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USB供電的5.8 GHz RF LNA接收器,帶輸出功率保護(hù)功能

發(fā)布時(shí)間:2022-06-20 來源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)分配了免許可的5.8 GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)(ISM)無線電頻段供全球使用。隨著無線技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步,以及最低的法規(guī)合規(guī)要求,使此頻段在短距離無線通信系統(tǒng)中頗受歡迎。


評(píng)估和設(shè)計(jì)支持


●   電路評(píng)估板


    ○ CN0534電路評(píng)估板(EVAL-CN0534-EBZ)


●   設(shè)計(jì)和集成文件


    ○ 原理圖、布局文件、物料清單


電路功能與優(yōu)勢(shì)


國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)分配了免許可的5.8 GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)(ISM)無線電頻段供全球使用。隨著無線技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步,以及最低的法規(guī)合規(guī)要求,使此頻段在短距離無線通信系統(tǒng)中頗受歡迎。


因?yàn)榭捎玫耐ǖ罃?shù)量和帶寬,短距離數(shù)字通信應(yīng)用(例如WiFi)更傾向于使用5.8 GHz頻段。雖然傳輸范圍比2.4 GHz頻段要短,但它提供150 MHz帶寬,可支持高達(dá)23個(gè)非重疊WiFi通道。其他常見用例包括軟件定義無線電、無線接入點(diǎn)、公共安全無線電、無線中繼器、毫微微蜂窩、長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)/微波存取的全球互操作性(WiMAX)/4G、收發(fā)器基站(BTS)基礎(chǔ)設(shè)施。


這種設(shè)計(jì)尺寸小巧,提供高增益、可靠的過功率監(jiān)測(cè)和保護(hù),對(duì)于面臨信號(hào)強(qiáng)度低,或覆蓋范圍小的ISM頻段應(yīng)用來說,這是一項(xiàng)附加優(yōu)勢(shì)。


圖1所示的電路來自高性能RF接收器系統(tǒng),具有+23 dB增益,優(yōu)化之后,支持采用5.8 GHz中心頻率。其輸入未經(jīng)濾波,保持2 dB噪聲系數(shù),但輸出端配有帶通濾波器,會(huì)衰減帶外干擾。


該電路中包含高速過功率檢測(cè)器和開關(guān),用于保護(hù)連接至接收器系統(tǒng)的下游敏感設(shè)備。當(dāng)RF功率電平下降到可接受范圍內(nèi)時(shí),接收器系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。RF輸入和輸出是標(biāo)準(zhǔn)的SMA連接器,整個(gè)設(shè)計(jì)由一個(gè)微型USB連接器供電。


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圖1.EVAL-CN0534-EBZ簡(jiǎn)化功能框圖


ADI公司的Circuits from the Lab?電路由ADI工程師設(shè)計(jì)構(gòu)建。每個(gè)電路的設(shè)計(jì)和構(gòu)建都嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)工程規(guī)范,電路的功能和性能都在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中以室溫條件進(jìn)行了測(cè)試和檢驗(yàn)。然而,您需負(fù)責(zé)自行測(cè)試電路,并確定對(duì)您是否適用。因而,ADI公司將不對(duì)由任何原因、連接到任何所用參考電路上的任何物品所導(dǎo)致的直接、間接、特殊、偶然、必然或者懲罰性的損害負(fù)責(zé)。


電路描述


RF低噪聲放大器(LNA)


HMC717A是一款砷化鎵(GaAs)假晶高電子遷移率晶體管(PHEMT)、單芯片微波集成電路(MMIC) LNA,適用于工作頻率為4.8 GHz至6.0 Ghz,適合多種信號(hào)通信協(xié)議(例如ISM、MC-GSM、W-CDMA和TD-SCDMA)的后端接收器。


如圖2所示,在其RF工作頻段內(nèi),HMC717A具有14.5 dB增益。噪聲系數(shù)為1.1 dB,放大器由一個(gè)5 V電源供電,總電源電流為68 mA。為了實(shí)現(xiàn)23 dB總增益,將兩個(gè)HMC717A放大器級(jí)聯(lián)。HMC717A提供1.1 dB噪聲系數(shù)、27 dBm 3階交調(diào)點(diǎn)(IP3)和15 dB壓縮點(diǎn)(P1dB),適用于第一級(jí)LNA,也適用于中間增益級(jí)。


