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借助差分接口改善射頻收發(fā)器設(shè)計性能

發(fā)布時間:2020-03-13 來源:Mingming Zhao 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)收發(fā)器設(shè)計中,50 Ω單端接口廣泛用于射頻和中頻電路。當(dāng)電路進(jìn)行互連時,應(yīng)全部具有匹配的50 Ω輸出和輸入阻抗。然而在現(xiàn)代收發(fā)器設(shè)計中,差分接口常用在中頻電路中以獲得更好的性能,但實際設(shè)計過程中,工程師需要處理幾個常見問題,包括阻抗匹配、共模電壓匹配以及復(fù)雜的增益計算。了解發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中的差分電路對優(yōu)化增益匹配和系統(tǒng)性能很有幫助。
 
差分接口優(yōu)勢
 
差分接口有三大主要優(yōu)勢。首先,差分接口可抑制外部干擾和接地噪聲。其次,它可以抑制偶次階輸出失真。這對于零中頻(ZIF)接收機(jī)非常重要,因為出現(xiàn)在低頻信號中的偶次階成分無法濾除。第三,輸出電壓可達(dá)到單端輸出的兩倍,從而將給定電源上的輸出線性度提高6 dB。
 
本文論述三種情況下的接口解決方案:ZIF接收機(jī)、超外差式接收機(jī)和發(fā)射機(jī)。這三種架構(gòu)廣泛用于射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU)、數(shù)字直放站和其他無線測試儀器中。
 
ZIF接收機(jī)接口設(shè)計和增益計算
 
在零中頻(ZIF)接收機(jī)設(shè)計中,IF信號是復(fù)信號,直流和低頻率信號來提供有用信息。典型解調(diào)器在驅(qū)動200 Ω至450 Ω負(fù)載時可提供最佳性能,同時ADC驅(qū)動器的輸入阻抗一般并非50 Ω,因此設(shè)計系統(tǒng)時采用直流耦合很重要也很困難。
 
圖1顯示了一個ZIF接收機(jī)配置,它使用兩個低噪聲放大器(LNA) ADL5523一個400MHz至6000MHz正交I/Q解調(diào)器ADL5380 一個作為本振(LO)的寬帶頻率合成器ADF4350以及一個雙通道數(shù)字可編程可變增益放大器(VGA)AD8366 表1顯示了相關(guān)ADL5380接口和增益參數(shù)。
 
http://m.bswap.cn/art/artinfo/id/80037847
圖1. ZIF接收機(jī)框圖
 
表1.ADL5380接口和增益參數(shù) 
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與具有217 Ω差分輸入阻抗的AD8366接口時,ADL5380具有5.9 dB電壓增益和–0.5 dB功率增益[5.9 dB – 10log (217/50)]。為獲得最佳性能,將ADL5380 ADJ引腳連接至VS,使ADL5380與AD8366間的共模電壓設(shè)置為2.5 V。在ADL5380與AD8366間放置具有0.5 dB插入損耗的差分四階巴特沃茲低通濾波器,以便抑制噪聲和高頻干擾成分。雖然濾波器會輸入和輸出阻抗并不匹配,但在基帶頻率下這些不匹配是可以忽略的。
 
表2.AD8366接口和增益參數(shù)
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AD8366的共模輸出電壓可設(shè)置為2.5 V;當(dāng)VCM保持浮空時其線性度最佳。遺憾的是,AD6642在0.9 V共模輸入電壓(0.5 × AVDD)下具有最佳性能。由于AD8366的共模輸出電壓必須介于1.6 V與3 V之間,因此AD6642 VCM和AD8366 VCM引腳無法直接連接,必須使用電阻將AD8366共模輸出電壓分壓至0.9 V。
 
為獲得最佳性能,AD8366應(yīng)驅(qū)動200Ω載。要實現(xiàn)所需的共模電平和阻抗匹配,可在AD8366后添加63 Ω串聯(lián)電阻和39 Ω并聯(lián)電阻。這一電阻網(wǎng)絡(luò)將使信號功率衰減4 dB。
 
AD8366的輸出擺幅可達(dá)6 V p-p,但電阻網(wǎng)絡(luò)提供的4 dB衰減使AD6642得到的電壓限于2.3 V p-p,避免了較大干擾尖峰或增益的失控對ADC帶來損害。
 
在AD8366與AD6642間放置具有1.5 dB插入損耗的差分六階巴特沃茲低通濾波器,可以濾除高頻干擾成分。I或者Q通道的完整差分接口如圖2所示。
 
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圖2.ZIF接收機(jī)接口框圖和仿真濾波器特性
 
為保留足夠的余量來應(yīng)付整個溫度范圍內(nèi)的增益變化,AD8366在正常模式下的增益設(shè)置為16 dB。
 
采用這種配置,整個信號鏈的增益如下:
 
5.9 dB – 10log (217/50) – 0.5 dB + 16 dB – 10log (200/217) – 1.5 dB – 4 dB= 9.9 dB.
 
