借助差分接口優(yōu)化射頻收發(fā)器設(shè)計(jì)性能 - 全文

　　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。

　　某些應(yīng)用中，ADL5380可能需要直接連接至AD6642，這種情況下，可為AD6642差分輸入添加500 Ω電阻以改善匹配。ADL5380電壓增益為6.9 dB，且具有與AD8366相同的共模問題。所以應(yīng)使用160 Ω串聯(lián)電阻和100 Ω并聯(lián)電阻來實(shí)現(xiàn)500 Ω負(fù)載和所需的共模電壓。同樣，電阻網(wǎng)絡(luò)可將電壓增益衰減8 dB（功率則衰減4 dB）。

　　在ADL5380與AD6642間放置具有1.5 dB插入損耗的低通濾波器，從而濾除干擾頻率成分。整個(gè)鏈路的輸入阻抗為50 Ω，輸出阻抗為500 Ω。采用這種配置，整個(gè)信號(hào)鏈的增益如下：

　　6.9 dB – 10log （500/50） – 1.5 dB – 4 dB = –8.6 dB.

　　超外差式接收機(jī)接口設(shè)計(jì)和增益計(jì)算

　　超外差式接收機(jī)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)使用交流耦合，因此設(shè)計(jì)超外差接收機(jī)電路時(shí)不必考慮直流共模電壓匹配。

　　許多混頻器，例如ADL535x和ADL580x，具有200 Ω的差分輸出阻抗，因此不同輸出阻抗呈現(xiàn)不同功率增益和電壓增益。

　　圖3顯示了超外差式接收機(jī)的一個(gè)通道，該器件采用以下元件：低噪聲放大器ADL5523具有LO緩沖器、IF放大器和RF巴倫的雙通道平衡混頻器ADL5356；帶通或者低通濾波器；雙通道、超低失真IF VGAAD8376另一個(gè)低通或者帶通抗混疊濾波器；雙通道IF接收機(jī)AD6642

　　圖3.超外差式接收機(jī)框圖（僅顯示一個(gè)通道）

　　該設(shè)計(jì)使用140MHz 中頻和20MHz帶寬，因此器件連接時(shí)可采用交流耦合。

　　AD5356在200 Ω負(fù)載下具有最佳性能，而AD8376的輸入阻抗為150 Ω。因此，為了抑制混頻器輸出雜散并提供良好的阻抗匹配，差分LC濾波器必須具有200 Ω的輸入阻抗和150 Ω的輸出阻抗。在某些應(yīng)用中，需要通過過渡帶極窄濾波器抑制頻帶外信號(hào)，可使用差分SAW濾波器來實(shí)現(xiàn)，但這會(huì)給接收機(jī)信號(hào)鏈引入過大的損耗和群延遲。四階差分帶通巴特沃茲濾波器可適合許多無線接收機(jī)，因?yàn)榍岸薘F濾波器可以為帶外干擾提供足夠的衰減。

　　表3. ADL5356和AD8376接口和增益參數(shù)

　　AD8376的電流輸出型電路具有高輸出阻抗，因此其差分輸出需要接150 Ω電阻實(shí)現(xiàn)電壓輸出。另一個(gè)差分濾波器放置在AD8376和ADC之間，用于衰減二階和三階諧波失真成分，因此該150 Ω負(fù)載可以被分成兩部分。首先將300 Ω電阻安裝于AD8376的輸出端。另一個(gè)300 Ω電阻由兩個(gè)165 Ω電阻和ADC的3 kΩ輸入阻抗構(gòu)成。兩個(gè)165 Ω電阻同時(shí)為ADC輸入提供直流共模電壓。LC濾波器的輸入和輸出阻抗均為300 Ω。對(duì)于高中頻應(yīng)用，信號(hào)源和負(fù)載的阻抗的完美匹配是非常重要的。完整接口如圖4所示。

　　圖4.超外差式接收機(jī)接口框圖和濾波器仿真結(jié)果

　　此接收機(jī)中，混頻器之前放置一個(gè)20 dB LNA?；祛l器之后的濾波器具有2 dB插入損耗；AD8376與ADC之間的濾波器具有1.2 dB插入損耗。AD8376增益設(shè)置為14 dB，以便提供足夠的余量來應(yīng)對(duì)溫度變化。接收機(jī)的總體增益為：

　　20 dB + 8.2 dB – 2 dB + 14 dB – 1.2 dB = 39 dB.