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圖2.HMC717A寬帶增益(S21)和回波損耗(S11)與頻率的關(guān)系


LNA阻抗匹配


如圖3所示,HMC717A的RFIN(引腳2)和RFOUT(引腳11)引腳是單端引腳,在4.8 GHz至6.0 GHz頻率范圍內(nèi)具有50Ω標(biāo)稱電阻,允許HMC717A直接連接至50Ω端接系統(tǒng),無需使用額外的阻抗匹配電路。


RFOUT具有集成式隔直流電容,所以無需在第二級(jí)采用外部電容,支持在不使用外部匹配電路的情況下以背靠背的方式將多個(gè)HMC717A放大器級(jí)聯(lián)在一起。唯一的要求是,第一級(jí)的RFIN必須與1.2 pF電容交流耦合。


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圖3.用于級(jí)聯(lián)HMC717A放大器的基本連接


帶通濾波器


LNA輸出被帶通濾波器濾波。如圖4所示,該濾波器的通帶范圍為5400 MHz至6400 MHz,典型的回波損耗為14.7 dB,在5.8 GHz中心頻率下的插入損耗為1.6 dB。


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圖4.帶通濾波器的典型電氣性能:插入損耗(S21)和回波損耗(S11)


過功率保護(hù)


相對(duì)較低的功率電平會(huì)損壞敏感電路。例如,AD9363收發(fā)器的RF輸入的絕對(duì)最大功率電平為+2.5 dBm。CN0534包含一個(gè)過功率保護(hù),當(dāng)功率電平下降到可接受范圍內(nèi)時(shí),運(yùn)行自動(dòng)復(fù)位電路,如圖5所示。


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圖5.RF衰減器和功率檢波器保護(hù)框圖


電路描述


RF功率檢波器和自動(dòng)復(fù)位電路


ADL5904是一款RF功率檢波器,工作頻率范圍是DC至6 GHz。建議在ADL5904的輸入端配備一個(gè)470 nF交流耦合電容和一個(gè)外部82.5Ω分流電阻,以提供寬頻段輸入匹配。ADL5904使用內(nèi)部RF包絡(luò)檢波器和用戶定義的輸入電壓,根據(jù)RF輸入功率電平提供可編程的閾值檢測(cè)功能。當(dāng)來自RF包絡(luò)檢波器的電壓超過VIN?引腳上用戶定義的閾值電壓時(shí),內(nèi)部比較器將事件鎖存到觸發(fā)器上。超過用戶編程閾值的RF輸入信號(hào)至輸出鎖存的響應(yīng)時(shí)間為極快的12 ns。鎖存事件保持在觸發(fā)器上,直至對(duì)RST引腳施加復(fù)位脈沖。


CN0534的帶通濾波器的輸出功率電平由一個(gè)耦合因子為+13 dB的集成薄膜耦合器采樣,并轉(zhuǎn)發(fā)到ADL5904的RFIN引腳。ADL5904在VIN?上的閾值電平由一個(gè)電阻分壓器設(shè)置,值設(shè)置為約32 mV,相當(dāng)于在未經(jīng)校準(zhǔn)的情況下,在5.8 GHz下運(yùn)行時(shí)的?9 dBm閾值功率,如ADL5904數(shù)據(jù)手冊(cè)所示。結(jié)合耦合器和RF衰減器在0 dB狀態(tài)下的損耗,輸出保持在對(duì)敏感器件來說安全的水平下。


如果需要更高的過功率閾值精度,可以在多個(gè)頻率下執(zhí)行簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)程序,以補(bǔ)償系統(tǒng)內(nèi)器件之間的差異。關(guān)于校準(zhǔn)程序的信息,參見ADL5904數(shù)據(jù)手冊(cè)。


在正常運(yùn)行期間,ADL5904的Q輸出使LTC6991可編程低頻率定時(shí)器保持復(fù)位狀態(tài)。發(fā)生過功率事件時(shí),LTC1991啟用,并且開始4 ms延遲。ADL5904在4 ms后復(fù)位,對(duì)功率電平重新采樣。如果過功率狀態(tài)持續(xù),ADL5904再次斷路,衰減器保持在-20 dB狀態(tài)。衰減器控制信號(hào)被延遲,在對(duì)功率電平重新采樣期間,它將持續(xù)保持-20 dB狀態(tài)。如果過功率情況消除,衰減器恢復(fù)到0 dB狀態(tài),恢復(fù)正常工作,如圖6所示。


