高线性度组件简化直接转换接收器的设计

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作者:凌力尔特公司 Cheng Wei Pei

直接转换无线电接收器可获取一个频率范围为800MHz~3GHz的高频输入信号,并利用一个混频器/解调器将该信号转换至基带,而无须经过一个中频(IF)级。设计这些接收器需要采用性能非常高的模拟IC。面向诸如蜂窝通信基础设施和RFID阅读器等应用的高性能、直接转换无线电接收器信号链路要具有高线性度、低噪声系数(NF),并在同相和正交(I和Q)通道之间实现上佳的匹配。

  针对该任务的合适组件

  此类产品很多,比如凌力尔特公司的LT5575直接转换解调器和LTC6406。对于直接转换混频器,最重要的线性度规格是二阶截取点(IIP2),这是因为二阶失真分量恰巧存在于基带输出频谱内,而LT5575在900MHz频率条件下的二阶截取点为54.1dBm(在1900MHz频率条件下为60dBm)。LT5575还具有很高的三阶线性度和一个12.8dB的低噪声系数。

  LTC6406是一款具有低噪声(在输入端为1.6nV/√Hz)和高线性度(在20MHz频率下为+44dBm OIP3)的全差分放大器,采用小型3mm×3mm QFN封装。低功耗(使用一个3.3V电源时为59mW)意味着采用两个放大器(用于I和Q)对系统功率分配产生的影响极小。LTC6406可在高达50MHz的频率条件下保持高线性度,因而非常适合于WCDMA接收器和其他的宽带应用。

  一款基本的接收器设计

  采用有源解调器时的一个常见设计难题是必需把输出(它可能具有一个接近VCC的DC电平)的电平移动至位于模数转换器(ADC)输入范围内的一个可用DC电平。幸运的是,LTC6406的轨至轨输入使得与LT5575输出端的连接既简单又直接。LTC6404还包括一个额外的反馈环路(受控于一个外部VOCM电平),该反馈环路可独立地设定输出共模DC电平,而不受输入电压的影响。

  图1示出了一款采用LT5575解调器和LTC6404(后接一个LTC2299 14位ADC)的基本接收器电路。解调器输出端上的一个RC低通滤波器负责滤除不希望有的带外信号,而布设在ADC之前的另一个RC低通滤波器则用于消除混迭,并限制噪声带宽。LTC6406输入端上的直流电压为3.3V,与电源电压相同。

  图1 LT5575解调器和LTC6406放大器驱动一个14位ADC

  给系统增加自由增益

  对于需要更大增益的信号链路,LTC6401-8差分放大器/ADC驱动器可以为LT5575和LTC6406提供一个很好的补充。LTC6401-8具有较高的线性度(在20MHz频率条件下实现了50dBm OIP3)和2.5nV/√Hz的输入噪声,采用3mm×3mm QFN封装。它有助于改善增益和线性度,且并未显著影响噪声系数。如图2所示,在信号链路中增加了LTC6401-8(也可提供14dB、20dB和26dB选项),以驱动LTC2299。整个系统OIP3的测量值为45dBm(在920MHz RF和采用900MHz本机振荡器时),而系统噪声系数(NF)总计约为19dB。

  由于LTC6401-8具有较高的线性度,因而能够将组合系统OIP3增加至45dBm。此外,还在未使噪声系数显著劣化的情况下把增益提升了8dB。对于LTC6406而言,LTC6401-8的400Ω输入阻抗并不是一个很重的负载,因此可在信号损失(因串联电阻器等所致)极小的情况下实现两个放大器的直接耦合。

  一个位置选择余地较大的滤波器

  在图2所示的电路中,可以把滤波器布设在3个位置上,即混频器之后、两个放大级之间和ADC之前。这几种布设方案各有优缺点,但最简单的设计选择是把滤波器布设在混频器之后。该拓扑结构可在信号链路的前端对无用的信号进行衰减,这可以保持后面电路级的IP3,并允许通过系统提供增益。在解调器输出端上布设一个LC滤波器对系统失真和噪声系数的影响最小,而LC低通滤波器会给一个靠近其谐振频率的反馈放大器输出带来一个很重的负载阻抗。值得注意的是,把LC网络设计在一个高速采样ADC的输入端上是很巧妙的方法。

  图2 采用一个20MHz低通滤波器的LT5575解调器

  在设计LC网络时,应当关注的一点是必需保持LT5575的I和Q增益/相位匹配 (0.04dB/0.4°失配),这就要求采用低容差LC组件(±2%电感器和±5%电容器)。系统的频率响应和群延迟特性几乎完全由LC滤波器来决定。