借助差分接口改善射頻收發(fā)器設(shè)計(jì)性能

簡介
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)中的差分電路對優(yōu)化增益匹配和系統(tǒng)性能很有幫助。

差分接口優(yōu)勢
差分接口有三大主要優(yōu)勢。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。這對于零中頻(ZIF)接收機(jī)非常重要，因?yàn)槌霈F(xiàn)在低頻信號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6dB。
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信號是復(fù)信號，直流和低頻率信號來提供有用信息。典型解調(diào)器在驅(qū)動200 Ω至450 Ω負(fù)載時(shí)可提供最佳性能，同時(shí)ADC驅(qū)動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)字可編程可變增益放大器(VGA)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

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。如果輸入信號是具有10 dB峰均比(PAR)的調(diào)制信號，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為－41dBm。
換言之，電壓增益可用于計(jì)算信號鏈鏈路預(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.
對于單音信號輸入，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