差分接口提高了RF收发器设计的性能

在传统的收发器设计中，50 Ω单端接口广泛用于RF和IF电路。当电路互连时，它们都应该看到匹配的50 Ω输出和输入阻抗。然而，在现代收发器设计中，差分接口经常用于在IF电路中获得更好的性能，但实现它们需要设计人员面对几个常见问题，包括阻抗匹配、共模电压匹配和难以计算的增益。了解发射器和接收器中的差分电路有助于优化增益匹配和系统性能。

差分接口优势

差分接口有三个主要优点。首先，差分接口可以抑制外部干扰和接地噪声。其次，可以抑制偶数阶输出失真分量。这对于零中频（ZIF）接收器非常重要，因为低频信号中出现的偶数阶分量无法滤除。第三，输出电压可以是单端输出的两倍，从而在给定电源上将输出线性度提高6 dB。

本文讨论三种情况下的接口解决方案：ZIF接收器、超外差接收器和发射器。这三种架构广泛用于无线远程无线电单元 （RRU）、数字中继器和其他无线仪器。

ZIF 接收器接口设计和增益计算

在零中频（ZIF）接收器设计中，中频信号很复杂，直流和极低频信号可提供有用的信息。典型的解调器在驱动200 Ω至450 Ω负载时可以提供最佳性能，而ADC驱动器通常具有50 Ω以外的输入阻抗，因此将系统与直流耦合电路连接既关键又困难。

图1显示了使用两个低噪声放大器（LNA）、一个ADL5380 400 MHz至6000 MHz正交I/Q解调器、一个作为本振（LO）的宽带频率合成器ADF4350和双通道数字可编程可变增益放大器（VGA）的ZIF接收器配置。表1显示了相关的ADL5380接口和增益参数。

图1.ZIF 接收器框图。

表 1.ADL5380接口和增益参数

 

测试条件	VS = 5 V, TA = 25°C, fLO = 900 MHz, fIF = 4.5 MHz, PLO = 0 dBm, ZIN = 50 Ω
参数	值	评论
电压转换增益	6.9分贝	I 和 Q 输出上的 450-Ω 差分负载
	5.9分贝	I 和 Q 输出上的 200 Ω 差分负载
共模输出电压	2.5 V	ADJ 连接到 VS
I/Q差分输出阻抗	50 Ω

 

当与具有217 Ω差分输入阻抗的AD8366连接时，ADL5380具有5.9 dB电压增益和–0.5 dB功率增益[5.9 dB – 10log （217/50）]。为获得最佳性能，通过将ADL5380 ADJ引脚连接到V，将ADL5380和AD8366之间的共模电压设置为2.5 VS.在ADL5380和AD8366之间放置一个插入损耗为0.5 dB的差分四阶巴特沃兹低通滤波器，可抑制噪声和不需要的高频分量。虽然滤波器会导致一些不匹配，但在基带频率下是可以容忍的。

表 2.AD8366接口和增益参数

 

测试条件	VS = 5 V, TA = 25°C, ZS = 200 Ω, ZL = 200 Ω, f = 10 MHz
参数	值	评论
电压转换增益	4.5分贝	最小数字增益设置
	20.25分贝	最大数字增益设置
共模输出电压	1.5 V	最低
	2.5 V	最大或输入自偏置
差分输入阻抗	217 Ω
共模输出电压	1.6 V	最低
	3 V	最大
	2.5 V	VCMA和VCMB保持浮动状态
差分输出阻抗	28 Ω
线性输出摆幅	6 V 峰峰值	1dB 增益压缩

 

AD8366的共模输出电压可设置为2.5 V;当VCM保持浮动时，它具有最佳的线性度。遗憾的是，AD6642在0.9 V共模输入电压（0.5 × AVDD）下性能最佳。由于AD8366的共模输出电压必须在1.6 V至3 V之间，因此AD6642 VCM和AD8366 VCM端子不能直接连接，必须使用电阻将AD8366共模输出电压分压至0.9 V。

为获得最佳性能，AD8366应驱动200 Ω负载。为了实现所需的共模电平和阻抗匹配，在AD8366之后增加了63 Ω串联电阻和39 Ω分流电阻。该电阻网络将使功率增益衰减4 dB。

AD8366输出摆幅为6 V p-p，但电阻网络提供的4 dB衰减将AD6642的电压限制为2.3 V p-p，从而保护其免受大干扰尖峰或不受控制的增益造成的损坏。