在ADL5380之前以級聯(lián)方式插入的兩個LNA實現(xiàn)了32 dB的射頻增益。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器被配置為2 V p-p滿幅擺幅和78 Ω等效輸入阻抗,它可以接收最大–34 dBm的單音RF輸入信號。如果輸入信號是具有10 dB峰均比(PAR)的調(diào)制信號,在不改變VGA設(shè)置情況下,接收機(jī)可以接收的最大輸入信號為-41dBm。
 
換言之,電壓增益可用于計算信號鏈鏈路預(yù)算。當(dāng)輸入端口阻抗等于輸出端口阻抗時,電壓增益等于功率增益。整個信號鏈的電壓增益為:
 
32 dB + 5.9 dB – 0.5 dB + 16 dB – 1.5 dB – 8 dB = 43.9 dB.
 
對于單音信號輸入,要獲得2 V p-p擺幅范圍,正確的輸入功率為:
 
8 dBm – 43.9 dB + 10log (78/50) = –34 dBm.
 
用電壓增益計算的結(jié)果與功率增益計算出結(jié)果是相同的。
 
某些應(yīng)用中,ADL5380可能需要直接連接至AD6642,這種情況下,可為AD6642差分輸入添加500 Ω電阻以改善匹配。ADL5380電壓增益為6.9 dB,且具有與AD8366相同的共模問題。所以應(yīng)使用160 Ω串聯(lián)電阻和100 Ω并聯(lián)電阻來實現(xiàn)500 Ω負(fù)載和所需的共模電壓。同樣,電阻網(wǎng)絡(luò)可將電壓增益衰減8 dB(功率則衰減4 dB)。
 
在ADL5380與AD6642間放置具有1.5 dB插入損耗的低通濾波器,從而濾除干擾頻率成分。整個鏈路的輸入阻抗為50 Ω,輸出阻抗為500 Ω。采用這種配置,整個信號鏈的增益如下:
 
6.9 dB – 10log (500/50) – 1.5 dB – 4 dB = –8.6 dB.
 
超外差式接收機(jī)接口設(shè)計和增益計算
 
超外差式接收機(jī)設(shè)計中,系統(tǒng)使用交流耦合,因此設(shè)計超外差接收機(jī)電路時不必考慮直流共模電壓匹配。
 
許多混頻器,例如ADL535x和ADL580x,具有200 Ω的差分輸出阻抗,因此不同輸出阻抗呈現(xiàn)不同功率增益和電壓增益。
 
圖3顯示了超外差式接收機(jī)的一個通道,該器件采用以下元件:低噪聲放大器ADL5523 具有LO緩沖器、IF放大器和RF巴倫的雙通道平衡混頻器ADL5356 帶通或者低通濾波器;雙通道、超低失真IF VGAAD8376 另一個低通或者帶通抗混疊濾波器;雙通道IF接收機(jī)AD6642
 
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圖3.超外差式接收機(jī)框圖(僅顯示一個通道)
 
該設(shè)計使用140MHz 中頻和20MHz帶寬,因此器件連接時可采用交流耦合。
 
AD5356在200 Ω負(fù)載下具有最佳性能,而AD8376的輸入阻抗為150 Ω。因此,為了抑制混頻器輸出雜散并提供良好的阻抗匹配,差分LC濾波器必須具有200 Ω的輸入阻抗和150 Ω的輸出阻抗。在某些應(yīng)用中,需要通過過渡帶極窄濾波器抑制頻帶外信號,可使用差分SAW濾波器來實現(xiàn),但這會給接收機(jī)信號鏈引入過大的損耗和群延遲。四階差分帶通巴特沃茲濾波器可適合許多無線接收機(jī),因為前端RF濾波器可以為帶外干擾提供足夠的衰減。
 
表3. ADL5356和AD8376接口和增益參數(shù)
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AD8376的電流輸出型電路具有高輸出阻抗,因此其差分輸出需要接150 Ω電阻實現(xiàn)電壓輸出。另一個差分濾波器放置在AD8376和ADC之間,用于衰減二階和三階諧波失真成分,因此該150 Ω負(fù)載可以被分成兩部分。首先將300 Ω電阻安裝于AD8376的輸出端。另一個300 Ω電阻由兩個165 Ω電阻和ADC的3 kΩ輸入阻抗構(gòu)成。兩個165 Ω電阻同時為ADC輸入提供直流共模電壓。LC濾波器的輸入和輸出阻抗均為300 Ω。對于高中頻應(yīng)用,信號源和負(fù)載的阻抗的完美匹配是非常重要的。完整接口如圖4所示。
 
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圖4.超外差式接收機(jī)接口框圖和濾波器仿真結(jié)果
 
此接收機(jī)中,混頻器之前放置一個20 dB LNA?;祛l器之后的濾波器具有2 dB插入損耗;AD8376與ADC之間的濾波器具有1.2 dB插入損耗。AD8376增益設(shè)置為14 dB,以便提供足夠的余量來應(yīng)對溫度變化。接收機(jī)的總體增益為:
 
20 dB + 8.2 dB – 2 dB + 14 dB – 1.2 dB = 39 dB.
 
