借助差分接口改善射頻收發(fā)器設計性能

簡介
傳統(tǒng)收發(fā)器設計中，50 Ω單端接口廣泛用于射頻和中頻電路。當電路進行互連時，應全部具有匹配的50 Ω輸出和輸入阻抗。然而在現(xiàn)代收發(fā)器設計中，差分接口常用在中頻電路中以獲得更好的性能，但實際設計過程中，工程師需要處理幾個常見問題，包括阻抗匹配、共模電壓匹配以及復雜的增益計算。了解發(fā)射機和接收機中的差分電路對優(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)接收機非常重要，因為出現(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、超外差式接收機和發(fā)射機。這三種架構廣泛用于射頻拉遠單元(RRU)、數(shù)字直放站和其他無線測試儀器中。

ZIF接收機接口設計和增益計算
在零中頻(ZIF)接收機設計中，IF信號是復信號，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負載時可提供最佳性能，同時ADC驅(qū)動器的輸入阻抗一般并非50 Ω，因此設計系統(tǒng)時采用直流耦合很重要也很困難。
圖1顯示了一個ZIF接收機配置，它使用兩個低噪聲放大器(LNA) ADL5523 一個400MHz至6000MHz正交I/Q解調(diào)器ADL5380、一個作為本振(LO)的寬帶頻率合成器ADF4350以及一個雙通道數(shù)字可編程可變增益放大器(VGA)AD8366。表1顯示了相關ADL5380接口和增益參數(shù)。

圖1. ZIF接收機框圖
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，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置為2.5 V；當VCM保持浮空時其線性度最佳。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應驅(qū)動200Ω載。要實現(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)絡將使信號功率衰減4 dB。
AD8366的輸出擺幅可達6 V p-p，但電阻網(wǎng)絡提供的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接收機接口框圖和仿真濾波器特性

為保留足夠的余量來應付整個溫度范圍內(nèi)的增益變化，AD8366在正常模式下的增益設置為16 dB。
采用這種配置，整個信號鏈的增益如下：
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LNA實現(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設置情況下，接收機可以接收的最大輸入信號為－41dBm。
換言之，電壓增益可用于計算信號鏈鏈路預算。當輸入端口阻抗等于輸出端口阻抗時，電壓增益等于功率增益。整個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.
用電壓增益計算的結果與功率增益計算出結果是相同的。
某些應用中，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。所以應使用160 Ω串聯(lián)電阻和100 Ω并聯(lián)電阻來實現(xiàn)500 Ω負載和所需的共模電壓。同樣，電阻網(wǎng)絡可將電壓增益衰減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.
超外差式接收機接口設計和增益計算
超外差式接收機設計中，系統(tǒng)使用交流耦合，因此設計超外差接收機電路時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的一個通道，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另一個低通或者帶通抗混疊濾波器；雙通道IF接收機AD6642