兩款固定增益放大器消除了設(shè)計(jì)方案難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題 - 全文

由于人們?nèi)找婵释ㄟ^(guò)智能手機(jī)、TV、GPS 和 Wi-Fi 傳送數(shù)據(jù)，所以通信基礎(chǔ)設(shè)施的有限帶寬幾乎被填滿了。為了滿足這種渴望，通信設(shè)計(jì)師定義了各種系統(tǒng)，將越來(lái)越多的數(shù)據(jù)塞進(jìn)有限的帶寬中，不過(guò)數(shù)據(jù)傳輸速率的提高是有代價(jià)的：需要保真度越來(lái)越高的發(fā)送和接收信號(hào)鏈路。

至于放大器，要忠實(shí)地再現(xiàn)信號(hào)并不降低原始信號(hào)質(zhì)量，就需要低噪聲和高線性度。在信號(hào)功率較低時(shí)，不想要的噪聲必須足夠低，以允許想要傳輸?shù)男盘?hào)上升到噪聲層之上。在信號(hào)電平較高時(shí)，線性放大器必須防止不想要的諧波和互調(diào)分量屏蔽想要傳送的信號(hào)。LTC6431-15 和 LTC6430-15 就實(shí)現(xiàn)了這兩個(gè)目標(biāo)。

LTC6431-15 和 LTC6430-15 是兩款固定增益放大器，具備非常高的 OIP3 (線性度)，有關(guān)噪聲非常低。LTC6431-15 是單端射頻 (RF) / 中頻 (IF) 增益構(gòu)件，可直接驅(qū)動(dòng) 50Ω 負(fù)載，而 LTC6430-15 是差分 RF / IF 增益構(gòu)件，具備更高的功率和更寬的線性帶寬。這些增益構(gòu)件兼具最高性能和易用性，通過(guò)在內(nèi)部處理偏置、阻抗匹配、溫度補(bǔ)償和穩(wěn)定性問(wèn)題，消除了設(shè)計(jì)方案難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

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針對(duì)低輸入信號(hào)電平提供低 NF

在低輸入信號(hào)電平時(shí)，噪聲限制了通信系統(tǒng)的靈敏度。通信系統(tǒng)的噪聲特性由噪聲指數(shù) (NF) 來(lái)表示，由輸入端的“信號(hào)噪聲功率比”除以輸出端的“信號(hào)噪聲功率比”得出，單位為分貝。放大器的輸入端總是存在噪聲，而且噪聲與想要傳輸?shù)男盘?hào)一起放大。NF 表示放大器本身給信號(hào)增加了多少不想要的噪聲。理想情況下，放大器的 NF 為 0dB，但是任何真實(shí)的放大器都會(huì)增加噪聲，因此人們的目標(biāo)是，最大限度地減少噪聲損害。典型 IF 放大器具備 3dB 至 12dB 噪聲指數(shù)。LTC6431-15 和 LTC6430-15 在 240MHz 時(shí)均展現(xiàn)出 3.3dB NF。

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令人印象深刻的 OIP3 有效降低 IM 分量

線性度限制了在頻率域隔離想要信號(hào)和不想要信號(hào)的能力。在輸入信號(hào)電平較高時(shí)，想要的信號(hào)上升至遠(yuǎn)高于噪聲層，因此噪聲不是什么問(wèn)題，但是放大器的線性度變得更加重要了。

如圖 1 所示，如果將一個(gè)單音調(diào)注入非線性放大器，那么結(jié)果得到的是想要的音調(diào)及其諧波。通常情況下，這些諧波信號(hào)可以濾除，因?yàn)樵陬l率域它們與想要的音調(diào)離得足夠遠(yuǎn)。如果將兩個(gè)音調(diào)注入一個(gè)非線性放大器，那么結(jié)果得到的是，兩個(gè)想要的音調(diào)以及由眾多不想要的音調(diào)極其復(fù)雜地混合在一起，這包括兩個(gè)音調(diào)的諧波、兩個(gè)輸入音調(diào)的和與差、以及其他互調(diào)分量 (參見(jiàn)圖 2)。

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圖 1：非線性器件輸入端的音調(diào)在輸出端產(chǎn)生諧波

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圖 2：非線性器件輸入端的兩個(gè)音調(diào)在輸出端產(chǎn)生互調(diào)分量

