利用MAX2180 LNA设计AM/FM有源天线LNA方案

本文是汽车AM/FM有源天线的参考设计（RD）。该RD展示了MAX2180有源天线低噪声放大器（LNA）的灵活性，并展示了如何设置AM和FM增益以及自动增益控制攻击点。详细介绍了单天线和双天线原理图，包括输入和输出匹配电路。将这种设计与数据手册和器件的评估（EV）套件结合使用，可以轻松开发原型天线，以满足各种有源天线要求。

介绍

本应用笔记介绍了AM/FM汽车天线的参考设计（RD）。该设计采用MAX2180，这是一款高度集成的AM/FM低噪声放大器（LNA），用于有源天线模块。LNA在AM和FM信号路径中集成了Maxim的自动增益控制技术，具有用户可设置的攻击点。AM和FM信号路径的最大增益也是可变的，以适应广泛的客户要求。研发将详细介绍这种集成汽车解决方案的灵活性和性能。

概述

汽车天线需求继续推动更小、更集成的解决方案，同时保持现代AM/FM收音机预期的高性能。一些解决方案需要自动增益控制（AGC），而其他解决方案则使用固定增益LNA以实现最低成本。一些解决方案为有源天线提供稳定的电源电压，但大多数解决方案仍采用电池供电。天线解决方案供应商面临的挑战是如何满足广泛的行业要求，而无需不断重新设计分立式解决方案或使用仍然需要外部PIN二极管和稳压器的昂贵IC。由于资源和空间有限，天线供应商的理想解决方案是高性能、低成本且灵活的IC，无需重新设计、BOM更改和电路板旋转即可轻松满足各种要求。

目前，一些供应商为有源天线提供集成的AM/FM解决方案。不幸的是，它们需要外部PIN二极管来提供AGC。这些解决方案还需要稳压电源或外部调整管（如果采用电池供电）。这些外部组件增加了成本并扩大了解决方案的占用空间。如果不需要AGC，则解决方案提供商通常以最低的成本使用分立器件。分立式设计的问题在于，所需增益、电源电压或占位面积的任何变化都需要重新设计。这使得报价机会复杂化，并且需要额外的设计资源，而这些资源总是供不应求。

最佳天线方案和MAX2180

Maxim Integrated开发了一种AM/FM天线解决方案，该解决方案集成了所有有源元件，满足当今苛刻的汽车天线要求。天线具有MAX2180 LNA。MAX2180采用内部高压CMOS工艺，集成了AM和FM AGC以及高压稳压器，采用4mm x 4mm TQFP小封装。这种设计省去了所有PIN二极管和外部稳压器或调整管，同时采用电池或稳压电源供电。MAX2180允许改变最大AM和FM增益以及AGC攻击点。它还包括在故障条件下以 15mA 电流消耗进行天线监控。

LNA的片内稳压器工作电压范围为7V至24V。为了防止热损坏，集成的温度传感器通过折回电流来限制最大结温。无论环境条件如何，这都能保持放大器处于活动状态。

AM输入为高阻抗和低输出阻抗，而FM放大器提供50Ω输入和输出阻抗。最大AM增益可通过改变一个外部电阻器在0dB至6dB范围内进行设置。当R1 = 0Ω时，最大FM增益可在5.8dB至8.5dB范围内变化。为了改善噪声系数，R1应为390Ω，从而将增益范围提高到10.0dB至10.8dB。两条信号路径均采用Maxim专利AGC电路，增益控制范围为30dB。此外，AGC攻击点可以改变，为主机提供所需的最大输出电平。

使用数据资料的表格选择所需的信号路径增益和AGC攻击点，简化了MAX2180的设计。这种自定义/值范围允许一种设计满足多种要求，而无需重新旋转电路板。如图1所示，MAX2180提供比竞争方案更高的集成度，同时保持灵活性以满足各种要求。图2显示了单天线解决方案的应用原理图。

图1.MAX2180高度集成方案（A）与竞争的AM/FM有源天线方案（B）的对比。

图2.单天线方案的应用原理图采用MAX2180。

设计示例

我们的测试示例是用于小型汽车的低增益天线。这种应用需要更多的增益，但小型汽车中的短电缆减少了天线到主机的损耗，AM的目标最大输入电平为+80dBμV，FM的最大输入电平为+95dBμV。

