差分接口提高了RF收发器设计的性能

在传统的收发器设计中,50 ω单端接口广泛用于rf和if电路。当电路互连时,它们都应该看到匹配的50 ω输出和输入阻抗。然而,在现代收发器设计中,差分接口经常用于在if电路中获得更好的性能,但实现它们需要设计人员面对几个常见问题,包括阻抗匹配、共模电压匹配和难以计算的增益。了解发射器和接收器中的差分电路有助于优化增益匹配和系统性能。
差分接口优势
差分接口有三个主要优点。首先,差分接口可以抑制外部干扰和接地噪声。其次,可以抑制偶数阶输出失真分量。这对于零中频(zif)接收器非常重要,因为低频信号中出现的偶数阶分量无法滤除。第三,输出电压可以是单端输出的两倍,从而在给定电源上将输出线性度提高6 db。
本文讨论三种情况下的接口解决方案:zif接收器、超外差接收器和发射器。这三种架构广泛用于无线远程无线电单元 (rru)、数字中继器和其他无线仪器。
zif 接收器接口设计和增益计算
在零中频(zif)接收器设计中,中频信号很复杂,直流和极低频信号可提供有用的信息。典型的解调器在驱动200 ω至450 ω负载时可以提供最佳性能,而adc驱动器通常具有50 ω以外的输入阻抗,因此将系统与直流耦合电路连接既关键又困难。
图1显示了使用两个低噪声放大器(lna)、一个adl5380 400 mhz至6000 mhz正交i/q解调器、一个作为本振(lo)的宽带频率合成器adf4350和双通道数字可编程可变增益放大器(vga)的zif接收器配置。表1显示了相关的adl5380接口和增益参数。
图1.zif 接收器框图。
表 1.adl5380接口和增益参数
测试条件
  vs = 5 v, ta = 25°c, flo = 900 mhz,
fif = 4.5 mhz, plo = 0 dbm, zin = 50 Ω
参数
  值
  评论
电压转换增益
  6.9分贝
  i 和 q 输出上的 450-ω 差分负载
5.9分贝
  i 和 q 输出上的 200 ω 差分负载
共模输出电压
  2.5 v
  adj 连接到 vs
i/q差分输出阻抗
  50 Ω
当与具有217 ω差分输入阻抗的ad8366连接时,adl5380具有5.9 db电压增益和–0.5 db功率增益[5.9 db – 10log (217/50)]。为获得最佳性能,通过将adl5380 adj引脚连接到v,将adl5380和ad8366之间的共模电压设置为2.5 vs.在adl5380和ad8366之间放置一个插入损耗为0.5 db的差分四阶巴特沃兹低通滤波器,可抑制噪声和不需要的高频分量。虽然滤波器会导致一些不匹配,但在基带频率下是可以容忍的。
表 2.ad8366接口和增益参数
测试条件
  vs = 5 v, ta = 25°c, zs = 200 Ω,
zl = 200 Ω, f = 10 mhz
参数
  值
  评论
电压转换增益
  4.5分贝
  最小数字增益设置
20.25分贝
  最大数字增益设置
共模输出电压
  1.5 v
  最低
2.5 v
  最大或输入自偏置
差分输入阻抗
  217 Ω
共模输出电压
  1.6 v
  最低
3 v
  最大
2.5 v vcma和vcmb保持浮动状态
差分输出阻抗
  28 Ω
线性输出摆幅
  6 v 峰峰值
  1db 增益压缩
ad8366的共模输出电压可设置为2.5 v;当vcm保持浮动时,它具有最佳的线性度。遗憾的是,ad6642在0.9 v共模输入电压(0.5 × avdd)下性能最佳。由于ad8366的共模输出电压必须在1.6 v至3 v之间,因此ad6642 vcm和ad8366 vcm端子不能直接连接,必须使用电阻将ad8366共模输出电压分压至0.9 v。
为获得最佳性能,ad8366应驱动200 ω负载。为了实现所需的共模电平和阻抗匹配,在ad8366之后增加了63 ω串联电阻和39 ω分流电阻。该电阻网络将使功率增益衰减4 db。
ad8366输出摆幅为6 v p-p,但电阻网络提供的4 db衰减将ad6642的电压限制为2.3 v p-p,从而保护其免受大干扰尖峰或不受控制的增益造成的损坏。
插入损耗为1.5 db的差分六阶巴特沃兹低通滤波器位于ad8366和ad6642之间,用于滤除不需要的高频元件。i通道的完整差分接口如图2所示。
图2.zif接收机接口图及仿真滤波器特性。
为了保留足够的裕量以考虑增益随温度的变化,ad8366在正常模式下的增益设置为16 db。
在这种配置中,整个信号链的增益为
5.9 db – 10log (217/50) – 0.5 db + 16 db – 10log (200/217) – 1.5 db – 4 db
