變頻無線發(fā)射機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計詳解 —電路圖天天讀（188） - 全文

　　電路為寬帶直接變頻發(fā)射機(jī)模擬部分的完整實施方案（模擬基帶輸入、RF輸出）。通過使用鎖相環(huán)（PLL）和寬帶集成電壓控制振蕩器（VCO），本電路支持500MHz至4.4GHz范圍內(nèi)的RF頻率。PLL中的本振（LO）執(zhí)行諧波濾波，確保提供出色的正交精度、邊帶抑制和低誤差矢量幅度（EVM）。低噪聲、低壓差調(diào)節(jié)器（LDO）確保電源管理方案對相位噪聲和EVM沒有不利影響。這種器件組合可以提供500MHz至4.4GHz頻率范圍內(nèi)業(yè)界領(lǐng)先的直接變頻發(fā)射機(jī)性能。

　　圖1：直接變頻發(fā)射機(jī)（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）。

　　圖2:CN-0285直接變頻發(fā)射機(jī)評估板。

　　電路描述

　　圖1所示電路使用完全集成的小數(shù)N分頻PLL ICADF4351和寬帶發(fā)射調(diào)制器ADL5375.ADF4351向發(fā)射正交調(diào)制器ADL5375提供LO信號，后者將模擬I/Q信號上變頻為RF信號。兩個器件共同提供寬帶基帶I/Q至RF發(fā)射解決方案。ADF4351采用超低噪聲3.3VADP150調(diào)節(jié)器供電，以實現(xiàn)最佳LO相位噪聲性能。 ADL5375則采用5VADP3334LDO供電。ADP150 LDO的輸出電壓噪聲僅為9μVrms，有助于優(yōu)化VCO相位噪聲并減少VCO推壓的影響（等效于電源抑制）。

　　需要對ADF4351 RF輸出進(jìn)行濾波，以衰減諧波水平，使ADL5375正交產(chǎn)生模塊的誤差最小。依據(jù)測量和仿真得知，奇次諧波對正交誤差的貢獻(xiàn)大于偶次諧波；如果將奇次諧波衰減至？30dBc以下，則可以實現(xiàn)？40dBc或更好的邊帶抑制性能。ADF4351數(shù)據(jù)手冊給出了其二次諧波（2H）和三次諧波（3H）水平，如表 1所示。為使三次諧波低于-30dBc，大約需要衰減20dB.

　　表1:ADF4351 RF輸出諧波水平（未經(jīng)濾波）。

　　本電路提供四種不同的濾波器選項，以適應(yīng)四個不同的頻段。這些濾波器設(shè)計采用100Ω差分輸入（ADF4351 RF輸出經(jīng)適當(dāng)匹配）以及50Ω差分輸出（ADL5375 LOIN差分阻抗）。并采用切比雪夫響應(yīng)，以獲得最佳濾波器滾降，但通道紋波會增多。濾波器原理圖如圖3所示。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)十分靈活，既可以使用全差分濾波器，使器件數(shù)量最少，也可以對各路輸出使用一個單端濾波器，或者綜合運用以上二者。我們發(fā)現(xiàn)，對于較高頻率（》2GHz），兩個單端濾波器的串聯(lián)電感值是全差分濾波器電感值的兩倍，因而器件寄生效應(yīng)的影響得以減小，可提供最佳性能。對于較低頻率（《2GHz），全差分濾波器足以滿足需要。

　　圖3:ADF4351 RF輸出濾波器原理圖。

　　ADF4351輸出匹配包括ZBIAS上拉電阻，電源節(jié)點的去耦電容也起到一定的作用。為實現(xiàn)寬帶匹配，建議使用阻性負(fù)載（ZBIAS=50Ω），或者將一個阻性負(fù)載與ZBIAS的電抗性負(fù)載并聯(lián)。后者提供的輸出功率稍高，具體取決于所選的電感。

