借助差分接口優(yōu)化射頻收發(fā)器設(shè)計(jì)性能

　　傳統(tǒng)收發(fā)器設(shè)計(jì)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(shí)，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(jì)中，差分接口常用在中頻電路中以獲得更好的性能，但實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，工程師需要處理幾個(gè)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(jì)算。了解發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中的差分電路對(duì)優(yōu)化增益匹配和系統(tǒng)性能很有幫助。

　　差分接口優(yōu)勢(shì)

　　差分接口有三大主要優(yōu)勢(shì)。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(duì)于零中頻（ZIF）接收機(jī)非常重要，因?yàn)槌霈F(xiàn)在低頻信號(hào)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(cè)試儀器中。

　　ZIF接收機(jī)接口設(shè)計(jì)和增益計(jì)算

　　在零中頻（ZIF）接收機(jī)設(shè)計(jì)中，IF信號(hào)是復(fù)信號(hào)，直流和低頻率信號(hào)來提供有用信息。典型解調(diào)器在驅(qū)動(dòng)200 Ω至450 Ω負(fù)載時(shí)可提供最佳性能，同時(shí)ADC驅(qū)動(dòng)器的輸入阻抗一般并非50 Ω，因此設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)采用直流耦合很重要也很困難。

　　圖1顯示了一個(gè)ZIF接收機(jī)配置，它使用兩個(gè)低噪聲放大器（LNA） ADL5523 一個(gè)400MHz至6000MHz正交I/Q解調(diào)器ADL5380、一個(gè)作為本振（LO）的寬帶頻率合成器ADF4350以及一個(gè)雙通道數(shù)字可編程可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）AD8366。表1顯示了相關(guān)ADL5380接口和增益參數(shù)。

　　圖1. ZIF接收機(jī)框圖

　　表1.ADL5380接口和增益參數(shù)

　　與具有217 Ω差分輸入阻抗的AD8366接口時(shí)，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(huì)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) 

　　AD8366的共模輸出電壓可設(shè)置為2.5 V；當(dāng)VCM保持浮空時(shí)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(dòng)200Ω載。要實(shí)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(hào)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(duì)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。

　　圖2.ZIF接收機(jī)接口框圖和仿真濾波器特性（點(diǎn)擊圖片放大）

　　為保留足夠的余量來應(yīng)付整個(gè)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(gè)信號(hào)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(jí)聯(lián)方式插入的兩個(gè)LNA實(shí)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(hào)。如果輸入信號(hào)是具有10 dB峰均比（PAR）的調(diào)制信號(hào)，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(hào)為－41dBm。

　　換言之，電壓增益可用于計(jì)算信號(hào)鏈鏈路預(yù)算。當(dāng)輸入端口阻抗等于輸出端口阻抗時(shí)，電壓增益等于功率增益。整個(gè)信號(hào)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(duì)于單音信號(hào)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(jì)算的結(jié)果與功率增益計(jì)算出結(jié)果是相同的。