互調(diào) (IM3) 分量 (2f1 – f2 和 2f2 – f1) 是這些不想要音調(diào)的一個(gè)子集，這個(gè)互調(diào)分量子集尤其麻煩。IM3 分量可能非?？拷胍盘?hào)的頻率，從而使得這些分量幾乎不可能濾除掉。

放大器線性度特性最常用三階輸出截取點(diǎn) (OIP3) 來(lái)表示，這是一個(gè)假想點(diǎn)，在這個(gè)點(diǎn)上，IM3 分量的功率與基頻信號(hào)功率相交。LTC6431-15 展現(xiàn)了非常小的 IM3 分量，因此其 OIP3 非常好。當(dāng)阻塞 (干擾) 信號(hào)或相鄰?fù)ǖ揽康梅浅＝鼤r(shí)，最大限度降低 IM3 分量尤其重要，因?yàn)?IM3 分量的增大速度是想要音調(diào)的三倍。在不使想要信號(hào)失真的情況下，這限制了放大器能夠處理的可接受的輸出功率，因此也就限制了輸入功率。

噪聲 (用 NF 表示其特性) 限制了放大器對(duì)小幅度輸入信號(hào)的靈敏度，而線性度 (用 OIP3 表示其特性) 限制了放大器對(duì)大幅度輸入信號(hào)的靈敏度。NF 和 OIP3 這兩種衡量標(biāo)準(zhǔn)合起來(lái)，定義了放大器對(duì)一個(gè)信號(hào)的可用動(dòng)態(tài)范圍。

高線性度解決最難的通信問(wèn)題

LTC6431-15 在 240MHz 時(shí) OIP3 典型值為 47dBm，基本上將 IM3 分量壓到了噪聲層中，這樣 IM3 分量就不能干擾想要信號(hào)了 (參見(jiàn)圖 3)。LTC6430-15 也不甘示弱，在 240MHz 時(shí)其 OIP3 為 50dBm。結(jié)合其 3.3dB NF，這兩款放大器都提供非常寬的動(dòng)態(tài)范圍，通過(guò)在高信號(hào)電平和低信號(hào)電平時(shí)保持高保真度，應(yīng)對(duì)了高數(shù)據(jù)傳輸速率的挑戰(zhàn)。

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圖 3：LTC6431-15 在 240MHz 時(shí) OIP3 為 47dBm，基本上是將雙音調(diào)信號(hào)的 IM3 分量壓到噪聲層中，這樣 IM3 分量就不能干擾想要信號(hào)了。

易于插入不同應(yīng)用中

實(shí)現(xiàn) RF / IF 增益級(jí)并不總是很容易。傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)師必須首先考慮電路偏置。LTC6431-15 擁有一個(gè)內(nèi)部偏置電路，該電路僅需從單 5V 電源吸取 90mA 電流，而 LTC6430-15 僅從單 5V 電源吸取 160mA 電流。

該內(nèi)部偏置電路優(yōu)化了器件的最大線性度工作點(diǎn)。溫度補(bǔ)償電路在環(huán)境條件變化時(shí)保持性能不變，防止高溫時(shí)電流流失。這些器件還有內(nèi)部穩(wěn)壓器，以最大限度地減小電源缺陷導(dǎo)致的性能變化。

RF / IF 放大器在輸入端和輸出端還必須是阻抗匹配的，以最大限度地增大所傳輸?shù)墓β屎蜏p小反射。傳統(tǒng)上，這是一項(xiàng)耗時(shí)費(fèi)力且需要反復(fù)進(jìn)行多次的任務(wù)。一般情況下，設(shè)計(jì)師必須增加輸入和輸出網(wǎng)絡(luò)，以使放大器阻抗與系統(tǒng)阻抗相匹配，通常是 50Ω。這些匹配網(wǎng)絡(luò)又會(huì)改變放大器的 NF 和 OIP3，通常犧牲 NF 和 OIP3 性能以實(shí)現(xiàn)合理的阻抗匹配。

LTC6431-15 和 LTC6430-15 放大器在 20MHz 至 1700MHz 頻帶范圍內(nèi)，在內(nèi)部匹配了輸入和輸出阻抗，從而簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，同時(shí)保持 NF 和 OIP3 不變。單端 LTC6431-15 的輸入和輸出在內(nèi)部匹配到 50Ω，而 LTC6430-15 的輸入和輸出端在內(nèi)部匹配到 100Ω 差分阻抗。這就允許這些器件非常容易地插入不同應(yīng)用中，而無(wú)需額外增加匹配組件。