　　可以將并聯(lián)電阻作為差分元件（即100Ω）放置在C1c位置上，以最大程度減少電路板占位空間（見表2中的B型濾波器）。將濾波器設(shè)計成截止頻率約為目標(biāo)頻段中最高頻率的1.2至1.5倍。該截止頻率允許設(shè)計留有一定余量，因為通常截止頻率會由于寄生效應(yīng)而低于設(shè)計值。印刷電路板（PCB）寄生效應(yīng)可以在電磁（EM）仿真工具中進(jìn)行仿真，以提高精度。

　　表2:ADF4351 RF輸出濾波器元件值（DNI=不插入）。

　　從表2可以看出，在1250MHz以下的較低頻率時，需要一個五階濾波器。對于1.25GHz至2.8GHz的頻率，三階濾波器便足夠。對于2.8GHz以上的頻率，由于此時諧波水平非常低，足以滿足邊帶抑制要求，因此無需濾波。

　　圖4:B型濾波器的邊帶抑制（850MHz至2450MHz）。

　　圖5:EVM圖。

　　對于使用B型濾波器（800MHz至2，400MHz）的電路，其邊帶抑制性能與頻率的關(guān)系如圖4所示。此次掃描的測試條件如下：基帶I/Q幅度=1Vp-p差分正弦波與500mV（ADL5375-05）直流偏置正交?；鶐/Q頻率（fBB）=1MHz.EVM衡量數(shù)字發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的性能質(zhì)量，反映幅度和相位誤差所導(dǎo)致的實際星座點與理想位置的偏差（見圖5）。表3給出了有濾波器和無濾波器兩種情況下的EVM測量結(jié)果。本例中，基帶I/Q信號是利用3GPP測試模型4，使用Rhode & Schwarz AMIQ I/Q調(diào)制發(fā)生器，通過差分I和Q模擬輸出產(chǎn)生。

　　表3：單載波W-CDMA復(fù)合EVM結(jié)果：ADF4351 RF輸出端有濾波器和無濾波器兩種情況對比（根據(jù)3GPP規(guī)范測試模型4測量）。

　　另外還使用了B型濾波器。圖6為EVM測試設(shè)置的框圖。為了進(jìn)行比較，還測量了 ADF4350.ADF4351由于帶內(nèi)PLL噪聲性能改善產(chǎn)生較低的EVM可參見表3.其他改善EVM的因素有：ADF4351較低的鑒頻鑒相器（PFD）雜散水平。

　　圖6:EVM測量設(shè)置（原理示意圖）。

　　以差分方式驅(qū)動ADL5375 LO輸入，除了可以改善邊帶抑制和EVM之外，還具有性能優(yōu)勢。與單端LO驅(qū)動相比，這一優(yōu)勢提高了調(diào)制器輸出OIP2性能2dB至5dB.請注意，多數(shù)外部VCO僅提供單端輸出，因此ADF4351采用差分輸出優(yōu)于使用外部VCO.圖7顯示使用850MHz至2450MHz濾波器（B型濾波器）的邊帶抑制結(jié)果。

　　圖7:850MHz至2450MHz、B型濾波器的邊帶抑制結(jié)果。

　　常見變化

　　當(dāng)單個濾波器無法完成所需的寬帶操作時，可以使用ADF4351的輔助輸出，在兩種類型的濾波器之間切換（見圖8）。使用一個RF雙刀四擲開關(guān)（DP4T）選擇濾波器1或濾波器2的差分輸出。

　　圖8：利用ADF4351的主輸出和輔助輸出實現(xiàn)濾波器切換的應(yīng)用圖。

　　電路評估與測試

　　EVAL-CN0285-EB1Z評估板包含CN-0285中描述的電路，可以快速完成設(shè)置并評估電路性能。EVAL-CN0285-EB1Z板的控制軟件使用標(biāo)準(zhǔn)ADF4351編程軟件，該軟件包含在評估板附帶的光盤上。