393［9］實(shí)現(xiàn)。LM393內(nèi)部集成兩個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，具備工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，消耗電流小，輸入失調(diào)電壓小，輸出與TTL、DTL、MOS、COMS兼容等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)中，功率檢測(cè)單元的輸出Vout直接輸入比較器的2IN－管腳，2IN+管腳作為閾值電壓Vth輸入管腳，接電位器3296W的輸出端，該電位器輸入端接+5V，通過外部機(jī)械調(diào)諧電位器3296W的調(diào)諧位，實(shí)現(xiàn)電阻不同的分壓比，即可實(shí)現(xiàn)閾值電壓Vth的設(shè)置，通過外部更改閾值電壓Vth，提高了本文設(shè)計(jì)的電路的適用性。

2.5切換開關(guān)單元切換開關(guān)單元根據(jù)邏輯處理單元的輸出結(jié)果，切換到不同的參考源，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外參考源的切換。如圖2所示，本文采用HMC849ALP4CE［10］作為切換開關(guān)，該開關(guān)器件的輸入輸出間隔離度高達(dá)60dB，防止輸入輸出間的信號(hào)泄漏，可更好地保證本文的設(shè)計(jì)電路輸出的參考源信號(hào)的純凈性。LM393的輸出結(jié)果連接到HMC849ALP4CE的VCT，作為開關(guān)切換的控制信號(hào)。功率補(bǔ)償單元的輸出連接到HMC849ALP4CE的RF2管腳;內(nèi)部參考源通過隔直電容連接到HMC849ALP4CE的RF1管腳，HMC849ALP4CE的RFC直接對(duì)外輸出。因此，當(dāng)外部參考源輸入功率大于閾值時(shí)，HMC849ALP4CE的RFC會(huì)連通RF2管腳，即輸出外部參考源信號(hào)。

3測(cè)試結(jié)果

設(shè)定一個(gè)閾值，輸入內(nèi)部參考源與外部參考源，將外部參考源從低于設(shè)定閾值的強(qiáng)度逐步增加到大于閾值的強(qiáng)度，即時(shí)檢測(cè)頻率源參考自動(dòng)切換電路輸出端的信號(hào)為何種參考源，即可驗(yàn)證該電路的功能。預(yù)設(shè)信號(hào)強(qiáng)度閾值，內(nèi)部參考源輸入端REFin輸入100MHz頻率信號(hào)，外部參考源輸入端REFex輸入50MHz頻率信號(hào)，改變外部參考源的輸入功率REFex，檢測(cè)參考源輸出端REF的信號(hào)為哪個(gè)信號(hào)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。 從表2可以看出，本文設(shè)計(jì)的電路可外部設(shè)定閾值，且當(dāng)外部輸入強(qiáng)度大于預(yù)設(shè)強(qiáng)度閾值的信號(hào)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)從內(nèi)部參考源到外部參考源的自動(dòng)切換功能。

4結(jié)束語

基于AD8306設(shè)計(jì)了參考源自動(dòng)切換電路，可適用于頻率范圍在10～400MHz的參考源，切換閾值可由外部機(jī)械調(diào)諧設(shè)定，其閾值設(shè)定的動(dòng)態(tài)范圍最高可達(dá)100dB，識(shí)別精度高達(dá)±0.4dB。在實(shí)際工程中的合成頻率源設(shè)計(jì)上，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者：張慶重 胡詩錦 石玉 單位：電子科技大學(xué) 微電子與固體電子學(xué)院