利用MAX2180 LNA設(shè)計(jì)AM/FM有源天線LNA方案

本文是汽車AM/FM有源天線的參考設(shè)計(jì)（RD）。該RD展示了MAX2180有源天線低噪聲放大器（LNA）的靈活性，并展示了如何設(shè)置AM和FM增益以及自動(dòng)增益控制攻擊點(diǎn)。詳細(xì)介紹了單天線和雙天線原理圖，包括輸入和輸出匹配電路。將這種設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)手冊(cè)和器件的評(píng)估（EV）套件結(jié)合使用，可以輕松開(kāi)發(fā)原型天線，以滿足各種有源天線要求。

介紹

本應(yīng)用筆記介紹了AM/FM汽車天線的參考設(shè)計(jì)（RD）。該設(shè)計(jì)采用MAX2180，這是一款高度集成的AM/FM低噪聲放大器（LNA），用于有源天線模塊。LNA在AM和FM信號(hào)路徑中集成了Maxim的自動(dòng)增益控制技術(shù)，具有用戶可設(shè)置的攻擊點(diǎn)。AM和FM信號(hào)路徑的最大增益也是可變的，以適應(yīng)廣泛的客戶要求。研發(fā)將詳細(xì)介紹這種集成汽車解決方案的靈活性和性能。

概述

汽車天線需求繼續(xù)推動(dòng)更小、更集成的解決方案，同時(shí)保持現(xiàn)代AM/FM收音機(jī)預(yù)期的高性能。一些解決方案需要自動(dòng)增益控制（AGC），而其他解決方案則使用固定增益LNA以實(shí)現(xiàn)最低成本。一些解決方案為有源天線提供穩(wěn)定的電源電壓，但大多數(shù)解決方案仍采用電池供電。天線解決方案供應(yīng)商面臨的挑戰(zhàn)是如何滿足廣泛的行業(yè)要求，而無(wú)需不斷重新設(shè)計(jì)分立式解決方案或使用仍然需要外部PIN二極管和穩(wěn)壓器的昂貴IC。由于資源和空間有限，天線供應(yīng)商的理想解決方案是高性能、低成本且靈活的IC，無(wú)需重新設(shè)計(jì)、BOM更改和電路板旋轉(zhuǎn)即可輕松滿足各種要求。

目前，一些供應(yīng)商為有源天線提供集成的AM/FM解決方案。不幸的是，它們需要外部PIN二極管來(lái)提供AGC。這些解決方案還需要穩(wěn)壓電源或外部調(diào)整管（如果采用電池供電）。這些外部組件增加了成本并擴(kuò)大了解決方案的占用空間。如果不需要AGC，則解決方案提供商通常以最低的成本使用分立器件。分立式設(shè)計(jì)的問(wèn)題在于，所需增益、電源電壓或占位面積的任何變化都需要重新設(shè)計(jì)。這使得報(bào)價(jià)機(jī)會(huì)復(fù)雜化，并且需要額外的設(shè)計(jì)資源，而這些資源總是供不應(yīng)求。

最佳天線方案和MAX2180

Maxim Integrated開(kāi)發(fā)了一種AM/FM天線解決方案，該解決方案集成了所有有源元件，滿足當(dāng)今苛刻的汽車天線要求。天線具有MAX2180 LNA。MAX2180采用內(nèi)部高壓CMOS工藝，集成了AM和FM AGC以及高壓穩(wěn)壓器，采用4mm x 4mm TQFP小封裝。這種設(shè)計(jì)省去了所有PIN二極管和外部穩(wěn)壓器或調(diào)整管，同時(shí)采用電池或穩(wěn)壓電源供電。MAX2180允許改變最大AM和FM增益以及AGC攻擊點(diǎn)。它還包括在故障條件下以 15mA 電流消耗進(jìn)行天線監(jiān)控。

LNA的片內(nèi)穩(wěn)壓器工作電壓范圍為7V至24V。為了防止熱損壞，集成的溫度傳感器通過(guò)折回電流來(lái)限制最大結(jié)溫。無(wú)論環(huán)境條件如何，這都能保持放大器處于活動(dòng)狀態(tài)。

AM輸入為高阻抗和低輸出阻抗，而FM放大器提供50Ω輸入和輸出阻抗。最大AM增益可通過(guò)改變一個(gè)外部電阻器在0dB至6dB范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)R1 = 0Ω時(shí)，最大FM增益可在5.8dB至8.5dB范圍內(nèi)變化。為了改善噪聲系數(shù)，R1應(yīng)為390Ω，從而將增益范圍提高到10.0dB至10.8dB。兩條信號(hào)路徑均采用Maxim專利AGC電路，增益控制范圍為30dB。此外，AGC攻擊點(diǎn)可以改變，為主機(jī)提供所需的最大輸出電平。

使用數(shù)據(jù)資料的表格選擇所需的信號(hào)路徑增益和AGC攻擊點(diǎn)，簡(jiǎn)化了MAX2180的設(shè)計(jì)。這種自定義/值范圍允許一種設(shè)計(jì)滿足多種要求，而無(wú)需重新旋轉(zhuǎn)電路板。如圖1所示，MAX2180提供比競(jìng)爭(zhēng)方案更高的集成度，同時(shí)保持靈活性以滿足各種要求。圖2顯示了單天線解決方案的應(yīng)用原理圖。