有保證的穩(wěn)定性和性能

與凌力爾特的應(yīng)用電路一起使用時(shí)，LTC6431-15 和 LTC6430-15 都是可無(wú)條件穩(wěn)定的。A 級(jí)版本 LTC6431-15 在 240MHz 時(shí)的 OIP3 特性是單獨(dú)地表示的，保證 44dBm 的最小 OIP3。類似地， A 級(jí)版本 LTC6430-15 在 240MHz 時(shí)的 OIP3 也是單獨(dú)表示的，保證 47dBm 的最小 OIP3。

一類全新的 RF 放大器

凌力爾特在生產(chǎn)卓越的運(yùn)放型放大器方面擁有悠久歷史，這類放大器能夠以最低噪聲和低失真來(lái)處理低頻信號(hào)。盡管 LTC6431-15 和 LTC6430-15 不能像運(yùn)放那樣放大 DC 信號(hào)，但是它們能夠放大高達(dá) 2GHz 的信號(hào)。運(yùn)算放大器一般難以在高于 200MHz 時(shí)工作。

使用運(yùn)算放大器時(shí)，一般需要增加反饋以設(shè)定增益。提高電壓反饋運(yùn)算放大器的增益會(huì)進(jìn)一步減小工作帶寬。另一方面，凌力爾特的 RF 型放大器提供 15dB 固定功率增益。RF 解決方案缺乏增益調(diào)節(jié)通用性，但是可用帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了可從運(yùn)算放大器獲得的帶寬。

運(yùn)算放大器用來(lái)驅(qū)動(dòng)高阻抗負(fù)載，而 LTC6430 / LTC6431 放大器可驅(qū)動(dòng) 50Ω 負(fù)載，并在很寬的頻率范圍內(nèi) (20MHz 至 1700MHz) 實(shí)時(shí)提供功率。與運(yùn)算放大器不同，這種專注于 RF 的設(shè)計(jì)在輸入和輸入端不需要終端電阻，因?yàn)橐呀?jīng)在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配。輸入端的終端電阻增加噪聲，輸出端的終端電阻衰減提供給負(fù)載的功率。因此，這兩款 RF 放大器解決方案提供了更好的總體噪聲性能和線性度。LTC6430-15 和 LTC6431-15 放大器為不需要 DC 耦合的 AC 信號(hào)應(yīng)用提供了卓越的解決方案。

LTC6431-15 單端 50Ω 放大器

單端 LTC6431-15 是多種應(yīng)用的理想解決方案。該器件作為 IF 放大器使用時(shí)表現(xiàn)十分出色，克服了濾波器損耗問(wèn)題，或者作為 ADC 驅(qū)動(dòng)器與平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器一起使用時(shí)，表現(xiàn)也同樣出色。憑借很寬的帶寬，LTC6431-15 可涵蓋整個(gè) CATV 頻帶。

圖 4 所示是一個(gè)單端 IF 放大器，圖 5 所示是 LTC6431-15 的評(píng)估板和在 100MHz 至 1700MHz 的性能。

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圖 4：?jiǎn)味?IF 放大器

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圖 5：100MHz 至 1700MHz 單端 LTC6431-15 評(píng)估板和性能，顯示了 LTC6430-15 和 LTC6431 的 OIP3 隨頻率的變化。

LTC6430-15 差分應(yīng)用

能夠以差分方式配置 LTC6430-15 的輸入和輸出使該器件能夠適用于各種系統(tǒng)應(yīng)用，在以下各例中，LTC6430-15 的高線性度、低噪聲和寬頻帶性能經(jīng)受住了考驗(yàn)。

在以下第一個(gè)例子中，LTC6430-15 的差分輸出與 ADC 的差分輸入很相配。LTC6430-15 的輸入 / 輸出在內(nèi)部匹配到 100Ω 差分阻抗。就驅(qū)動(dòng)高速 ADC 而言，100Ω 阻抗非常便利。接下來(lái)，在一個(gè)平衡配置中，運(yùn)用 2：1 平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器，LTC6430-15 以低失真提供寬帶放大，驅(qū)動(dòng) 50Ω 負(fù)載。最后，運(yùn)用 1.33：1 平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器，LTC6430-15 可匹配至 75Ω 系統(tǒng)，以跨整個(gè) CATV 頻帶提供寬帶放大。