= 9.9 db。
在adl5380之前级联插入的两个lna可实现32 db增益。通过将模数转换器配置为 2v p-p 摆幅和 78 ω 等效输入阻抗,它能够处理 –34dbm 单音 rf 输入信号。如果输入信号在调制时峰均比(par)为10 db,则–41 dbm输入信号是接收器在不更改vga设置的情况下可以处理的最大信号。
换句话说,电压增益可用于计算信号链链路预算。当输入端口阻抗等于输出端口阻抗时,电压增益等于功率增益。整个信号链的电压增益为
32 db + 5.9 db – 0.5 db + 16 db – 1.5 db – 8 db = 43.9 db。
对于单音信号输入,要获得 2v p-p 摆幅范围,适当的输入功率为
8 dbm – 43.9 db + 10log (78/50) = –34 dbm。
结果与计算的功率增益非常匹配。
在某些应用中,adl5380可能需要直接连接到ad6642,在这种情况下,可以在ad6642差分输入端增加一个500 ω电阻,以改善匹配。adl5380的电压增益为6.9 db,共模问题与ad8366相同。应使用 160 ω 串联电阻和 100 ω分流器来实现 500 ω负载和所需的共模电压。同样,电阻网络将电压衰减8 db(功率衰减4 db)。
插入损耗为1.5 db的低通滤波器位于adl5380和ad6642之间,用于滤除不需要的频率分量。输入阻抗为50 ω,输出阻抗为500 ω。在这种配置中,整个信号链的增益为
6.9 db – 10log (500/50) – 1.5 db – 4 db = –8.6 db。
超外差接收器接口设计和增益计算
在超外差接收器中,系统使用交流耦合,因此在连接这些电路时不必考虑直流共模电压。
adl535x和adl580x等许多混频器具有200 ω差分输出阻抗,因此不同输出阻抗的功率增益和电压增益分别表示。
图3所示为采用低噪声放大器adl5523实现的超外差接收器的一个通道;adl5356双通道平衡混频器,内置lo缓冲器、if放大器和rf巴伦;低通滤波器;ad8376双通道超低失真中频vga;另一个低通滤波器;以及ad6642双通道中频接收器。
图3.超外差接收器图;显示一个频道。
该设计采用 140mhz if 和 20mhz 带宽,因此器件可以交流耦合。
ad5356在200 ω负载下性能最佳,但ad8376的输入阻抗为150 ω。因此,为了抑制混频器输出杂散并提供更好的阻抗匹配,差分lc滤波器必须具有200 ω输入阻抗和150 ω输出阻抗。在必须通过尖锐滤波器抑制输出带信号的应用中,可以使用差分saw滤波器,但这会在接收器信号链中引入损耗和群延迟。差分四阶带通巴特沃兹滤波器可能适用于许多无线接收器,因为rf滤波器可以为带外干扰提供足够的衰减。
表 3.adl5356和ad8376接口和增益参数
adl5356 测试条件
  vs = 5 v, ta = 25°c, frf = 1900 mhz,
flo = 1760 mhz, lo power = 0 dbm
参数
  值
  评论
电压转换增益
  14.5分贝
  z源 = 50 ω,差分
z负荷= 200 ω差分
共模输出电压
  2.5 v
  adj 连接到 vs
功率转换增益
  8.2分贝
  包括 4:1 if 端口变压器和 pcb 损耗
ad8376 测试条件
  vs = 5 v, ta = 25°c, rs = rl = 150 Ω at 140 mhz
参数
  值
  评论
差分输入电阻
  150 Ω
电压转换增益
  –4 分贝
  最低数字设置
20分贝 最大数字设置
输出阻抗
  16 kω ||0.8 pf
ad8376的电流输出电路具有高输出阻抗,因此差分输出之间需要150 ω。另一个差分滤波器必须衰减二次和三次谐波失真分量,因此这个150 ω负载分为两部分。首先,在ad8376的输出端安装一个300 ω电阻。另一个300 ω电阻由两个165 ω电阻和adc的3 kω输入阻抗组成。两个 165 ω电阻还为 adc 输入提供直流共模电压。lc滤波器的输入和输出阻抗均为300 ω。完美的源和负载匹配对于高中频应用非常重要。完整的界面如图 4 所示。
图4.超外差接收机接口图及滤波器仿真结果.
在接收器中,20 db lna安装在混频器前面。混频器之后的滤波器具有2 db的插入损耗;ad8376和adc之间的滤波器具有1.2 db的插入损耗。ad8376增益设置为14 db,以提供足够的裕量来应对温度变化。接收器的总增益为
20 db + 8.2 db – 2 db + 14 db – 1.2 db = 39 db.
