《電子技術(shù)應(yīng)用》
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RF混頻器在3G無線基站接收器中的應(yīng)用
摘要: 凌特公司(LineatTechnology)推出的LT5527型高線性度有源下變頻RF混頻器能大幅降低3G蜂窩基站的成本并簡化其設(shè)計。
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    1 引言

  凌特公司(Lineat Technology)推出的LT5527型高線性度有源下變頻RF混頻器能大幅降低3G蜂窩基站的成本并簡化其設(shè)計。LT5527 RF混頻器具有3.7 GHz的最高工作頻率,在1.9 GHz時,LT5527具有23.5 dBm的IP3(輸入3階截取)線性度,、2.3dB轉(zhuǎn)換增益和12.5 dB噪聲指標(biāo),符合3G蜂窩基站和其他高性能無線基站接收器的動態(tài)范圍要求。LT5527的本機(jī)振蕩器(LO)和RF輸入以單端方式工作,,具有內(nèi)置50Ω 阻抗,只需很少外部匹配器件,,可降低基站成本和縮短設(shè)計時間,。此外,LT5527內(nèi)包含1個低噪聲LO緩沖器,,允許工作于-3 dBm LO驅(qū)動功率,,解決了RF隔離難題,無需外部濾波電路,。

  LT5527工作于400 MHz~3.7 GHz的寬頻率范圍,,該范圍覆蓋850 MHz蜂窩頻帶、1.9 GHz~2.1GHz W-CDMA及UMTS頻帶,,也覆蓋了工作于450MHz,、2.4 GHz和3.5 GHz頻帶的其他高性能無線設(shè)備。LT5527在RF和L0輸入端都有片上RF變壓器,。這些變壓器方便了50 Ω阻抗匹配,,并使輸入能以單端方式工作。

  2 LT5527的主要特性及引腳功能

  2.1 LT5527的主要特性

  LT5527采用單5 V工作電源,,典型工作電流為78 mA,。它可用EN引腳關(guān)斷。關(guān)斷時,,最高消耗100μA靜態(tài)電流,。LT5527采用16引腳4 mmx4mm QFN封裝。LT5527的主要特性如下:
●50Ω單端式的RF和L0,;
●高輸入IP3:0.9 GHz時的輸入IP3為+24.5dBm,,1.9 GHz時的輸入IP3為+23.5 dBm;
●0.9 GHz時的轉(zhuǎn)換增益為3.2 dB,,1.9 GHz時的轉(zhuǎn)換增益為2.3 dB,;
●低噪聲:O.9 GHz時的噪聲指標(biāo)為11.6 dB,1.9 GHz時的噪聲指標(biāo)為12.5 dB,;
●高L0-RF及LO-IF隔離,;
●L0至RF泄漏為-44 dBm,;
●工作電壓范圍為4.5 V~5.25 V。

  2.2 LT5527的引腳功能

  LT5527由高線性雙平衡混頻器,、RF緩沖放大器,、高速限幅LO緩沖器及偏置/使能電路構(gòu)成,RF和L0輸入以單端方式工作,,IF輸出是差分輸出,,低端LO和高端LO注入均可用。LT5527的外引腳排列如圖1所示,,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示,,各引腳的功能如下所述。

LT5527

   NC(1,,2,,4,8,,13,,14,l 6):這些引腳內(nèi)部不連接,,與電路板的地相接,,以改善LO至RF及LO至IF之間的隔離。
RF(3):RF信號輸入端,,該引腳內(nèi)部與RF輸入變壓器的初級相連,。若RF信號源不被DC阻隔,則需串聯(lián)一耦合電容器,。在1.7 GHz~3 GHz之間,,RF輸入由內(nèi)部匹配。400 MHz,,3 700 MHz都需外部匹配,。
EN(5):使能端,當(dāng)輸入使能電壓超過3 V時,,混頻器電路通過6,、7、10和11啟動,。當(dāng)輸入電壓低于0.3V時,,所有的電路都不工作。EN=5V時的典型輸入電流為50 mA,,EN=0 V時,,電流為0μA。即使在啟動時,EN端的電壓也不應(yīng)超過Vcc0.3V,。
Vcc2(6):偏置電路的電源輸入端,,電流消耗為2.8mA。該端外部接至Vcc1端,,并接l 000 pF及1μF的耦合電容器,。
Vcc1(7):LO緩沖器的電源端,電流消耗為23.2mA,。該端外部接至Vcc2端,,并接l 000pF及1μF的耦合電容器。
GND(9,,12):地端,,該端和底板地相連以增強(qiáng)隔離度,也是電路板上的RF地,。
IF-,IF+(10,,11):IF信號差分輸出,,需進(jìn)行阻抗變換以實現(xiàn)輸出匹配。這些端子通過阻抗匹配電感器,、RF扼流圈或變壓器中心抽頭與Vcc相連,。
LO (15):本地振蕩器的單端輸入,該端內(nèi)部與L0變壓器的初級相連,。在1.2 GHz~5 GHz之間,,LO輸入可內(nèi)部匹配,在380MHz以下工作時需簡單的外部匹配,。
Exposed Pad(17):整個電路地的返回端,,必須焊接至印刷電路板的接地面。

