參考源自動切換電路設計范文

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摘要

介紹了采用對數放大器檢測功率法設計了一種基于AD8306的參考源自動切換電路，該電路具有自動切換、閾值可控、動態范圍大、精度高等優點。通過電路測試得到閾值設定的動態范圍最高可達100dB，識別精度高達±0.4dB，能較好地滿足工程應用。

關鍵詞

參考源;AD8306;對數放大器檢測功率法;自動切換;大動態范圍

在電子系統中，采用頻率合成技術實現的合成頻率源有著重要地位。頻率合成技術是指由一個或幾個參考基準頻率產生出一個或多個新頻率的過程［1］。通常稱參考基準頻率為參考源，常見的合成頻率源都有內置參考源。隨著技術的發展，出現了可切換內外參考源的頻率源，相較于只有內置參考源頻率源，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，適用于更多的應用場合。本文以亞德諾半導體技術有限公司(ADI)的AD8306高精度對數放大器為核心，設計了基于功率檢測的參考源自動切換電路，該電路具有自動切換、閾值可控、動態范圍大、精度高等特點。

1系統結構

基于AD8306的參考源自動切換電路系統結構如圖1所示，外部參考源的信號通過功率分配，將信號分成兩部分。一部分信號通過功率補償后傳輸到切換開關。另一部分信號用于功率強度檢測，功率強度檢測后得到的強度指示用于邏輯處理。可在邏輯處理中設置信號強度的閾值，當檢測到的信號強度大于預設的閾值時，指示開關切換到外部參考源;反之，則切換到內部參考源。從而實現參考源的自動切換。

2系統硬件設計

本文設計的參考源自動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現外部參考源信號的一分二傳輸，一路信號傳輸功率檢測單元，用于信號功率強度的檢測，另一路傳輸到功率補償單元。如圖2所示，設計采用電阻Y型連接實現［3］。該電路結構具有設計簡單，布局面積小及適用頻帶寬等優點。可以看出，信號從端口1傳輸到端口2或端口3，會產生近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。

2.2功率補償單元電阻Y型連接會帶來較大的損耗，為防止外部參考源信號在通過本文設計的自動切換電路時，損耗過大，需要進行功率補償。如圖2所示，設計采用HittiteMicrowave公司的放大器HMC311SC70［4］來補償該部分損耗。常用的參考源頻率為10～100MHz，該頻率范圍涵蓋了多個倍頻程，需要進行阻抗匹配，確保本文設計的電路能實現該頻率范圍的最大功率傳輸。使用仿真軟件AdvancedDesignSystem(ADS)進行阻抗匹配仿真［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，達到近15dB的增益，在放大器后，增加一個9dB的π型電阻衰減器，即可達到對電阻Y型連接結構會帶來6dB損耗的補償。此外，放大器HMC311SC70除了起到補償作用，還可抑制內部參考源到功率檢測單元的泄漏，防止內部參考源通過開關泄漏到功率分配單元，進而進入到功率檢測單元，干擾了AD8306對外部參考源的功率檢測。

2.3功率檢測單元功率檢測單元實現信號的功率檢測，將接收到的信號強度轉換成電壓信號。常見的功率檢測方法有:利用二極管檢測功率法、等效熱功耗檢測法、真有效值/直流轉換檢測功率法、對數放大器檢測功率法［6］。設計采用對數放大器檢測功率法，對數放大器檢測法采用多級對數放大器級聯，各級對數放大器的輸出經過檢波器送到求和器，求和輸出后經過處理轉化成電壓信號。該方法具有精度高、動態范圍大、溫度穩定性好的優點［7］。如圖2所示，設計以亞德諾半導體技術有限公司的AD8306［8］高精度對數放大器為核心來設計功率檢測電路。AD8306是16引腳SO－16封裝的，頻率達400MHz高精度中頻限幅對數放大器。該對數放大器能提供100dB的動態范圍，使用簡單，只需少數外部元件，支持2.7～6.5V，16mA單電源供電，3V時功耗僅為50mW。AD8306主要由6個放大器級聯組成，每級具有12dB的小信號增益和850MHz的－3dB帶寬。每級放大器后包含一個檢波器，以及寬帶衰減器后包含的4個檢波器，共10個檢波器。對10個檢波器輸出的差分電流求和，經過電流/電壓轉換單元形成對數輸出電壓。該器件信號輸入端口為INHI和INLO，內部阻抗為1000Ω，支持非平衡信號輸入或平衡信號輸入。如圖2所示，本文的設計采用非平衡信號輸入，整個電路的特征阻抗設計為50Ω，因此需進行輸入端口的阻抗匹配，實現方法為在INHI管腳和INLO間并聯阻值為51Ω的電阻，讓INHI管腳對輸入信號呈現為近50Ω的阻抗。設計并未使用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斷狀態。這樣，AD8306會檢測INHI管腳的輸入信號，在VLOG輸出一個表征信號強度大小的直流電壓。圖5所示為AD8306檢測功率的特征曲線及誤差曲線。從特征曲線中可看出，其動態范圍最高可達100dB。在動態范圍內，輸出電壓與輸入功率呈線性關系，功率檢測的誤差在±0.4dB以內。延長特征曲線的線性部分，可得曲線斜率約為20mV/dB，橫坐標截距約為－95dBm，可得出如式(2)所示的AD8306功率檢測傳遞函數。

