借助差分接口优化射频收发器设计性能

　　传统收发器设计中，50 Ω单端接口广泛用于射频和中频电路。当电路进行互连时，应全部具有匹配的50 Ω输出和输入阻抗。然而在现代收发器设计中，差分接口常用在中频电路中以获得更好的性能，但实际设计过程中，工程师需要处理几个常见问题，包括阻抗匹配、共模电压匹配以及复杂的增益计算。了解发射机和接收机中的差分电路对优化增益匹配和系统性能很有帮助。

　　差分接口优势

　　差分接口有三大主要优势。首先，差分接口可抑制外部干扰和接地噪声。其次，它可以抑制偶次阶输出失真。这对于零中频（ZIF）接收机非常重要，因为出现在低频信号中的偶次阶成分无法滤除。第三，输出电压可达到单端输出的两倍，从而将给定电源上的输出线性度提高6 dB。

　　本文论述三种情况下的接口解决方案：ZIF接收机、超外差式接收机和发射机。这三种架构广泛用于射频拉远单元（RRU）、数字直放站和其他无线测试仪器中。

　　ZIF接收机接口设计和增益计算

　　在零中频（ZIF）接收机设计中，IF信号是复信号，直流和低频率信号来提供有用信息。典型解调器在驱动200 Ω至450 Ω负载时可提供最佳性能，同时ADC驱动器的输入阻抗一般并非50 Ω，因此设计系统时采用直流耦合很重要也很困难。

　　图1显示了一个ZIF接收机配置，它使用两个低噪声放大器（LNA） ADL5523 一个400MHz至6000MHz正交I/Q解调器ADL5380、一个作为本振（LO）的宽带频率合成器ADF4350以及一个双通道数字可编程可变增益放大器（VGA）AD8366。表1显示了相关ADL5380接口和增益参数。

　　

　　图1. ZIF接收机框图

　　表1.ADL5380接口和增益参数

 

　　与具有217 Ω差分输入阻抗的AD8366接口时，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，将ADL5380 ADJ引脚连接至VS，使ADL5380与AD8366间的共模电压设置为2.5 V。在ADL5380与AD8366间放置具有0.5 dB插入损耗的差分四阶巴特沃兹低通滤波器，以便抑制噪声和高频干扰成分。虽然滤波器会输入和输出阻抗并不匹配，但在基带频率下这些不匹配是可以忽略的。

　　表2.AD8366接口和增益参数 

　　AD8366的共模输出电压可设置为2.5 V；当VCM保持浮空时其线性度最佳。遗憾的是，AD6642在0.9 V共模输入电压（0.5 × AVDD）下具有最佳性能。由于AD8366的共模输出电压必须介于1.6 V与3 V之间，因此AD6642 VCM和AD8366 VCM引脚无法直接连接，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200Ω载。要实现所需的共模电平和阻抗匹配，可在AD8366后添加63 Ω串联电阻和39 Ω并联电阻。这一电阻网络将使信号功率衰减4 dB。

　　AD8366的输出摆幅可达6 V p-p，但电阻网络提供的4 dB衰减使AD6642得到的电压限于2.3 V p-p，避免了较大干扰尖峰或增益的失控对ADC带来损害。

　　在AD8366与AD6642间放置具有1.5 dB插入损耗的差分六阶巴特沃兹低通滤波器，可以滤除高频干扰成分。I或者Q通道的完整差分接口如图2所示。

　　

　　图2.ZIF接收机接口框图和仿真滤波器特性（点击图片放大）

　　为保留足够的余量来应付整个温度范围内的增益变化，AD8366在正常模式下的增益设置为16 dB。

　　采用这种配置，整个信号链的增益如下：

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

　　在ADL5380之前以级联方式插入的两个LNA实现了32 dB的射频增益。由于模数转换器被配置为2 V p-p满幅摆幅和78 Ω等效输入阻抗，它可以接收最大–34 dBm的单音RF输入信号。如果输入信号是具有10 dB峰均比（PAR）的调制信号，在不改变VGA设置情况下，接收机可以接收的最大输入信号为－41dBm。

　　换言之，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2 V p-p摆幅范围，正确的输入功率为：

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

　　用电压增益计算的结果与功率增益计算出结果是相同的。

　　图5显示了超外差式或ZIF发射机，该器件采用以下元件：TxDACAD9122、低通滤波器、正交调制器ADL537x、另一个RF滤波器、频率合成器ADF4350、数字控制VGAADL5243、功率放大器、用于控制功率放大器（PA）栅极电压的DACAD562x.

　　

　　图5.发射机框图

　　对于AD9122，满量程输出电流可设置在8.66 mA与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）会变差，但DAC的输出功率和ACPR也随着满量程电流降低而减小。适当折衷的方案是将20 mA交流电流叠加于10 mA直流电平上，得到0 mA至20 mA的电流输出。

　　表4.AD9122和ADL5372接口和增益参数

 

　　ADL5372的输入电路需要0.5 V共模电压，由流经50 Ω电阻的10 mA直流电流提供。0 mA至20 mA交流电流由两个50 Ω电阻和一个100 Ω电阻共享。因此调制器输入的交流电压为20 mA × （（50 × 2） || 100） = 1 V p-p。TxDAC与调制器之间的滤波器用于去除高频杂散和谐波成分。滤波器的输入和输出阻抗为100 Ω。完整接口如图6所示。

　　

　　图6.直流耦合发射机IF接口框图和滤波器仿真结果

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

　　为了保证发射链路提供11 dBm平均发射功率，Tx信号链内后端需要具有26 dBm 的P-1dB的PA驱动器。如果需要2 dB插入损耗的RF滤波器以抑制LO馈通和调制器边带输出，那么增益模块和PA驱动器必须提供23 dB的总增益。针对此应用，建议使用具有集成式增益模块、数字控制衰减器和PA驱动器的VGA ADL5243。

　　结束语

　　本文介绍了ZIF和超外差式接收机解调器、IF VGA、混频器和ADC模拟端口差分设计，以及TxDAC与FMOD之间的发射机差分接口，其中均使用ADI器件作为信号链有源部分。另外还提供了设计用于这些电路的应用滤波器的增益计算和仿真结果。本振差分接口设计以及其他相关设计详情请参阅以下参考文献。

　　参考文献

　　Circuit Note CN-0018， Interfacing the ADL5372 I/Q Modulator to the AD9779A Dual-Channel， 1 GSPS High-Speed DAC.

　　Circuit Note CN-0134， Broadband Low Error Vector Magnitude （EVM） Direct Conversion Transmitter.

　　Calvo， Carlos. “The differential-signal advantage for communications system design.” EE Times.

　　作者简介

　　Mingming Zhao ［[e-mail]］ 是ADI北京分公司的一名现场应用工程师，主要负责RF和高速转换器产品应用。他于中国科学院获得电磁和微波技术专业硕士学位之后，在大唐移动通信设备有限公司担任RF工程师两年多，随后在2010年加入ADI公司。