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ADC 驅(qū)動(dòng)器

LTC6430-15 作為高速、高分辨率 ADC 驅(qū)動(dòng)器使用時(shí)表現(xiàn)出色。這類應(yīng)用的挑戰(zhàn)是，驅(qū)動(dòng)未緩沖 ADC 輸入，使其達(dá)到所要求的輸入電壓值，同時(shí)保持 ADC 的信噪比 (SNR) 和無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 不變。正如評(píng)估電路的性能測(cè)試結(jié)果所示，LTC6430-15 能夠在 LTC2158 (雙通道、14 位、310Msps ADC) 的整個(gè)輸入帶寬范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)該 ADC，而且 SFDR 和 SNR 受到的影響極小。

針對(duì)這一高速、高分辨率 ADC，表 1 顯示了 SNR 和 SFDR 的最小減額。LTC6430-15 的高線性度和低噪聲允許設(shè)計(jì)師在 ADC 輸入端以最低的濾波要求驅(qū)動(dòng)該 ADC。所有測(cè)量值都是從單個(gè)應(yīng)用電路得出的，未調(diào)整匹配網(wǎng)絡(luò)。這突出顯示了 LTC6430-15 的寬帶寬和高線性度性能。

表 1： ADC 驅(qū)動(dòng)器評(píng)估電路隨頻率變化所得結(jié)果總結(jié)

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平衡放大器驅(qū)動(dòng) 50Ω 負(fù)載

采用恰當(dāng)配對(duì)的 2：1 平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器，LTC6430-15 能夠以低噪聲和低失真提供寬帶放大。在這種平衡配置中，放大器在輸入端和輸出端匹配至 50Ω。這種平衡配置還具有抑制二階失真的優(yōu)勢(shì)，這在多倍頻程寬帶應(yīng)用中是至關(guān)重要的。

不幸的是，單個(gè)平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器不能涵蓋 LTC6430-15 的整個(gè)工作頻帶。凌力爾特提供多種覆蓋該放大器擬用帶寬的評(píng)估電路。這些評(píng)估電路的輸入和輸出端已經(jīng)轉(zhuǎn)換到 50Ω，以減輕特性測(cè)試負(fù)擔(dān)。這些評(píng)估電路也展現(xiàn)了 LTC6430-15 用于沒(méi)有平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的純差分應(yīng)用時(shí)的性能。

測(cè)試結(jié)果顯示，針對(duì)感興趣的頻率，選擇正確的平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器是很重要的。由于帶寬受限，平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器限制了 LTC6430-15 的性能?？傊?，這三個(gè)平衡電路都顯示，用 LTC6430-15 可獲得高線性度和寬帶寬。

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CATV 應(yīng)用

CATV 應(yīng)用電路是本文中顯示 LTC6430-15 通用性的最后一個(gè)例子。CATV 給放大器帶來(lái)了獨(dú)特挑戰(zhàn)。所需頻帶常常涵蓋超過(guò)四倍頻程，放大器必須擁有平坦的增益曲線，阻抗必須與 75Ω 環(huán)境匹配。多通道數(shù)目要求卓越的三階線性度，而且由于多倍頻程環(huán)境，也必須抑制二階分量。LTC6430-15 運(yùn)用一對(duì) 1.33：1 平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器，將內(nèi)在 100Ω 差分阻抗轉(zhuǎn)化為 75Ω，可應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

考慮到其低噪聲、低二階和三階失真以及平坦的增益曲線，這個(gè)電路可以滿足 CATV 要求，同時(shí)僅從 5V 電源吸取 800mW 功率。

基于硅的工藝幫助實(shí)現(xiàn)更高的可再生性

LTC6431-15 和 LTC6430-15 是采用高性能 SiGe BiCMOS 工藝制造的，相比之下，其他 RF 增益構(gòu)件則是用 GaAs 晶體管制造的。與可比的 GaAs 工藝相比，運(yùn)用基于硅的工藝可實(shí)現(xiàn)更高的可再生性。BiCMOS 工藝還使凌力爾特能夠在這些器件中集成失真消除、偏置控制和穩(wěn)壓器功能。

結(jié)論

LTC6431-15 和 LTC6430-15 以最低的 DC 功耗實(shí)現(xiàn)了同類最佳的噪聲性能和線性度，滿足了現(xiàn)代通信標(biāo)準(zhǔn)要求，并簡(jiǎn)化了 RF / IF 設(shè)計(jì)。這兩款器件易于使用、具備通用性并能夠在各種各樣的條件下保證高性能。