插入损耗为1.5 dB的差分六阶巴特沃兹低通滤波器位于AD8366和AD6642之间，用于滤除不需要的高频元件。I通道的完整差分接口如图2所示。

图2.ZIF接收机接口图及仿真滤波器特性。

为了保留足够的裕量以考虑增益随温度的变化，AD8366在正常模式下的增益设置为16 dB。

在这种配置中，整个信号链的增益为

5.9 dB – 10log （217/50） – 0.5 dB + 16 dB – 10log （200/217） – 1.5 dB – 4 dB
= 9.9 dB。

在ADL5380之前级联插入的两个LNA可实现32 dB增益。通过将模数转换器配置为 2V p-p 摆幅和 78 Ω 等效输入阻抗，它能够处理 –34dBm 单音 RF 输入信号。如果输入信号在调制时峰均比（PAR）为10 dB，则–41 dBm输入信号是接收器在不更改VGA设置的情况下可以处理的最大信号。

换句话说，电压增益可用于计算信号链链路预算。当输入端口阻抗等于输出端口阻抗时，电压增益等于功率增益。整个信号链的电压增益为

32 dB + 5.9 dB – 0.5 dB + 16 dB – 1.5 dB – 8 dB = 43.9 dB。

对于单音信号输入，要获得 2V p-p 摆幅范围，适当的输入功率为

8 dBm – 43.9 dB + 10log （78/50） = –34 dBm。

结果与计算的功率增益非常匹配。

在某些应用中，ADL5380可能需要直接连接到AD6642，在这种情况下，可以在AD6642差分输入端增加一个500 Ω电阻，以改善匹配。ADL5380的电压增益为6.9 dB，共模问题与AD8366相同。应使用 160 Ω 串联电阻和 100 Ω分流器来实现 500 Ω负载和所需的共模电压。同样，电阻网络将电压衰减8 dB（功率衰减4 dB）。

插入损耗为1.5 dB的低通滤波器位于ADL5380和AD6642之间，用于滤除不需要的频率分量。输入阻抗为50 Ω，输出阻抗为500 Ω。在这种配置中，整个信号链的增益为

6.9 dB – 10log （500/50） – 1.5 dB – 4 dB = –8.6 dB。

超外差接收器接口设计和增益计算

在超外差接收器中，系统使用交流耦合，因此在连接这些电路时不必考虑直流共模电压。

ADL535x和ADL580x等许多混频器具有200 Ω差分输出阻抗，因此不同输出阻抗的功率增益和电压增益分别表示。

图3所示为采用低噪声放大器ADL5523实现的超外差接收器的一个通道;ADL5356双通道平衡混频器，内置LO缓冲器、IF放大器和RF巴伦;低通滤波器;AD8376双通道超低失真中频VGA;另一个低通滤波器;以及AD6642双通道中频接收器。

图3.超外差接收器图;显示一个频道。

该设计采用 140MHz IF 和 20MHz 带宽，因此器件可以交流耦合。

AD5356在200 Ω负载下性能最佳，但AD8376的输入阻抗为150 Ω。因此，为了抑制混频器输出杂散并提供更好的阻抗匹配，差分LC滤波器必须具有200 Ω输入阻抗和150 Ω输出阻抗。在必须通过尖锐滤波器抑制输出带信号的应用中，可以使用差分SAW滤波器，但这会在接收器信号链中引入损耗和群延迟。差分四阶带通巴特沃兹滤波器可能适用于许多无线接收器，因为RF滤波器可以为带外干扰提供足够的衰减。

表 3.ADL5356和AD8376接口和增益参数

 

ADL5356 测试条件	VS = 5 V, TA = 25°C, fRF = 1900 MHz, fLO = 1760 MHz, LO power = 0 dBm
参数	值	评论
电压转换增益	14.5分贝	Z源 = 50 Ω，差分 Z负荷= 200 Ω差分
共模输出电压	2.5 V	ADJ 连接到 VS
功率转换增益	8.2分贝	包括 4：1 IF 端口变压器和 PCB 损耗

AD8376 测试条件	VS = 5 V, TA = 25°C, RS = RL = 150 Ω at 140 MHz
参数	值	评论
差分输入电阻	150 Ω
电压转换增益	–4 分贝	最低数字设置
	20分贝	最大数字设置
输出阻抗	16 kΩ ||0.8 pF

 

AD8376的电流输出电路具有高输出阻抗，因此差分输出之间需要150 Ω。另一个差分滤波器必须衰减二次和三次谐波失真分量，因此这个150 Ω负载分为两部分。首先，在AD8376的输出端安装一个300 Ω电阻。另一个300 Ω电阻由两个165 Ω电阻和ADC的3 kΩ输入阻抗组成。两个 165 Ω电阻还为 ADC 输入提供直流共模电压。LC滤波器的输入和输出阻抗均为300 Ω。完美的源和负载匹配对于高中频应用非常重要。完整的界面如图 4 所示。

图4.超外差接收机接口图及滤波器仿真结果.

