通信應(yīng)用中差分電路設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)

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以足夠的保真度成功捕獲信號(hào)是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一大難題。嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范會(huì)要求選擇合適的接口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本期座談介紹了差分設(shè)計(jì)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以及其性能優(yōu)勢(shì)在當(dāng)今高性能通信系統(tǒng)中如何影響嚴(yán)格的系統(tǒng)需求。此外，將回顧射頻的定義，概要說(shuō)明系統(tǒng)預(yù)算，并對(duì)比不同的實(shí)現(xiàn)方法。

通信應(yīng)用中差分電路設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)有哪些呢？首先對(duì)單端和差分信號(hào)進(jìn)行一下比較，然后簡(jiǎn)單介紹接收器的信號(hào)鏈和系統(tǒng)性能方面一些需要考慮的因素，然后就會(huì)發(fā)現(xiàn)差分應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。從驅(qū)動(dòng)ADC的角度與單端應(yīng)用作比對(duì)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)差分應(yīng)用會(huì)更容易實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)率。最后呢，我們將回到系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面，總結(jié)差分應(yīng)用的好處。

單端和差分信號(hào)

首先談到單端和差分信號(hào)的概念，這個(gè)大家都比較了解了。這里我們用另外一種方式來(lái)表達(dá)，我們可以將信號(hào)分為不平衡信號(hào)或平衡的信號(hào)，單端信號(hào)屬于不平衡信號(hào)，因?yàn)樗菃蝹?cè)信號(hào)，所以是相對(duì)地而言的，沒(méi)有與之平衡的信號(hào)對(duì)，相比平衡信號(hào)，不平衡的信號(hào)呢一般會(huì)產(chǎn)生較高的諧波失真。

而差分信號(hào)，則是平衡信號(hào)，差分對(duì)一般有著共同的共模電平和幅值相同的差模電平。衡量差分信號(hào)或者說(shuō)平衡信號(hào)時(shí)，我們關(guān)心的是正負(fù)輸入端信號(hào)的差值變化。這種平衡的信號(hào)帶來(lái)的諧波失真就相對(duì)小很多。

系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)

另一方面，在通信系統(tǒng)應(yīng)用的時(shí)候，我們看到一個(gè)比較通用的超外差接收器的信號(hào)鏈，圖1 為通用的超外差接收器的信號(hào)鏈，在天線后接一級(jí)低噪放大器，用于放大信號(hào)并抑制噪聲，而后用兩級(jí)混頻器將信號(hào)下變頻到較低頻，其間我們會(huì)加入適當(dāng)?shù)臑V波器，以濾除有用信號(hào)頻帶以外的噪音和諧波，之后就是驅(qū)動(dòng)ADC的緩沖運(yùn)放。這是我們今天主要討論的問(wèn)題。這一級(jí)運(yùn)放的主要目的是調(diào)節(jié)信號(hào)的電平范圍，提高驅(qū)動(dòng)能力，有時(shí)候也要作為單端差分之間的轉(zhuǎn)換。在進(jìn)入ADC之前我們需要加抗混疊濾波器，最后是用ADC對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。我們看到如果系統(tǒng)想實(shí)現(xiàn)較高的動(dòng)態(tài)范圍，除信號(hào)以外不能引入過(guò)多的噪聲和諧波。


圖1 通用的超外差接收器的信號(hào)鏈

來(lái)具體看一下在一個(gè)通信系統(tǒng)中有哪些比較值得注意的性能和指標(biāo)，在我們對(duì)單端信號(hào)和差分信號(hào)作比較之前，我們需要了解一些系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)所要考慮的問(wèn)題。

那么，什么樣的設(shè)計(jì)是一個(gè)較好的射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)呢？首先，信號(hào)靈敏度要高，這意味著較低的噪聲，時(shí)鐘引入的相位噪聲同樣要低。輸入信號(hào)要有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，相關(guān)的指標(biāo)，如高的三階截點(diǎn)和1dB壓縮點(diǎn)。然后就是各個(gè)模塊的性能是否足夠好，是否能較好的區(qū)分信號(hào)和噪聲，線性度是否足夠好等等。另外呢就是低功耗低成本等方面的考慮了。

我們說(shuō)差分信號(hào)鏈相對(duì)單端信號(hào)來(lái)講有很多優(yōu)勢(shì)。由于是差模信號(hào)，輸出的是兩個(gè)差分信號(hào)，實(shí)際上輸出的差模信號(hào)幅度相對(duì)擴(kuò)大了一倍，換一個(gè)角度來(lái)講，在同等輸出范圍條件下，工作電壓會(huì)更低。這樣，在要求低諧波失真的應(yīng)用中，就可以保證足夠的幅值余量。差分系統(tǒng)自身類似奇函數(shù)的特性可以消除系統(tǒng)中的偶次諧波項(xiàng)，也就是說(shuō)2次、4次、6次諧波等，在這些頻點(diǎn)上的諧波相對(duì)奇次諧波會(huì)很小甚至看不到。最后，由于信號(hào)的返回路徑不再是地平面，信號(hào)受地平面或是電源平面影響不是那么敏感，從而減少了噪聲的耦合引入，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更好的抗電磁干擾效果。

如圖2所示，單端信號(hào)會(huì)對(duì)共模噪聲、電源噪聲和電磁干擾比較敏感，運(yùn)放會(huì)對(duì)這些噪聲一定程度的放大。而差分信號(hào)由于兩側(cè)信號(hào)自身形成電流回路，抑制了共模噪聲和干擾，僅對(duì)差模信號(hào)進(jìn)行有效放大。

通過(guò)推導(dǎo)，我們也可以看出差分放大的奇次特性，理想情況下頻譜上我們僅能看到基波和奇次項(xiàng)諧波。在這里我們僅給出結(jié)論，比較值得注意的是三次諧波和它引起的三階截點(diǎn)，IP3是在基波和三階失真輸出曲線交點(diǎn)的理論輸入功率，它是描述放大器線性程度的一個(gè)重要指標(biāo)：

在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)有用信號(hào)的驅(qū)動(dòng)、提取并加載到ADC輸入上是很關(guān)鍵的問(wèn)題。對(duì)于高精度系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要求對(duì)器件和接口方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。我們將給大家?guī)讉€(gè)例子，但在此之前請(qǐng)大家了解，如圖3所示，我們要提取的是藍(lán)色部分的有用信號(hào)，它的能量很小而且還有周圍信號(hào)和噪聲的干擾。為了把它抓出來(lái)，我們要對(duì)噪聲，動(dòng)態(tài)范圍，和其他一些ADC相關(guān)的指標(biāo)加以注意，后面的幻燈片中將具體說(shuō)明。我們看到功能實(shí)現(xiàn)的主要模塊包括緩沖運(yùn)放，抗混疊濾波器和ADC。


圖2 單端和差分信號(hào)差別