AM：引脚1电阻= 0Ω，增益为6.5dB（表1），引脚17接地，AM输出AGC攻击点为+79dBμV（表2）。

FM：引脚10接地，FM增益为8.5dB（表3），引脚12电阻= 39kΩ接地，FM输出AGC攻击点为+94dBμV（表4）。

 

针脚 1 （Ω）	AM增益（dB，典型值）
0	6.5
22	5
68	2.5
180	0.5
330	-1

引脚 2	AM输出攻击点（dBμV，典型值）
Ground	79
Open	83
VLDO	86

引脚 10	FM 增益（dB，典型值;无外部电阻）	FM 增益（dB，典型值;外部电阻 = 390Ω）
VLDO	8.5	10.8
Open	7.1	10.3
Ground	5.8	10

引脚 12 （kΩ）	FM 输出攻击点（dBμV，典型值）
0	104
10	100
18	96
27	95
39	94
47	93
56	92
68	90

 

输入电路

对于单个天线，双工器必须最小化有效输入电容，以免加载高阻抗AM输入。在AM频段，天线通常是高阻抗的，因此任何增加的分流电容都会衰减AM信号。该电路还必须为FM输入提供良好的匹配，以实现最佳噪声系数和频率响应，同时抑制其他频段的信号。

在AM输入端，FM“陷阱”用于最小化AM输入的FM信号电平。为了避免FM频段的负载，陷阱的深度为60dBc，天线和陷阱之间放置了一个4.7μH的电感。为了防止FM到AM失真，AM输入端的串联电感器改善了FM频段的反馈。双工器的FM部分将50Ω天线与FM输入相匹配，同时将AM频段衰减超过90dB。应尽量减少电感器的数量，因为每增加一个元件，就会因Q值有限而降低噪声系数。

双天线解决方案（图 3）允许简化滤波，并以更少的组件实现稍微更好的 FM 匹配。

图3.双天线方案的应用原理图采用MAX2180。

输出电路

输出电路需要组合AM和FM输出，同时将幻象电源馈送到集成的高压稳压器。为了帮助衰减到达稳压器的任何AM信号，幻象电源通过连接到交流耦合AM输出的大电感到达集成稳压器。AM输出通过第二个但更小的电感器连接到输出连接器，以防止FM输出失真AM输出级。FM 输出与一个小阻断电容器交流耦合，以防止任何 IM2 产品 （A-B） 使 AM 输出失真。反馈路径也存在。建议的解决方案是将390Ω电阻（R1）与2200pF电容（C1）串联，以获得最佳噪声系数性能。输出闭锁电容（C2）后面的焊盘可用于根据需要调节总增益。FMOUT 的上拉电感 （L1） 的尺寸用于阻抗匹配和增益。LDO输出（V）之间的简单R/C滤波器（3.3Ω/10nF）线性分布器） 改进了 FM 噪声系数。FMBYP 引脚需要 100pF 旁路电容器才能提供 30dB 的 AGC 范围。

散热注意事项

电路板设计需要提供从零件裸露焊盘到模块机箱的低热阻。为了支持此引脚，可以将引脚 20 到 23 接地，从而允许从裸露焊盘到机箱焊接点或螺钉孔的实心铜层穿过这些引脚下方（图 4）。该器件集成了一个温度传感器，一旦芯片温度达到+135°C，该传感器将逐渐降低电流消耗。 该部件在防止热损坏的同时保持运行。

图4.印刷电路板（PCB）显示了一种低热阻解决方案。

结论

MAX2180 AM/FM天线LNA结合了设计满足一系列高性能要求的汽车天线模块所需的所有功能和特性。由于LNA的灵活性，天线可以根据不断变化的应用要求进行修改，而无需完全重新设计或昂贵的BOM更改。成本敏感型方案可以使用高度集成的MAX2180，减少分立外部元件的数量，节省电路板空间，同时仍能满足当今的低噪声、高线性度要求。

该RD中的FM信号路径提供+133dBμV的OIP3和+180dBμV的OIP2。 支持在7V至24V电源电压范围内工作，并保证8V至15V的性能。MAX2180采用4mm x 4mm TQFP封装，ESD额定值为±4kV HBM。提供样品和评估板。

审核编辑：郭婷