为了将adc输入电压限制在2 v p-p以下,将功率传输到150-ω电阻(300 ω ||(165 Ω × 2) ||3 k ω) 应小于 5.2 dbm。因此,对于单音信号,接收器的最大输入功率为–33.8 dbm。如果输入信号是10 db par调制信号,则使用此增益设置的最大输入信号为–40.8 dbm。
发射机接口设计和增益计算
对于tx通道设计,zif和超外差架构具有相似的接口特性,并且都需要txdac和调制器之间的直流耦合。大多数调制器的if输入电路应由外部直流电压偏置;txdac输出可在直流耦合模式下为调制器提供直流偏置。大多数高速dac具有电流输出,因此需要一个输出电阻来为调制器产生输出电压。®
图5所示为超外差或zif发送器,采用ad9122 txdac、低通滤波器、adl537x正交调制器、另一个rf滤波器、adf4350频率合成器、数控vga、功率放大器和ad562x dac实现,用于控制功率放大器(pa)的栅极电压。
图5.变送器图。
对于ad9122,满量程输出电流可以设置在8.66 ma至31.66 ma之间。对于大于20 ma的满量程电流,无杂散动态范围(sfdr)会降低,但dac的输出功率和acpr会随着满量程电流设置的降低而降低。一个合适的折衷方案是0 ma至20 ma电流输出,由20 ma交流电流组成,电流和10 ma直流电平。
表 4.ad9122和adl5372接口和增益参数
ad9122 测试条件
  avdd33 = 3.3 v, dvdd33 = 3.3 v,
dvdd18 = 1.8 v, cvdd18 = 1.8 v
参数
  值
  评论
满量程输出电流
  8.66毫安
  最小数字满量程设置
31.66毫安 最大数字满量程设置
输出电阻
  10兆安
adl5372 测试条件
  vs = 5 v, ta = 25°c, flo = 1900 mhz,
fif = 140 mhz
参数
  值
  评论
输出功率
  7.1分贝
  viq = 1.4 v p-p differential
i 和 q 输入偏置电平
  0.5 v
  推荐
差分输入阻抗
  2900 kω
adl5372的输入电路需要0.5 v共模电压,该电压由流过50 ω电阻的10 ma直流电流提供。0ma 至 20ma 交流电流由两个 50 ω电阻和一个 100 ω 电阻共享。因此,调制器输入之间的交流电压为20 ma ×((50 × 2) || 100) = 1 v p-p。txdac和调制器之间的滤波器可去除不需要的频率成分。滤波器的输入和输出阻抗为100 ω。完整的界面如图 6 所示。
图6.直流耦合发射机if接口图及滤波器仿真结果
采用50 ω输出时,adl5372的电压转换增益为0.2 dbm。对于13 db par调制器信号,tx数字预失真过程的平均功率必须至少降低15 db。adl5372采用1 v p-p单音输入时,调制器的平均输出功率为7.1 dbm – 2.9 dbm = 4.2 dbm。如果考虑低通滤波器的2.2 dbm插入损耗,峰值输出功率为4.2 dbm – 2.2 dbm = 2 dbm。在这种状态下,调制器输出端的平均输出功率为–10 dbm。
对于11 dbm的平均功率信号,tx信号链中需要一个具有26 dbm p1db的pa驱动器。如果需要2 db插入损耗rf滤波器来抑制调制器的lo馈通和边带输出,则增益模块和pa驱动器必须提供总计21 db的增益。本应用建议使用集成增益模块、数字控制衰减器和pa驱动器的adl5243 vga。
结论
本文介绍adc解调器、if vga、混频器和模拟端口的zif和超外差接收器差分接口,以及txdac和fmod之间的发送器差分接口,将adi公司的器件用于信号链的有源部分。给出了为这些电路设计的应用滤波器的增益计算和仿真结果。


虹科诚邀您9月6-8号参加第24届中国国际光电博览会
堆栈溢出技术从入门到精通
vivo120W超快闪充公布 4000mAh大电池充满仅需13分钟
海信携100吋三色激光电视亮相广交会 吸引了大批观众的强烈围观
国产ACDC开关电源芯片:SM7015工作原理与应用方案
差分接口提高了RF收发器设计的性能
Type-C是USB接口的一种,它对防水的要求非常高
华体照明与浪潮软件签订战略合作协议 促进智慧城市发展
2020结束了,但是企业数字化的进程依然在继续
红米Note 11 Pro怎么样,其中有13%的芯片来自联发科
Blaize与Innovatrics携手提供边缘就绪的低功率低延迟面部识别技术
即使iphone降价成常态 中国手机行业也不会怎么受影响
技术详解特斯拉Model S首起致命车祸 后续如何避免?
风河与KW-Software联合推出预集成工业控制软件解决方
三段式电流保护原理
新唐科技ARM Cortex-M 音频系统芯片介绍
智能量子接收原型机介绍
以FPGA为基础的激光陀螺信号解调系统设计过程详解
2021款理想ONE正式发布,为老款的小改款
人工智能伴侣需要具备什么功能?