在接收器中，20 dB LNA安装在混频器前面。混频器之后的滤波器具有2 dB的插入损耗;AD8376和ADC之间的滤波器具有1.2 dB的插入损耗。AD8376增益设置为14 dB，以提供足够的裕量来应对温度变化。接收器的总增益为

20 dB + 8.2 dB – 2 dB + 14 dB – 1.2 dB = 39 dB.

为了将ADC输入电压限制在2 V p-p以下，将功率传输到150-Ω电阻（300 Ω ||(165 Ω × 2) ||3 k Ω） 应小于 5.2 dBm。因此，对于单音信号，接收器的最大输入功率为–33.8 dBm。如果输入信号是10 dB PAR调制信号，则使用此增益设置的最大输入信号为–40.8 dBm。

发射机接口设计和增益计算

对于Tx通道设计，ZIF和超外差架构具有相似的接口特性，并且都需要TxDAC和调制器之间的直流耦合。大多数调制器的IF输入电路应由外部直流电压偏置;TxDAC输出可在直流耦合模式下为调制器提供直流偏置。大多数高速DAC具有电流输出，因此需要一个输出电阻来为调制器产生输出电压。®

图5所示为超外差或ZIF发送器，采用AD9122 TxDAC、低通滤波器、ADL537x正交调制器、另一个RF滤波器、ADF4350频率合成器、数控VGA、功率放大器和AD562x DAC实现，用于控制功率放大器（PA）的栅极电压。

图5.变送器图。

对于AD9122，满量程输出电流可以设置在8.66 mA至31.66 mA之间。对于大于20 mA的满量程电流，无杂散动态范围（SFDR）会降低，但DAC的输出功率和ACPR会随着满量程电流设置的降低而降低。一个合适的折衷方案是0 mA至20 mA电流输出，由20 mA交流电流组成，电流和10 mA直流电平。

表 4.AD9122和ADL5372接口和增益参数

 

AD9122 测试条件	AVDD33 = 3.3 V, DVDD33 = 3.3 V, DVDD18 = 1.8 V, CVDD18 = 1.8 V
参数	值	评论
满量程输出电流	8.66毫安	最小数字满量程设置
	31.66毫安	最大数字满量程设置
输出电阻	10兆安

ADL5372 测试条件	VS = 5 V, TA = 25°C, fLO = 1900 MHz, fIF = 140 MHz
参数	值	评论
输出功率	7.1分贝	VIQ = 1.4 V p-p differential
I 和 Q 输入偏置电平	0.5 V	推荐
差分输入阻抗	2900 kΩ

 

ADL5372的输入电路需要0.5 V共模电压，该电压由流过50 Ω电阻的10 mA直流电流提供。0mA 至 20mA 交流电流由两个 50 Ω电阻和一个 100 Ω 电阻共享。因此，调制器输入之间的交流电压为20 mA ×（（50 × 2） || 100） = 1 V p-p。TxDAC和调制器之间的滤波器可去除不需要的频率成分。滤波器的输入和输出阻抗为100 Ω。完整的界面如图 6 所示。

图6.直流耦合发射机IF接口图及滤波器仿真结果

采用50 Ω输出时，ADL5372的电压转换增益为0.2 dBm。对于13 dB PAR调制器信号，Tx数字预失真过程的平均功率必须至少降低15 dB。ADL5372采用1 V p-p单音输入时，调制器的平均输出功率为7.1 dBm – 2.9 dBm = 4.2 dBm。如果考虑低通滤波器的2.2 dBm插入损耗，峰值输出功率为4.2 dBm – 2.2 dBm = 2 dBm。在这种状态下，调制器输出端的平均输出功率为–10 dBm。

对于11 dBm的平均功率信号，Tx信号链中需要一个具有26 dBm P1dB的PA驱动器。如果需要2 dB插入损耗RF滤波器来抑制调制器的LO馈通和边带输出，则增益模块和PA驱动器必须提供总计21 dB的增益。本应用建议使用集成增益模块、数字控制衰减器和PA驱动器的ADL5243 VGA。

结论

本文介绍ADC解调器、IF VGA、混频器和模拟端口的ZIF和超外差接收器差分接口，以及TxDAC和FMOD之间的发送器差分接口，将ADI公司的器件用于信号链的有源部分。给出了为这些电路设计的应用滤波器的增益计算和仿真结果。

审核编辑：郭婷