2.4邏輯處理單元邏輯處理單元實現功率檢測的輸出電壓Vout與預設閾值Vth的比較。如圖2所示，邏輯處理單元采用美國德州儀器公司的電壓比較器LM393［9］實現。LM393內部集成兩個獨立的電壓比較器，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，輸入失調電壓小，輸出與TTL、DTL、MOS、COMS兼容等優點。本文設計中，功率檢測單元的輸出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，通過外部機械調諧電位器3296W的調諧位，實現電阻不同的分壓比，即可實現閾值電壓Vth的設置，通過外部更改閾值電壓Vth，提高了本文設計的電路的適用性。

2.5切換開關單元切換開關單元根據邏輯處理單元的輸出結果，切換到不同的參考源，實現內外參考源的切換。如圖2所示，本文采用HMC849ALP4CE［10］作為切換開關，該開關器件的輸入輸出間隔離度高達60dB，防止輸入輸出間的信號泄漏，可更好地保證本文的設計電路輸出的參考源信號的純凈性。LM393的輸出結果連接到HMC849ALP4CE的VCT，作為開關切換的控制信號。功率補償單元的輸出連接到HMC849ALP4CE的RF2管腳;內部參考源通過隔直電容連接到HMC849ALP4CE的RF1管腳，HMC849ALP4CE的RFC直接對外輸出。因此，當外部參考源輸入功率大于閾值時，HMC849ALP4CE的RFC會連通RF2管腳，即輸出外部參考源信號。

3測試結果

設定一個閾值，輸入內部參考源與外部參考源，將外部參考源從低于設定閾值的強度逐步增加到大于閾值的強度，即時檢測頻率源參考自動切換電路輸出端的信號為何種參考源，即可驗證該電路的功能。預設信號強度閾值，內部參考源輸入端REFin輸入100MHz頻率信號，外部參考源輸入端REFex輸入50MHz頻率信號，改變外部參考源的輸入功率REFex，檢測參考源輸出端REF的信號為哪個信號。測試結果如表1所示。 從表2可以看出，本文設計的電路可外部設定閾值，且當外部輸入強度大于預設強度閾值的信號時，可實現從內部參考源到外部參考源的自動切換功能。

4結束語

基于AD8306設計了參考源自動切換電路，可適用于頻率范圍在10～400MHz的參考源，切換閾值可由外部機械調諧設定，其閾值設定的動態范圍最高可達100dB，識別精度高達±0.4dB。在實際工程中的合成頻率源設計上，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

［1］高樹廷，高峰，徐盛旺，等．合成頻率源工程分析與設計［M］．北京:兵器工業出版社，2008．

［2］PozarDM．微波工程［M］．3版．張肇儀，周樂柱，譯．北京:電子工業出版社，2008．

［3］胡翔駿．電路分析［M］．北京:高等教育出版社，2007．

［4］HittiteMicrowaveCorporation．HMC311SC70datasheet［M］．HWUSA:HittiteMicrowaveCorporation，2015．

［5］徐興福．ADS2008射頻電路設計與仿真實例［M］．北京:電子工業出版社，2009．

［6］沙占友，薛樹琦，安國臣．射頻功率測量技術及其應用［J］．電測與儀表，2005，42(8):9－11．

［7］高見芳，高金定，張建軍．基于對數檢測法的射頻功率測量電路設計［J］．現代電子技術，201134(19):130－132．

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［9］TexasInstruments．LM393datasheet［M］．TEXUSA:TexasInstruments，2013．

［10］HittiteMicrowaveCorporation．HMC849ALP4CEdatasheet［M］．HWUSA:HittiteMicrowaveCorporation

作者：張慶重 胡詩錦 石玉 單位：電子科技大學 微電子與固體電子學院