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一、功率检测：不仅仅是“测量功率”

功率检测的核心是将射频或微波信号的有效能量（功率）转换为一个与功率成比例的直流或低频电压信号。

1、核心原理与方法

功率检测并非直接测量电压和电流再计算，而是通过特定方式提取信号的“强度”信息。

均方根（RMS）检测：这是最准确、最通用的方法。它基于热效应原理——无论信号波形如何，其产生的热量与信号的RMS值（即有效值）的平方成正比。RMS功率检测器内部通常包含一个平方律器件（如处于线性区的晶体管），能直接输出与输入信号RMS功率成正比的直流电压。它适用于任何复杂调制信号（如OFDM、CDMA）的精确测量。

对数放大（Log）检测 / 逐次检波：它将输入信号通过一系列增益/衰减级，最终输出一个与输入功率成对数关系的电压（单位通常是dBm或dBV）。其动态范围非常大（可达70-100dB），非常适合在通信系统中测量接收信号强度指示（RSSI）。

峰值/包络检测：主要检测信号的峰值或包络电压。常用于调幅（AM）解调或脉冲雷达系统中测量脉冲峰值功率。对信号的瞬时变化敏感。

2、关键器件与芯片

分立器件方案：使用肖特基二极管进行简单的包络检波。但线性度、温度稳定性和动态范围较差，常用于要求不高的场合。

专用功率检测IC：这是主流方案。

• RMS响应IC：如ADI的AD8361/AD8363， Linear Tech（现属ADI）的LT5581。它们内部集成了精密整流和平方律电路，提供高精度、宽频带的RMS功率测量。

• 对数放大器IC：如ADI的AD8309（用于高频）， ADL5513。它们提供出色的动态范围和快速的响应时间。

• 集成定向耦合器的检测器：如Skyworks的SKY73001，将耦合器和检测器集成一体，用于发射链路功率检测和驻波比（VSWR）监控。

3、重要参数

频率范围：器件能工作的射频/微波频率。

动态范围：能精确测量的最小功率到最大功率的范围（单位：dB）。

线性度/精度：输出直流电压与输入功率（dBm）的直线关系的偏差。

响应时间：从输入功率变化到输出稳定所需时间，对快速功率控制至关重要。

波形依赖性：RMS检测器对波形不敏感，而峰值检测器对波峰因子敏感。

4、典型应用

基站/手机发射功率控制（APC）：实时检测发射功率并反馈，形成闭环控制。

天线驻波比（VSWR）监测与保护：通过前向和反射功率检测计算VSWR。

信号强度指示（RSSI）：在无线接收机中。

测试与测量设备：频谱仪、功率计的核心部件。

二、光电二极管（PD）：光与电的桥梁

光电二极管是一种在反向偏压下工作，将入射光功率转换为光电流的半导体器件。

1、核心工作模式

光伏模式（零偏模式）：

偏置：两端电压为0V（短路）或处于开路状态（通过高阻抗负载）。

特点：无暗电流，噪声极低。但结电容较大，响应速度慢。

应用：精密光测量、太阳能电池、低光照度、直流或低频光信号检测。

光电导模式（反偏模式）：

偏置：施加反向偏压（-5V至-几十V）。

特点：

• 耗尽层增宽 → 结电容（Cj）显著减小 → 带宽提高，响应速度极快。
• 存在暗电流（Idark），会产生散粒噪声，且随温度升高而指数增长。
• 线性度好。

应用：高速光通信（光纤接收）、脉冲激光检测、光电开关等需要快速响应的场合。

2、关键特性参数

响应度（Responsivity， R）：最重要的参数之一。单位：A/W。表示单位入射光功率（瓦特）产生的光电流（安培）。例如，一个响应度为0.8 A/W的PD，接收1μW的光功率会产生0.8μA的光电流。它与波长有关（光谱响应）。

暗电流（Dark Current， Idark）：在完全黑暗、施加规定反偏压时流过PD的电流。是主要噪声源之一，尤其在高温下。

结电容（Junction Capacitance， Cj）：决定响应速度的关键参数。反偏压越大，Cj越小，带宽越高。

噪声等效功率（NEP）：信噪比为1时所需的入射光功率。衡量检测微弱光信号能力的指标，值越小越好。

带宽/上升时间：由RC时间常数决定。R是负载电阻与运放输入阻抗的等效值，C主要是PD的结电容Cj和运放输入电容。带宽 ≈ 1 / (2π * R * C)。

3、核心应用电路：跨阻放大器（TIA）

将PD微弱的光电流转换为电压信号，最常用、最优化的电路就是跨阻放大器。

工作原理：运放将反向输入端（连接PD阴极）虚地。光电流Iph几乎全部流过反馈电阻Rf。输出电压Vout = -Iph * Rf。

设计考量：

• 增益（Rf）：Rf决定转换增益。Rf越大，增益越高，但对带宽的限制也越大（因为Rf与运放和PD的寄生电容会形成极点）。
• 带宽与稳定性：这是TIA设计的核心挑战。Rf与PD结电容Cj、运放输入电容Cin形成的极点（f_p = 1/(2π * Rf * (Cj+Cin))）会限制带宽并可能引起振荡。必须在反馈电阻Rf上并联一个小的补偿电容Cf（几pF），以提供相位补偿，确保稳定。
• 运放选择：必须选择低输入偏置电流（Ib）、低输入电容、低噪声、高增益带宽积（GBW） 的运放。JFET或CMOS输入型运放是首选。
• 噪声优化：主要噪声源有PD的散粒噪声、Rf的热噪声、运放的电压/电流噪声。需综合计算信噪比。

4、PD vs. 光电池（Solar Cell） vs. 光电晶体管

PD：专注于检测，工作在反偏或零偏，速度快，线性好。

光电池：工作在光伏模式，目标是最大化输出功率（效率），面积大，速度慢。

光电晶体管：本质是“光控电流放大器”。灵敏度高（有增益），但速度慢于PD，线性度和温度稳定性较差。

三、总结与对比

四、深入理解的要点

• 功率检测的本质是“能量转换”，选择RMS、对数还是峰值检测，取决于你的信号特性和测量目标。
• 光电二极管的核心是“光电转换”，工作模式（光伏/光电导）决定了它的性能侧重点。高速应用必须使用反偏模式。
• 跨阻放大器是PD的灵魂伴侣，其设计（Rf、Cf、运放选型）直接决定了整个光电检测系统的性能上限（带宽、灵敏度、稳定性）。
• 噪声是光电检测的永恒敌人。理解并管理好暗电流、热噪声和运放噪声，是检测微弱光信号的关键。
• 阅读Datasheet：无论是功率检测IC还是PD，务必仔细阅读其数据手册中的典型应用电路、参数测试条件和布局建议，这是成功设计的第一步。