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圖6.自動(dòng)重試電路功能框圖


RF衰減器


HMC802A是一款寬帶雙向1位GaAs IC數(shù)字衰減器。該器件在旁路模式下,在5.8 GHz頻率下具有1.5 dB低插入損耗,啟用時(shí)具有20±0.6 dB準(zhǔn)確衰減。由一個(gè)5 V電源供電,IP3為+55 dBm,衰減控制信號(hào)兼容CMOS/TTL。雖然RF開關(guān)通常用于過功率保護(hù)應(yīng)用,但在5.8 GHz下,HMC802A的20 dB衰減要優(yōu)于大多數(shù)RF開關(guān)的關(guān)斷隔離狀態(tài)。


如圖7所示,在5.8 GHz中心頻率下,該器件在旁路模式下的典型插入損耗為1.5 dB。圖8顯示在5.8 GHz中心頻率下,衰減模式下的隔離系數(shù)為-20.5 dB。


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圖7.在旁路模式下時(shí),HMC802A的典型插入損耗和輸入回波損耗性能


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圖8.在衰減模式下時(shí),HMC802A的典型插入損耗和輸入回波損耗性能


組合來自帶通濾波器、耦合器和來自RF衰減器的插入損耗,在5.8 GHz中心頻率下,在正常工作條件下,RF衰減器輸出端的總插入損耗約為3 dB,在衰減模式下時(shí),約為21.5 dB。


保護(hù)結(jié)果


使用圖9所示的設(shè)置測(cè)試過功率保護(hù)功能。RF信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率設(shè)置為5.8 GHz,CN0534的輸入功率從-30 dBm增加到-20 dBm。CN0534的輸出功率由ADL6010高速包絡(luò)檢波器監(jiān)控,該檢波器提供從過功率事件到輸出功率衰減的響應(yīng)時(shí)間的精確測(cè)量值。


電路描述


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圖9.RF過功率響應(yīng)測(cè)試的簡(jiǎn)化框圖


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圖10.典型的過功率保護(hù)響應(yīng)時(shí)間


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圖11.過載保護(hù)狀態(tài)后,典型的恢復(fù)時(shí)間


一旦觸發(fā),檢波器鎖存在250 Hz的頻率下復(fù)位,如果輸出功率下降到低于2.5 dBm,則輸出開關(guān)啟用。開關(guān)使能信號(hào)被延遲,以確保它不會(huì)在過功率情況仍然存在時(shí)被確認(rèn)。結(jié)果如圖10和圖11所示。


USB電源管理


升壓轉(zhuǎn)換器


圖12顯示EVAL-CN0534-EBZ功率樹,它通過微型USB接口,從5 V電源消耗1.1 W功率。


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圖12.CN0534系統(tǒng)功率架構(gòu)


LT8335是一款電流模式DC/DC轉(zhuǎn)換器,能夠利用單個(gè)反饋引腳生成正或負(fù)輸出電壓。它可以配置為升壓、SEPIC或反相轉(zhuǎn)換器,消耗低至6μA靜態(tài)電流。在典型應(yīng)用中,低紋波突發(fā)模式可在低輸出電流時(shí)保持高效率,同時(shí)使輸出紋波保持在15 mV以下。內(nèi)部補(bǔ)償電流模式架構(gòu)可在寬輸入和輸出電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。集成軟啟動(dòng)和頻率折返功能,以便在啟動(dòng)期間控制電感電流。要配置LT8335提供5.6 V輸出,所需的基本連接如圖13所示。


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圖13.LT8335的5.6V輸出框圖


輸出電壓通過輸出端和FBX引腳之間的電阻分壓器進(jìn)行編程。根據(jù)公式1選擇電阻值,以提供正輸出電壓:


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超低噪聲線性穩(wěn)壓器


ADM7150是一款超低噪聲高PSSR RF線性穩(wěn)壓器,使用5 V輸出來盡量增大HMC717A的增益。


ADM7150是一款低壓差線性穩(wěn)壓器,在固定輸出電壓選擇下,在100 Hz到100 kHz范圍內(nèi)提供1.0 μV rms典型輸出噪聲,在10 kHz以上提供<1.7 nV/√Hz噪聲譜密度,如圖14所示。


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圖14.不同旁路電容(CBYP)下的噪聲譜密度與頻率


ADP150用于為功率檢波器和自動(dòng)重試電路生成3.3 V電壓。如圖15所示,它是一個(gè)高性能低壓差線性穩(wěn)壓器,具有超低噪聲和超高PSRR架構(gòu),用于為噪聲敏感型RF應(yīng)用供電。


電路描述


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圖15.ADP150 PSSR與頻率的關(guān)系


常見變化


為了實(shí)現(xiàn)更寬的工作帶寬,可以使用HMC8411來代替RF LNA。HMC8411是一款低噪聲寬帶放大器,工作頻率范圍為0.01 GHz到10 GHz。它提供15.5 dB典型增益、1.7 dB典型噪聲系數(shù)和34 dBm典型輸出3階交調(diào)點(diǎn)功率(OIP3),采用5 V電源電壓時(shí)功耗僅為55 mA。HMC8411還具有內(nèi)部匹配50 Ω的輸入和輸出,非常適合基于表貼技術(shù)(SMT)的高容量微波無線電應(yīng)用。


HMC550A可用于代替RF開關(guān)。它是一款低成本單刀單擲(SPST)故障安全開關(guān),用于需要低插入損耗和低電流消耗的應(yīng)用。這些器件可控制頻率范圍為DC至6 GHz的信號(hào),尤其適合IF和RF應(yīng)用,包括RFID、ISM、汽車和電池供電標(biāo)簽和筆記本電腦。


ADL6010可以用作包絡(luò)檢波器替代組件,是一款快速響應(yīng)、45 dB范圍、0.5 GHz至43.5 GHz包絡(luò)檢波器。ADL6010是一款多功能微波頻譜寬帶包絡(luò)檢波器,采用簡(jiǎn)單的6引腳封裝,提供極低的功耗(8 mW)。該器件輸出的基帶電壓與射頻(RF)輸入信號(hào)的瞬時(shí)幅度成正比。它的RF輸入具有非常小的斜率變化,以便包絡(luò)從0.5 GHz到43.5 GHz的輸出轉(zhuǎn)換函數(shù)。


電路評(píng)估與測(cè)試


以下部分概述評(píng)估CN0534性能的一般設(shè)置。如需完整的詳細(xì)信息,請(qǐng)參閱CN0534用戶指南。


設(shè)備要求


●   EVAL-CN0534-EBZ參考設(shè)計(jì)板

●   一個(gè)RF信號(hào)源(R&S? SMA100B)

●   一個(gè)信號(hào)源分析儀(Keysight E5052B SSA)

●   一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分析儀(Keysight N5242A PNA-X)

●   一根SMA至SMA電纜

●   一根micro USB至USB電纜

●   5 V交流/直流USB電源適配器


測(cè)試設(shè)置


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圖16.相位噪聲和SFDR測(cè)試設(shè)置框圖


要測(cè)量圖16所示的相位噪聲和SFDR,請(qǐng)執(zhí)行以下步驟:


1.    按如下步驟設(shè)置信號(hào)源的測(cè)量配置:


●   為了執(zhí)行SFDR測(cè)量,設(shè)置中心頻率 = 5.8 Ghz,頻率范圍 = 5.79 GHz至5.81 GHz,RF幅值 = 10 dBm。

●   為了執(zhí)行相位噪聲測(cè)量,設(shè)置中心頻率 = 5.8 Ghz,偏移頻率范圍 = 10 Hz至30 MHz。如果設(shè)備可以處理放大器輸出(0 dBm輸入時(shí)約為20 dBm),請(qǐng)參考信號(hào)源分析儀數(shù)據(jù)手冊(cè)上的最大輸入電平。如有必要,將衰減器連接到信號(hào)源分析儀的輸入。


