כיצד להבין, להפעיל ולהתממשק אל גלאי RF משולבים מבוססי-דיודות

של מאפיין היישור הבסיסי שלהן, דיודות שימשו להפקת מתחי dc היחסיים לרמות אותות ac ו-RF מאז שקיימות דיודות. מאמר זה ישווה את הביצועים של RF ומיקרוגל מבוססי-דיודות עם חלופות של מעגלים משולבים. הנושאים המכוסים יכללו ליניאריות של פונקציית המעבר, יציבות הטמפרטורה והתממשקות עם ADC.

גלאי RF דיסקרטיים מבוססי-דיודות
איור 1 מראה את הסכימה של מעגל גילוי RF מבוסס-דיודות נפוץ. ניתן לראות בו מיישר חצי-גל פשוט בעל סינון במוצא. המחציות החיוביות של אות המבוא מטות את דיודת ה-Schottky, אשר בתורה טוענת את הקבל. במחצית השלילית, הדיודה מטה במהופך (reverse biases) וגורמת למתח בתוך הקבל להיות מוחזק ויוצרת מוצא dc היחסי לאות המבוא. כדי לאפשר למתח זה ליפול כאשר אות המבוא מופחת או מבוטל, נגד במקביל לקבל מספק נתיב פריקה.  איור 2 מראה את פונקציית המעבר של מעגל זה. הספק המבוא מבוטא ב-dB ומתח המוצא הוא בסקלה לוגריתמית אנכית. במבט על פונקציית המעבר של 250C, ישנם שני אזורי פעולה נפרדים על העקומה. האזור המכונה אזור ליניארי נפרס מהקצה העליון של תחום המבוא (בערך 15) ויורד עד כדי 0. איבר זה, האזור הליניארי, קיבל את שמו מהעובדה שמתח המוצא באזור זה יחסי בקירוב למתח המבוא.
מתחת ל-0, מתחיל האזור המכונה אזור החוק המרובע. באזור זה, מתח המוצא יחסי בקירוב לריבוע מתח המבוא. דבר זה גורם לשיפוע גבוה יותר על העקום.  איור 2 גם מראה את מתח המוצא כנגד פונקציית המעבר של הספק המבוא של המעגל כאשר הטמפרטורה נעה בין  400C ל- +850C. דבר זה מציג סטייה משמעותית ברמות ההספק מתחת ל-0. הדבר הופך את ההתקן לבלתי שימושי ביישומים בהם הטמפרטורה משתנה בשינוי משמעותית כלשהו.  קיימות טכניקות שניתן להשתמש בהן כדי למתן סטיית טמפרטורה זו. הן כוללות הכנסת דיודת ייחוס שנייה הן כחלק של המעגל והן כמעגל עצמאי בעל מוצא משלו. סטיית הטמפרטורה של דיודת הייחוס תואמת את זו של הדיודה הראשונית. בעזרת תהליך חיסור (הן במישור האנלוגי והן במישור הדיגיטלי, על-פי מבנה המעגל) ניתן להשיג דרגה מסוימת של ביטול הסטייה. איור 3 מראה את פונקציית המעבר ב-25 גיגה-הרץ של ADL 6010, גלאי מבוסס-דיודות Schottky בעל מספר תכונות חדשניות. כחלק של עיבוד האותות, אות המבוא עובר דרך מעגל המבצע פונקציית ריבוע-המעגל רק באותות מתחת לרמת הספק מסוימת. נקודת המעבר נקבעת במתכוון להיות שווה לרמת ההספק בה הדיודה עוברת מאזור חוק הריבוע לאזור הליניארי. כתוצאה מכך, השפעת חוק הריבוע של הדיודה מבוטלת ואין שום סימן מפונקציית המעבר בעלת שני אזורים הברורה כל כך באיור 1.  איור 3 גם כולל עקומות המראות את פונקציית המעבר בטמפרטורות שונות מ 550C- עד +1250C. השינוי בפונקציית המעבר כנגד הטמפרטורה מוצג גם כן. תוך שימוש בנסיגה הליניארית של פונקציית המעבר של 250C כייחוס, השגיאה בכל טמפרטורה מוצגת ב-dB. כתוצאה ממעגל קיזוז הטמפרטורה ומעגל הביטול של חוק הריבוע, אנחנו רואים שגיאות בגין הליניאריות וסטיית הטמפרטורה של בערך ±0.5 על פני רוב תחום המבוא.