圖1.MAX2180高度集成方案（A）與競(jìng)爭(zhēng)的AM/FM有源天線方案（B）的對(duì)比。

圖2.單天線方案的應(yīng)用原理圖采用MAX2180。

設(shè)計(jì)示例

我們的測(cè)試示例是用于小型汽車的低增益天線。這種應(yīng)用需要更多的增益，但小型汽車中的短電纜減少了天線到主機(jī)的損耗，AM的目標(biāo)最大輸入電平為+80dBμV，F(xiàn)M的最大輸入電平為+95dBμV。

AM：引腳1電阻= 0Ω，增益為6.5dB（表1），引腳17接地，AM輸出AGC攻擊點(diǎn)為+79dBμV（表2）。

FM：引腳10接地，F(xiàn)M增益為8.5dB（表3），引腳12電阻= 39kΩ接地，F(xiàn)M輸出AGC攻擊點(diǎn)為+94dBμV（表4）。

輸入電路

對(duì)于單個(gè)天線，雙工器必須最小化有效輸入電容，以免加載高阻抗AM輸入。在AM頻段，天線通常是高阻抗的，因此任何增加的分流電容都會(huì)衰減AM信號(hào)。該電路還必須為FM輸入提供良好的匹配，以實(shí)現(xiàn)最佳噪聲系數(shù)和頻率響應(yīng)，同時(shí)抑制其他頻段的信號(hào)。

在AM輸入端，F(xiàn)M“陷阱”用于最小化AM輸入的FM信號(hào)電平。為了避免FM頻段的負(fù)載，陷阱的深度為60dBc，天線和陷阱之間放置了一個(gè)4.7μH的電感。為了防止FM到AM失真，AM輸入端的串聯(lián)電感器改善了FM頻段的反饋。雙工器的FM部分將50Ω天線與FM輸入相匹配，同時(shí)將AM頻段衰減超過(guò)90dB。應(yīng)盡量減少電感器的數(shù)量，因?yàn)槊吭黾右粋€(gè)元件，就會(huì)因Q值有限而降低噪聲系數(shù)。

雙天線解決方案（圖 3）允許簡(jiǎn)化濾波，并以更少的組件實(shí)現(xiàn)稍微更好的 FM 匹配。

圖3.雙天線方案的應(yīng)用原理圖采用MAX2180。

輸出電路

輸出電路需要組合AM和FM輸出，同時(shí)將幻象電源饋送到集成的高壓穩(wěn)壓器。為了幫助衰減到達(dá)穩(wěn)壓器的任何AM信號(hào)，幻象電源通過(guò)連接到交流耦合AM輸出的大電感到達(dá)集成穩(wěn)壓器。AM輸出通過(guò)第二個(gè)但更小的電感器連接到輸出連接器，以防止FM輸出失真AM輸出級(jí)。FM 輸出與一個(gè)小阻斷電容器交流耦合，以防止任何 IM2 產(chǎn)品 （A-B） 使 AM 輸出失真。反饋路徑也存在。建議的解決方案是將390Ω電阻（R1）與2200pF電容（C1）串聯(lián)，以獲得最佳噪聲系數(shù)性能。輸出閉鎖電容（C2）后面的焊盤(pán)可用于根據(jù)需要調(diào)節(jié)總增益。FMOUT 的上拉電感 （L1） 的尺寸用于阻抗匹配和增益。LDO輸出（V）之間的簡(jiǎn)單R/C濾波器（3.3Ω/10nF）線性分布器） 改進(jìn)了 FM 噪聲系數(shù)。FMBYP 引腳需要 100pF 旁路電容器才能提供 30dB 的 AGC 范圍。

散熱注意事項(xiàng)

電路板設(shè)計(jì)需要提供從零件裸露焊盤(pán)到模塊機(jī)箱的低熱阻。為了支持此引腳，可以將引腳 20 到 23 接地，從而允許從裸露焊盤(pán)到機(jī)箱焊接點(diǎn)或螺釘孔的實(shí)心銅層穿過(guò)這些引腳下方（圖 4）。該器件集成了一個(gè)溫度傳感器，一旦芯片溫度達(dá)到+135°C，該傳感器將逐漸降低電流消耗。 該部件在防止熱損壞的同時(shí)保持運(yùn)行。

圖4.印刷電路板（PCB）顯示了一種低熱阻解決方案。

結(jié)論

MAX2180 AM/FM天線LNA結(jié)合了設(shè)計(jì)滿足一系列高性能要求的汽車天線模塊所需的所有功能和特性。由于LNA的靈活性，天線可以根據(jù)不斷變化的應(yīng)用要求進(jìn)行修改，而無(wú)需完全重新設(shè)計(jì)或昂貴的BOM更改。成本敏感型方案可以使用高度集成的MAX2180，減少分立外部元件的數(shù)量，節(jié)省電路板空間，同時(shí)仍能滿足當(dāng)今的低噪聲、高線性度要求。

該RD中的FM信號(hào)路徑提供+133dBμV的OIP3和+180dBμV的OIP2。 支持在7V至24V電源電壓范圍內(nèi)工作，并保證8V至15V的性能。MAX2180采用4mm x 4mm TQFP封裝，ESD額定值為±4kV HBM。提供樣品和評(píng)估板。

審核編輯：郭婷