為將ADC輸入電壓限制在2 V p-p以下,傳輸?shù)?50 Ω電阻(300 Ω || (165 Ω × 2) || 3 k Ω)的功率應(yīng)小于5.2 dBm。因此對于單音信號,接收機(jī)最大輸入功率為–33.8 dBm。如果輸入信號是10 dB PAR調(diào)制信號,使用此增益設(shè)置的最大輸入信號為–40.8 dBm。
 
發(fā)射機(jī)接口設(shè)計和增益計算
 
對于發(fā)射通道設(shè)計,ZIF和超外差式架構(gòu)具有相似的接口特性,均需要在TxDAC® 與調(diào)制器間執(zhí)行直流耦合。大多數(shù)調(diào)制器的中頻輸入電路需要外部提供直流偏置;TxDAC輸出可為直流耦合模式下的調(diào)制器提供直流偏置。大多數(shù)高速DAC是電流輸出架構(gòu),因此需要外輸出電阻才能為調(diào)制器產(chǎn)生輸入電壓。
 
圖5顯示了超外差式或ZIF發(fā)射機(jī),該器件采用以下元件:TxDACAD9122 ,低通濾波器、正交調(diào)制器ADL537x另一個RF濾波器、頻率合成器ADF4350數(shù)字控制VGAADL5243, 功率放大器、用于控制功率放大器(PA)柵極電壓的DACAD562x.
 
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圖5.發(fā)射機(jī)框圖
 
對于AD9122,滿量程輸出電流可設(shè)置在8.66 mA與31.66 mA之間。對于大于20 mA的滿量程電流,無雜散動態(tài)范圍(SFDR)會變差,但DAC的輸出功率和ACPR也隨著滿量程電流降低而減小。適當(dāng)折衷的方案是將20 mA交流電流疊加于10 mA直流電平上,得到0 mA至20 mA的電流輸出。
 
表4.AD9122和ADL5372接口和增益參數(shù)
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ADL5372的輸入電路需要0.5 V共模電壓,由流經(jīng)50 Ω電阻的10 mA直流電流提供。0 mA至20 mA交流電流由兩個50 Ω電阻和一個100 Ω電阻共享。因此調(diào)制器輸入的交流電壓為20 mA × ((50 × 2) || 100) = 1 V p-p。TxDAC與調(diào)制器之間的濾波器用于去除高頻雜散和諧波成分。濾波器的輸入和輸出阻抗為100 Ω。完整接口如圖6所示。
 
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圖6.直流耦合發(fā)射機(jī)IF接口框圖和濾波器仿真結(jié)果
 
采用50 Ω輸出時,ADL5372的電壓轉(zhuǎn)換增益為0.2 dBm。使用13 dB PAR調(diào)制器信號時,平均功率必須至少減小15 dB,以便適應(yīng)Tx數(shù)字預(yù)失真過程。ADL5372具有1 V p-p單音輸入時,平均調(diào)制器輸出功率為7.1 dBm – 2.9 dB = 4.2 dBm。如果考慮低通濾波器的2.2 dB插入損耗,平均輸出功率為4.2 dBm – 2.2 dB = 2 dBm。這種狀態(tài)下,調(diào)制器輸出端平均輸出功率為-10dBm。
 
為了保證發(fā)射鏈路提供11 dBm平均發(fā)射功率,Tx信號鏈內(nèi)后端需要具有26 dBm 的P-1dB的PA驅(qū)動器。如果需要2 dB插入損耗的RF濾波器以抑制LO饋通和調(diào)制器邊帶輸出,那么增益模塊和PA驅(qū)動器必須提供23 dB的總增益。針對此應(yīng)用,建議使用具有集成式增益模塊、數(shù)字控制衰減器和PA驅(qū)動器的VGA ADL5243。
 
結(jié)束語
 
本文介紹了ZIF和超外差式接收機(jī)解調(diào)器、IF VGA、混頻器和ADC模擬端口差分設(shè)計,以及TxDAC與FMOD之間的發(fā)射機(jī)差分接口,其中均使用ADI器件作為信號鏈有源部分。另外還提供了設(shè)計用于這些電路的應(yīng)用濾波器的增益計算和仿真結(jié)果。本振差分接口設(shè)計以及其他相關(guān)設(shè)計詳情請參閱以下參考文獻(xiàn)。
 
 
參考電路
 
Circuit Note CN-0018, Interfacing the ADL5372 I/Q Modulator to the AD9779A Dual-Channel, 1 GSPS High-Speed DAC.
 
Circuit Note CN-0134, Broadband Low Error Vector Magnitude (EVM) Direct Conversion Transmitter.
 
Calvo, Carlos. “The differential-signal advantage for communications system design.” EE Times.
 
 
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