　　為將ADC輸入電壓限制在2 V p-p以下，傳輸?shù)?50 Ω電阻（300 Ω || （165 Ω × 2） || 3 k Ω）的功率應(yīng)小于5.2 dBm。因此對(duì)于單音信號(hào)，接收機(jī)最大輸入功率為–33.8 dBm。如果輸入信號(hào)是10 dB PAR調(diào)制信號(hào)，使用此增益設(shè)置的最大輸入信號(hào)為–40.8 dBm。

　　發(fā)射機(jī)接口設(shè)計(jì)和增益計(jì)算

　　對(duì)于發(fā)射通道設(shè)計(jì)，ZIF和超外差式架構(gòu)具有相似的接口特性，均需要在TxDAC®與調(diào)制器間執(zhí)行直流耦合。大多數(shù)調(diào)制器的中頻輸入電路需要外部提供直流偏置；TxDAC輸出可為直流耦合模式下的調(diào)制器提供直流偏置。大多數(shù)高速DAC是電流輸出架構(gòu)，因此需要外輸出電阻才能為調(diào)制器產(chǎn)生輸入電壓。

　　圖5顯示了超外差式或ZIF發(fā)射機(jī)，該器件采用以下元件：TxDACAD9122、低通濾波器、正交調(diào)制器ADL537x、另一個(gè)RF濾波器、頻率合成器ADF4350、數(shù)字控制VGAADL5243、功率放大器、用于控制功率放大器（PA）柵極電壓的DACAD562x.

　　圖5.發(fā)射機(jī)框圖

　　對(duì)于AD9122，滿量程輸出電流可設(shè)置在8.66 mA與31.66 mA之間。對(duì)于大于20 mA的滿量程電流，無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）會(huì)變差，但DAC的輸出功率和ACPR也隨著滿量程電流降低而減小。適當(dāng)折衷的方案是將20 mA交流電流疊加于10 mA直流電平上，得到0 mA至20 mA的電流輸出。

　　表4.AD9122和ADL5372接口和增益參數(shù)

　　ADL5372的輸入電路需要0.5 V共模電壓，由流經(jīng)50 Ω電阻的10 mA直流電流提供。0 mA至20 mA交流電流由兩個(gè)50 Ω電阻和一個(gè)100 Ω電阻共享。因此調(diào)制器輸入的交流電壓為20 mA × （（50 × 2） || 100） = 1 V p-p。TxDAC與調(diào)制器之間的濾波器用于去除高頻雜散和諧波成分。濾波器的輸入和輸出阻抗為100 Ω。完整接口如圖6所示。

　　圖6.直流耦合發(fā)射機(jī)IF接口框圖和濾波器仿真結(jié)果

　　采用50 Ω輸出時(shí)，ADL5372的電壓轉(zhuǎn)換增益為0.2 dBm。使用13 dB PAR調(diào)制器信號(hào)時(shí)，平均功率必須至少減小15 dB，以便適應(yīng)Tx數(shù)字預(yù)失真過程。ADL5372具有1 V p-p單音輸入時(shí)，平均調(diào)制器輸出功率為7.1 dBm – 2.9 dB = 4.2 dBm。如果考慮低通濾波器的2.2 dB插入損耗，平均輸出功率為4.2 dBm – 2.2 dB = 2 dBm。這種狀態(tài)下，調(diào)制器輸出端平均輸出功率為-10dBm。

　　為了保證發(fā)射鏈路提供11 dBm平均發(fā)射功率，Tx信號(hào)鏈內(nèi)后端需要具有26 dBm 的P-1dB的PA驅(qū)動(dòng)器。如果需要2 dB插入損耗的RF濾波器以抑制LO饋通和調(diào)制器邊帶輸出，那么增益模塊和PA驅(qū)動(dòng)器必須提供23 dB的總增益。針對(duì)此應(yīng)用，建議使用具有集成式增益模塊、數(shù)字控制衰減器和PA驅(qū)動(dòng)器的VGA ADL5243。

　　結(jié)束語

　　本文介紹了ZIF和超外差式接收機(jī)解調(diào)器、IF VGA、混頻器和ADC模擬端口差分設(shè)計(jì)，以及TxDAC與FMOD之間的發(fā)射機(jī)差分接口，其中均使用ADI器件作為信號(hào)鏈有源部分。另外還提供了設(shè)計(jì)用于這些電路的應(yīng)用濾波器的增益計(jì)算和仿真結(jié)果。本振差分接口設(shè)計(jì)以及其他相關(guān)設(shè)計(jì)詳情請(qǐng)參閱以下參考文獻(xiàn)。

　　參考文獻(xiàn)

　　Circuit Note CN-0018， Interfacing the ADL5372 I/Q Modulator to the AD9779A Dual-Channel， 1 GSPS High-Speed DAC.

　　Circuit Note CN-0134， Broadband Low Error Vector Magnitude （EVM） Direct Conversion Transmitter.

　　Calvo， Carlos. “The differential-signal advantage for communications system design.” EE Times.

　　作者簡(jiǎn)介

　　Mingming Zhao ［mingming.zhao@analog.com］ 是ADI北京分公司的一名現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，主要負(fù)責(zé)RF和高速轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品應(yīng)用。他于中國(guó)科學(xué)院獲得電磁和微波技術(shù)專業(yè)碩士學(xué)位之后，在大唐移動(dòng)通信設(shè)備有限公司擔(dān)任RF工程師兩年多，隨后在2010年加入ADI公司。