2.    將信號(hào)源發(fā)生器的功率電平設(shè)置為0 dBm,中心頻率設(shè)置為5.8 GHz。


3.   使用micro USB電纜和額定功率大于500 mW的5V電源適配器為EVAL-CN0534-EBZ供電。


4.    將信號(hào)發(fā)生器的輸出連接到EVAL-CN0534-EBZ的RF輸入(J2)。


5.    將EVAL-CN0534-EBZ的RF輸出(J1)連接到信號(hào)源分析儀。


6.    在信號(hào)源分析儀上執(zhí)行測(cè)量運(yùn)行。


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圖17.S參數(shù)和噪聲系數(shù)測(cè)試設(shè)置框圖


要測(cè)量圖17所示的S參數(shù)和噪聲系數(shù),請(qǐng)執(zhí)行以下步驟:


1.    將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置為所需的測(cè)量條件,采用以下設(shè)置:


●   為了執(zhí)行S參數(shù)測(cè)量,設(shè)置頻率范圍 = 4.8 GHz至6.8 GHz。

●   為了執(zhí)行相位噪聲測(cè)量,設(shè)置頻率范圍 = 5.3 GHz至6.8 GHz。


2.    使用校準(zhǔn)套件對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀執(zhí)行完整的2端口校準(zhǔn)。請(qǐng)注意,EVAL-CN0534-EBZ的RF輸入(J2)可以直接連到測(cè)試端口,因此測(cè)試設(shè)置僅需要一根測(cè)量電纜。


3.    使用5 V電源適配器和microUSB電纜為EVAL-CN0534-EBZ供電。


4.    使用校準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)置將EVAL-CN0534-EBZ連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試端口上。


5.    將測(cè)量值設(shè)置為所需的S參數(shù)。


6.    在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上執(zhí)行自動(dòng)縮放功能。如果需要,隨后可調(diào)整比例。


RF性能


EVAL-CN0534-EBZ在5.8 GHz中心頻率下,將RF信號(hào)輸入放大約+23 dB增益,回波損耗為?15 dB。圖18和圖19顯示了EVAL-CN0534-EBZ的增益和回波損耗。


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圖18.EVAL-CN0534-EBZ增益與頻率的關(guān)系


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圖19.EVAL-CN0534-EBZ輸入回波損耗與頻率的關(guān)系


5.8 GHz時(shí)的單邊帶相位噪聲如圖20所示。


電路評(píng)估與測(cè)試


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圖20.EVAL-CN0534-EBZ在5.8 GHz下的單邊帶相位噪聲與偏移頻率的關(guān)系


圖21顯示窄帶單音RF輸出,SFDR約為78 dBFS。


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圖21.EVAL-CN0534-EBZ在5.8 GHz時(shí)的窄帶單音RF輸出


圖22顯示相應(yīng)的噪聲值與頻率的關(guān)系,在5.8 GHz中心頻率下約為2 dB。


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圖22.EVAL-CN0534-EBZ噪聲系數(shù)與頻率的關(guān)系


ESD Caution


ESD警告


ESD(靜電放電)敏感器件。帶電器件和電路板可能會(huì)在沒有察覺的情況下放電。盡管本產(chǎn)品具有專利或?qū)S斜Wo(hù)電路,但在遇到高能量ESD時(shí),器件可能會(huì)損壞。因此,應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)腅SD防范措施,以避免器件性能下降或功能喪失。


Circuits from the Lab電路僅供與ADI公司產(chǎn)品一起使用,并且其知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸ADI公司或其授權(quán)方所有。雖然您可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中使用參考電路,但是并未默認(rèn)授予其它許可,或是通過此參考電路的應(yīng)用及使用而獲得任何專利或其它知識(shí)產(chǎn)權(quán)。ADI公司確信其所提供的信息是準(zhǔn)確可靠的。不過,Circuits from the Lab電路是以“原樣”的方式提供的,并不具有任何性質(zhì)的承諾,包括但不限于:明示、暗示或者法定承諾,任何適銷性、非侵權(quán)或者某特定用途實(shí)用性的暗示承諾,ADI公司無需為參考電路的使用承擔(dān)任何責(zé)任,也不對(duì)那些可能由于其使用而造成任何專利或其它第三方權(quán)利的侵權(quán)負(fù)責(zé)。ADI公司有權(quán)隨時(shí)修改任何參考電路,恕不另行通知。



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