参考源自动切换电路设计范文

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摘要

介绍了采用对数放大器检测功率法设计了一种基于AD8306的参考源自动切换电路，该电路具有自动切换、阈值可控、动态范围大、精度高等优点。通过电路测试得到阈值设定的动态范围最高可达100dB，识别精度高达±0.4dB，能较好地满足工程应用。

关键词

参考源;AD8306;对数放大器检测功率法;自动切换;大动态范围

在电子系统中，采用频率合成技术实现的合成频率源有着重要地位。频率合成技术是指由一个或几个参考基准频率产生出一个或多个新频率的过程［1］。通常称参考基准频率为参考源，常见的合成频率源都有内置参考源。随着技术的发展，出现了可切换内外参考源的频率源，相较于只有内置参考源频率源，此类频率源可切换外部提供的参考源，使得频率源性能多样化，适用于更多的应用场合。本文以亚德诺半导体技术有限公司(ADI)的AD8306高精度对数放大器为核心，设计了基于功率检测的参考源自动切换电路，该电路具有自动切换、阈值可控、动态范围大、精度高等特点。

1系统结构

基于AD8306的参考源自动切换电路系统结构如图1所示，外部参考源的信号通过功率分配，将信号分成两部分。一部分信号通过功率补偿后传输到切换开关。另一部分信号用于功率强度检测，功率强度检测后得到的强度指示用于逻辑处理。可在逻辑处理中设置信号强度的阈值，当检测到的信号强度大于预设的阈值时，指示开关切换到外部参考源;反之，则切换到内部参考源。从而实现参考源的自动切换。

2系统硬件设计

本文设计的参考源自动切换电路的基本原理如图2所示［2］。

2.1功率分配单元功率分配单元实现外部参考源信号的一分二传输，一路信号传输功率检测单元，用于信号功率强度的检测，另一路传输到功率补偿单元。如图2所示，设计采用电阻Y型连接实现［3］。该电路结构具有设计简单，布局面积小及适用频带宽等优点。可以看出，信号从端口1传输到端口2或端口3，会产生近6.02dB的损耗，这是电阻Y型连接电路自身存在损耗大的缺点。

2.2功率补偿单元电阻Y型连接会带来较大的损耗，为防止外部参考源信号在通过本文设计的自动切换电路时，损耗过大，需要进行功率补偿。如图2所示，设计采用HittiteMicrowave公司的放大器HMC311SC70［4］来补偿该部分损耗。常用的参考源频率为10～100MHz，该频率范围涵盖了多个倍频程，需要进行阻抗匹配，确保本文设计的电路能实现该频率范围的最大功率传输。使用仿真软件AdvancedDesignSystem(ADS)进行阻抗匹配仿真［5］，图4所示为仿真电路及匹配后的S21和S11。如图4所示，阻抗匹配后，可确保外部参考源通过放大器HMC311SC70后，达到近15dB的增益，在放大器后，增加一个9dB的π型电阻衰减器，即可达到对电阻Y型连接结构会带来6dB损耗的补偿。此外，放大器HMC311SC70除了起到补偿作用，还可抑制内部参考源到功率检测单元的泄漏，防止内部参考源通过开关泄漏到功率分配单元，进而进入到功率检测单元，干扰了AD8306对外部参考源的功率检测。

2.3功率检测单元功率检测单元实现信号的功率检测，将接收到的信号强度转换成电压信号。常见的功率检测方法有:利用二极管检测功率法、等效热功耗检测法、真有效值/直流转换检测功率法、对数放大器检测功率法［6］。设计采用对数放大器检测功率法，对数放大器检测法采用多级对数放大器级联，各级对数放大器的输出经过检波器送到求和器，求和输出后经过处理转化成电压信号。该方法具有精度高、动态范围大、温度稳定性好的优点［7］。如图2所示，设计以亚德诺半导体技术有限公司的AD8306［8］高精度对数放大器为核心来设计功率检测电路。AD8306是16引脚SO－16封装的，频率达400MHz高精度中频限幅对数放大器。该对数放大器能提供100dB的动态范围，使用简单，只需少数外部元件，支持2.7～6.5V，16mA单电源供电，3V时功耗仅为50mW。AD8306主要由6个放大器级联组成，每级具有12dB的小信号增益和850MHz的－3dB带宽。每级放大器后包含一个检波器，以及宽带衰减器后包含的4个检波器，共10个检波器。对10个检波器输出的差分电流求和，经过电流/电压转换单元形成对数输出电压。该器件信号输入端口为INHI和INLO，内部阻抗为1000Ω，支持非平衡信号输入或平衡信号输入。如图2所示，本文的设计采用非平衡信号输入，整个电路的特征阻抗设计为50Ω，因此需进行输入端口的阻抗匹配，实现方法为在INHI管脚和INLO间并联阻值为51Ω的电阻，让INHI管脚对输入信号呈现为近50Ω的阻抗。设计并未使用AD8306的限幅输出功能，需将LMDR开路，将LMHI、LMLO与VPS2相连接，这样才使限幅放大器处于关断状态。这样，AD8306会检测INHI管脚的输入信号，在VLOG输出一个表征信号强度大小的直流电压。图5所示为AD8306检测功率的特征曲线及误差曲线。从特征曲线中可看出，其动态范围最高可达100dB。在动态范围内，输出电压与输入功率呈线性关系，功率检测的误差在±0.4dB以内。延长特征曲线的线性部分，可得曲线斜率约为20mV/dB，横坐标截距约为－95dBm，可得出如式(2)所示的AD8306功率检测传递函数。

