對于通信應用差分電路設計技術

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對于通信應用差分電路設計技術

其中一個在通信系統(tǒng)設計的主要挑戰(zhàn)是提供足夠的信號保真度成功攻克。嚴格的標準規(guī)范要求進行適當的接口拓撲結構選擇。用于蜂窩電話的通信標準，諸如碼分多址(CDMA)和寬帶CDMA的部署，需要高動態(tài)范圍，高輸入線性和低噪聲，以避免阻滯劑，信號失真，和靈敏度退化的影響。在過去，完全差分信號鏈的性能優(yōu)勢通過由于實際應用問題的單端選擇很壓倒。然而，在集成的RF電路技術的最新進展和可用高性能差分RF積木擴展允許差動結構被應用到高性能接收機設計。

圖1：單端信號的例子。單端信號是不平衡的定義，是由感興趣的信號和恒定參考點，通常地，作為對信號返回路徑之間的差值測量。的問題可以，如果錯誤源被引入到單端信號會遇到。由于接地參考將不受注入的錯誤，錯誤結轉通過信號。在單端配置中，引入到所期望的信號的任何變化將是有問題的，而不涉及過于復雜抵消技術除去。出于這個原因，單端信號或不平衡信號更容易產生的噪聲和干擾，如電磁耦合干擾。此外，如稍后將示出的，不平衡的配置具有比均衡電路失真更高。

圖2：差分信號的例子。差分信號是由對平衡信號走動以相等但相反的振幅的參考點的。該復合差分信號對應于正和負平衡信號之間的差。例如，從兩個1 VP-P的信號，其結果是2 VP-P的復合信號。在這種情況下，如果錯誤源被引入到差分信號路徑中，它可能會被添加到每兩個平衡信號相等的。因為返回路徑是不恒定的參考點，差動信號將不受影響一旦兩個平衡信號分量的差異抵消了誤差，這通常是相等的振幅在每個信號的過渡。由于這個原因，平衡信號是不易發(fā)生的噪聲和干擾比不平衡信號會。而且，如將討論的，均衡的信號具有失真比單端電路更低。

圖3：傳統(tǒng)接收器架構。這里展示的是一個傳統(tǒng)的超外差接收機的方框圖。不管拓撲，單端或差分，該系統(tǒng)的目標是成功提供一個希望的信號到模擬 - 數字轉換器，用于數字化。信號路徑包括幾個射頻塊：天線，濾波器，低噪聲放大器(LNA)，混頻器，ADC驅動放大器，和ADC。天線之后的第一個塊是任務是放大高于熱噪聲的信號在LNA。擴增在此階段是關鍵的，因為這將決定該系統(tǒng)的靈敏度和將確保后續(xù)混頻器和放大器的LNA后不顯著本底噪聲添加。沿途有帶通濾波器來抑制帶外的任何內容，并減少失真或噪聲，接收器級可沿信號路徑添加。下一個塊，混頻器，它遵循在LNA，頻率轉換感興趣的信號，下轉換高頻RF信號到一個較低的，更容易管理的中頻(IF)。 ADC驅動器放大器和抗混疊濾波器(AAF)準備信號以由ADC進行數字化。駕駛員提供增益和AAF抑制第一奈奎斯特區(qū)的ADC，包括將被遞送到ADC輸入噪聲之外的任何內容，和具有不同波段的寄生分量仍然存在于信號路徑中。最后，在模擬信號路徑的末端時，ADC進行數字化的基帶信息的功能。

圖4：通信系統(tǒng)的考慮。為了對比單端至差分，也有必須遵守設計好整個系統(tǒng)的系統(tǒng)級性能指標。一些是流行在通信系統(tǒng)中的關鍵考慮因素已經被提到，但有一個完整的視圖是很重要的。是什么讓一個良好的射頻設計?根據不同的應用程序和體系結構，性能規(guī)格會有所不同。然而，通常有一些中普遍存在的通信系統(tǒng)中很常見的考慮，如失真，噪聲基底，和動態(tài)范圍。此外，良好的靈敏度要求低本底噪聲和低時鐘相位噪聲。高投入，三階截取(IP3)和高1 dB壓縮點(P1dB的)是輸入信號電平處理能力是至關重要的。有很多的傳輸共享的風口浪尖。的魯棒系統(tǒng)，需要用于處理期望信號，這是一般的小和中的其它干擾信號的存在，這可能是大的。因此，高靈敏度，輸入線性，選擇性好，和高抗干擾到附近的大信號都需要一個強大的系統(tǒng)設計。其他考慮因素包括低成本，低功耗(尤其是用于便攜式設備)，和緊湊的尺寸。