התממשקות ADC
בשעה שגלאי RF ומיקרוגל משמשים לעתים בלולאות בקרת הספק אנלוגיות1, יותר מקובל לבנות לולאת בקרת הספק דיגיטלית כמתואר באיור 4. ביישומים אלה, מוצא גלאי ההספק עובר לדיגיטלי בעזרת ממיר אנלוגי לדיגיטלי. במישור הדיגיטלי, רמת ההספק מחושבת תוך שימוש בקידוד מה-ADC. לאחר שרמת ההספק ידועה, המערכת תענה על-ידי שינוי ההספק המשודר אם יש צורך בכך. בשעה שזמן התגובה של לולאה זו יהיה תלוי במידה קטנה בזמן התגובה של הגלאי, לקצב הדגימה של ה-ADC ומהירות האלגוריתם של בקרת ההספק תהיה השפעה הרבה יותר גדולה. יכולת הלולאה למדוד ולקבוע במדויק את רמת הספק ה-RF מושפעת על-ידי מספר גורמים כולל פונקציית המעבר של גלאי ה-RF ורזולוציית ה-ADC. כדי להבין זאת טוב יותר, נביט יותר מקרוב על תגובת הגלאי. איור 5 משווה את התגובה ב-20 גיגה-הרץ של הגלאי המבוסס-דיודות של 6010 עם זו של מגבר מיקרוגל לוגריתמי. למגבר הלוגריתמי יש פונקציית מעבר ליניארית ב-dB, כאשר שינוי של 1dB בהספק המבוא יגרום תמיד לאותו שינוי במתח במוצא (בכל תחום המבוא הליניארי של מ-50 – עד 0). בניגוד לכך, לגלאי מבוסס דיודות כגון ה-ADL6010 יש פונקציית מעבר הנראית מעריכית (אקספוננציאלית) כאשר משתמשים בסקלת dB בציר האופקי ובציר אנכי ליניארי המשמש למתח המוצא.
מאחר שלממירים אנלוגיים לדיגיטליים יש פונקציית מעבר הנמדדת בביטים/מתח, פירוש הדבר הוא שרזולוציית המערכת במונחים של dB לביט יורדת ברציפות עם הפחתת הספק המבוא. העקומה באיור 5 מראה גם את הרזולוציה של ביטים ל-dB שניתן להשיג אם ה-ADL6010 היה מניע ADC של -12ביט עם מתח בסקלה מלאה של 5 וולט (עקומה זו מוצגת בציר משני לוגריתמי לשם נוחות התצוגה). בצד הנמוך של תחום ההספק של ההתקן, מסביב ל–25, השיפוע ההפרשי יהיה בערך 2 ביטים ל-dB, הגורם לרזולוציה של בערך 0.5dB/bit. מכאן נובע ש-ADC בעל 12 ביט מתאים להמרת מוצא ה-ADL6010 לאורך התחום המלא. כאשר הספק המבוא RF עולה, השיפוע ההפרשי בביטים ל-dB עולה בהתמדה לערך של כ-300 בהספק מבוא מרבי של 15dBm. דבר זה חשוב ביישום של בקרת הספק RF כאשר הדיוק הוא הקריטי ביותר בשעה שהמערכת נמצאת בהספק מרבי. זהו תרחיש אופייני מאוד ביישומים בהם גלאי ה-RF משמשים למדידה ובקרה של ההספק של מגבר הספק גבוה (high power amplifier – HPA). ביישומים בהם ההספק מבוקר לעתים קרובות כדי למנוע את ה-HPA מחימום-יתר, מדידת ההספק ברזולוציה גבוהה בהספק מרבי היא בעלת ערך גבוה.

בניגוד לכך, פונקציית המעבר של המגבר הלוגריתמי HMC1094 באיור 5 מראה גם שיש לו שיפוע קבוע על-פני תחום הפעולה הליניארי שלו. דבר זה מרמז ש-ADC בעל רזולוציה נמוכה יותר (10 ביט או אף 8 ביט) יהיה מתאים כדי להשיג רזולוציה הרבה מתחת ל-1.  איור 6 מראה מעגל יישום בו ה-ADL6010 ממושק ל-ADC בעל 12 ביט מדויק יכול לדגום עד 1. ל-ADC יש ייחוס פנימי של 2.5 וולט הקובע את מתח המבוא בסקלה מלאה. מאחר שהגלאי ADL6010 יכול להגיע למתח מרבי של כ-4.25 וולט, מחלק נגדים פשוט משמש להפחתת המתח כך שלא יעלה לעולם על 2.5 וולט. ספירה זו ניתנת למימוש ללא צורך בחוצץ של מגבר תפעולי. הרזולוציה שניתן להשיג במונחים של dB לביט בצד התחתון של תחום הספק המבוא דומה לדוגמה דלעיל (כלומר בערך 0.5dB לביט) 2.

סיכומים
גלאי RF ומיקרוגל משולבים מציעים מספר יתרונות בהשוואה למימושים דיסקרטיים. מעגלי קיזוז טמפרטורה משולבים מציעים מתח מוצא מחוץ-לקופסה היציב עד כדי בערך +0.5dB בתחום טמפרטורה רחב. השימוש בפונקציית שורש-ריבועי פנימית מבטל ביעילות את מאפייני חוק הריבוע ברמות הספק של מבוא נמוך. דבר זה יוצר פונקציית מעבר ליניארית יחידה, ומקל על כיול ההתקן. המוצא החצוץ של הגלאי המשולב יכול לכוון ADCs ישירות ללא כל דאגה שהעומס עשוי להשפיע על דיוק המחשוב. יש להשגיח בבחירה וקבלת הממדים של ה-ADC כך שניתן להשיג ביטים/dBם בהספקי מבוא נמוכים.

סימוכין
1. CN-0050 Circuit Note – Analog Devices, Inc. 2010
2. CN-0366 Circuit Note – Analog Devices, Inc. 2014