2.4逻辑处理单元逻辑处理单元实现功率检测的输出电压Vout与预设阈值Vth的比较。如图2所示，逻辑处理单元采用美国德州仪器公司的电压比较器LM393［9］实现。LM393内部集成两个独立的电压比较器，具备工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，消耗电流小，输入失调电压小，输出与TTL、DTL、MOS、COMS兼容等优点。本文设计中，功率检测单元的输出Vout直接输入比较器的2IN－管脚，2IN+管脚作为阈值电压Vth输入管脚，接电位器3296W的输出端，该电位器输入端接+5V，通过外部机械调谐电位器3296W的调谐位，实现电阻不同的分压比，即可实现阈值电压Vth的设置，通过外部更改阈值电压Vth，提高了本文设计的电路的适用性。

2.5切换开关单元切换开关单元根据逻辑处理单元的输出结果，切换到不同的参考源，实现内外参考源的切换。如图2所示，本文采用HMC849ALP4CE［10］作为切换开关，该开关器件的输入输出间隔离度高达60dB，防止输入输出间的信号泄漏，可更好地保证本文的设计电路输出的参考源信号的纯净性。LM393的输出结果连接到HMC849ALP4CE的VCT，作为开关切换的控制信号。功率补偿单元的输出连接到HMC849ALP4CE的RF2管脚;内部参考源通过隔直电容连接到HMC849ALP4CE的RF1管脚，HMC849ALP4CE的RFC直接对外输出。因此，当外部参考源输入功率大于阈值时，HMC849ALP4CE的RFC会连通RF2管脚，即输出外部参考源信号。

3测试结果

设定一个阈值，输入内部参考源与外部参考源，将外部参考源从低于设定阈值的强度逐步增加到大于阈值的强度，即时检测频率源参考自动切换电路输出端的信号为何种参考源，即可验证该电路的功能。预设信号强度阈值，内部参考源输入端REFin输入100MHz频率信号，外部参考源输入端REFex输入50MHz频率信号，改变外部参考源的输入功率REFex，检测参考源输出端REF的信号为哪个信号。测试结果如表1所示。 从表2可以看出，本文设计的电路可外部设定阈值，且当外部输入强度大于预设强度阈值的信号时，可实现从内部参考源到外部参考源的自动切换功能。

4结束语

基于AD8306设计了参考源自动切换电路，可适用于频率范围在10～400MHz的参考源，切换阈值可由外部机械调谐设定，其阈值设定的动态范围最高可达100dB，识别精度高达±0.4dB。在实际工程中的合成频率源设计上，具有广阔的应用前景。

参考文献

［1］高树廷，高峰，徐盛旺，等．合成频率源工程分析与设计［M］．北京:兵器工业出版社，2008．

［2］PozarDM．微波工程［M］．3版．张肇仪，周乐柱，译．北京:电子工业出版社，2008．

［3］胡翔骏．电路分析［M］．北京:高等教育出版社，2007．

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

［5］徐兴福．ADS2008射频电路设计与仿真实例［M］．北京:电子工业出版社，2009．

［6］沙占友，薛树琦，安国臣．射频功率测量技术及其应用［J］．电测与仪表，2005，42(8):9－11．

［7］高见芳，高金定，张建军．基于对数检测法的射频功率测量电路设计［J］．现代电子技术，201134(19):130－132．

［8］AnalogDevices．AD8306datasheet［M］．TEXUSA:AnalogDevices，1999．

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

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

作者：张庆重 胡诗锦 石玉 单位：电子科技大学 微电子与固体电子学院