圖5：差分優(yōu)點。有幾個優(yōu)點使用差分相對于單端信號鏈;這里審查是最常見的。差分信號鏈具有的優(yōu)點相比單端鏈具有關于輸出過渡。每個輸出的較低的信號電壓意味著更高的總體信號電壓就可以實現(xiàn)。因此，相同的總的信號擺幅可以實現(xiàn)，相比于單端信號，以更低的功耗。由于可用的更大輸出擺幅的結果：更高的總體信號擺幅可以達到;可以實現(xiàn)相同的總信號擺幅但略低于電源;和功耗可以被降低。也有以系統(tǒng)的線性度的好處。在非常低的失真的應用，相對于單端信號的電源的凈空可提高兩個因素。有差系統(tǒng)中偶次諧波的固有的取消，意味著該第二，第四，第六，等等諧波會相較于奇次諧波相當低。要注意的是一個完全消除無法實現(xiàn)這一點很重要，但有明顯的優(yōu)勢。差分架構還允許一些預失真技術，以幫助減少奇次諧波。此外，還有典型地是大約6 dB的改進在輸出1 dB壓縮點(P1dB的)和OIP3對于相同的電源軌。最后，由于信號的返回路徑不再通過地面，該信號將是地面的噪聲和干擾，從而轉化為具有改進的電源抑制比(PSRR)更好的共模抑制比(CMRR)較不敏感。此外，差分方法提供了改進的抗耦合的電磁干擾(EMI)。

圖6：不平衡與平衡信號。這里展示的是兩個框圖對比單端和差分方法。第一個圖表表示具有體積小，片面的輸入信號的單端框圖。藍色信號示出任何類型的進入系統(tǒng)的共模干擾。請注意，此藍色干擾信號也被放大在輸出 - 被放大一樣多的需要的信號。是困難的所需信號從干擾信號中分離出來。差動方框圖顯示由極性相反的兩個信號所需要的信號，一種是積極的，另一種是消極的。在輸入端引入的任何干擾將是對兩個參考電平相同的極性，如圖藍色。雖然干擾信號在每個輸出進行放大，當看該復合信號，所述兩個差分信號之間的差，所希望的信號被加倍，并且干擾已被移除。而單端的方法是容易受到共模噪聲，電源噪聲，或電磁干擾，差分塊具有由憑借取消的免疫力的那些干擾。

圖7：偶數訂單取消。除了共模干擾免疫，差分方法也有偶次諧波的固有的取消。這里展示的是單端的方式進行審查。甲非線性器件，在這種情況下，一個單端放大器，是由一個冪級數展開傳遞函數描述并在其輸入端提供的正弦曲線。冪級數(方程式在底部)的膨脹表明，一個恒定綁定到每個頻率倍數，偶數和奇數。

圖8：輸出光譜圖。示這個等式可以更容易地可視化及其各種部件。表示基本信號的方程的部分以灰色突出顯示。表示第二和第三諧波部分被在紅色和綠色，高亮分別。冪級數的膨脹表明非零常數是綁每個頻率倍數，偶數和奇數。很顯然，單端，非線性裝置已在整個光譜創(chuàng)建諧波，正如所預期的。

圖9：差分塊的取消效應。采取同樣的數學方法來看待差分方法可看到的固有消除偶次諧波，類似于先前討論的共模干擾免疫是有利的。再次，一個非線性器件，在這種情況下，差分放大器塊，是由冪級數展開傳遞函數描述，并有一對相反極性的正弦曲線的供給 - 這些表示在該裝置的輸入端的差分信號。通過膨脹，示出了差動塊的消除效果。

圖10：非線性元件的輸出光譜。再次，示出了該方程可以更容易地可視化及其各種部件。冪級數的擴大表明，該系列的所有偶次諧波是由他們的同行相對幅度的取消。只用基本信號，以灰色突出顯示，并且第三次諧波，以綠色突出，具有一個非零貢獻。在現(xiàn)實生活中，非理想的設備將不會達到完美的注銷，但他們從較低的偶次諧波中受益。

圖11：驅動ADC的挑戰(zhàn)。一種在通信系統(tǒng)的設計的主要挑戰(zhàn)是成功的驅動所需要的信號到模擬 - 數字轉換器。此處示出的例子有助于說明差動信號鏈與單端信號鏈的好處。這里所示的三個主要塊是驅動放大器，該抗混疊濾波器，以及模擬 - 數字轉換器。充足的保真度信號檢測需要適當的元件選擇和接口的實現(xiàn)。這里(圖11)的評價是兩個例子，一個單端和一個差分。的目標是獲取在信號傳輸的藍色部分上的左側。它是在其他較大，干擾信號的存在的小信號。捕捉到它，有必要考慮噪聲，動態(tài)范圍，以及其他因素的具體到ADC要求。這是所有必要的提取只有感興趣的信號，并將其交付給ADC。這個接收器信號顯示在右側;它已被放大，并且阻斷劑已被除去，留下的信號的唯一的期望部分，以藍色顯示。

圖12：通信系統(tǒng)的單端和差分信號鏈的性能比較。圖12比較，在接收機的通信系統(tǒng)端的真實世界的例子中，單端和差分信號鏈的性能。第一個例子是，開始于單端方法的單端IF驅動放大器，隨后是單端的抗混疊濾波器，然后被轉換成差分信號由變壓器在輸入到ADC。注意，在許多情況下，單端方法被認為是被動的方法，因為該變壓器用于轉換的信號給差分ADC。差動例開始時的差分信號在一個變壓器的輸出，差動ADC驅動放大器，后接一個差分抗混疊濾波器，以及輸入到ADC。差分方式稱為有源因為一個放大器可被用于進行轉換。每個組件的性能度量被列出，但是下圖使用與這些相同的度量的信號鏈性能表以幫助分析級聯(lián)系統(tǒng)性能，并比較所述單端和差分的方法。