  3 LT5527的應(yīng)用電路設(shè)計

  圖3示出由混合變壓器構(gòu)成的lF匹配電路,以達(dá)到最低LO-IF泄漏和最寬的IF帶寬,。圖4示出由1個離散的IF不平衡變壓器代替IF變壓器的電路,,以降低成本和縮小尺寸,盡管離散的IF不平衡變壓器也有較理想的噪聲系數(shù),、線性度及較高的轉(zhuǎn)換增益,,但是LO-IF泄漏降低,IF的帶寬減小,。

LT5527的應(yīng)用電路設(shè)計

  3.1 RF輸入端的設(shè)計

  RF輸入端由1個集成變壓器和一個高線性差分放大器組成,,變壓器的初級與RF輸入端(引腳3)和地連接,變壓器的次級內(nèi)部與差分放大器輸入端連接,。

  變壓器初級的一端內(nèi)部和地連接,,如果RF源有DC電壓,則在其輸入端接入耦合電容器,。在1.7GHz~3 GHz之間,,RF輸入可由內(nèi)部匹配,,在這個頻率范圍不需要外部匹配。頻帶邊沿輸入回波損耗的典型值為10 dB,。

  在低頻帶邊沿的輸入匹配電路中,,串聯(lián)的最佳電容器的值是2.7 pF(引腳3),以改善1.7GHz的回波損耗(>20 dB),;同樣,,為改善2.7GHz的回波損耗(>30dB),其匹配串聯(lián)的最佳電感器感值是1.5 nH,。同時,,串聯(lián)1.5nH/2.7 pF匹配網(wǎng)絡(luò)使頻帶的邊沿更理想,并將RF的輸入帶寬擴(kuò)大至1.1 GHz~3.3 GHz,。

  在400 MHz低頻處或3.7GHz處,,RF輸入匹配網(wǎng)絡(luò)在原有基礎(chǔ)上增加并聯(lián)電容器C5,如果450MHz下的輸入匹配電容器C5的容值為12 pF,,在評估板的50 Ω輸入傳輸線上,,位于距離引腳34.5 mm的位置;900 MHz下的輸入匹配電容C5=3.9 pF,,位于距離引腳3 1.3 mm的位置,;3.5 GHz下的輸入匹配電容器C5=O.5 pF,位于距離引腳34.5mm的位置,。這種串聯(lián)傳輸線/并聯(lián)電容器匹配拓?fù)涫沟肔T5527可用于倍頻標(biāo)準(zhǔn),,而不需要修正電路板的設(shè)計。串聯(lián)傳輸線可用串聯(lián)的片式電感器代替,,以使布局更簡單,。RF輸入阻抗和Sl1與頻率的關(guān)系(沒有外部匹配)列于表1。S11數(shù)據(jù)用于微波電路模擬設(shè)計自定義匹配網(wǎng)絡(luò),,模擬和RF輸入濾波器的接口連接,。

RF輸入阻抗和Sl1與頻率的關(guān)系

  3.2 LO輸入端的設(shè)計

  LO輸入端由1個集成變壓器和1個高速限幅差分放大器組成,其中,,放大器驅(qū)動混頻器,,得到最高的線性和最低的噪聲,1只內(nèi)部耦合電容器和變壓器的初級串聯(lián),,無需連接外部耦合電容器,。盡管內(nèi)部放大器將最大有效頻率限制在3.5 GHz,但在1.2 GHz~5 GHz范圍內(nèi),,L0輸入由內(nèi)部匹配,。當(dāng)然輸入匹配可以變換,在低頻(750 MHz)處,給引腳15并聯(lián)1只電容器(C4),,850MHz~1.2 GHz匹配中,,C4=2.7 pF。

  750 MHz以下的LO輸入匹配要求串聯(lián)電感L/4并聯(lián)電容C4,,在650 MHz~830 MHz,,其匹配網(wǎng)絡(luò)的L4=3.9 nH,C4=5.6 pF,;在540 MHz~640MHz,,其匹配網(wǎng)絡(luò)的L4=6.8 nH,C4=10 pF,。評估板不包含L4的焊盤,,因此可切斷近處的引腳15以便插入L4,L4是低功耗多層片式電感器,。

  頻率大于1.2 GHz時,,盡管放大器提供的功率有幾個dB,但最佳LD驅(qū)動功率只有-3 dBm(I/0輸入功率變化,,混頻器性能不變),;在頻率低于1.2GHz的情況下,盡管-3 dBm的L0驅(qū)動功率仍然提供高轉(zhuǎn)化增益和線性,,但是為了得到最佳噪聲,LO驅(qū)動功率為0 dBm,。自定義匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗數(shù)據(jù)見表2,,并參考LO端沒有匹配時的情況。

自定義匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗數(shù)據(jù)

  3.3 IF輸出端的設(shè)計

  IF輸出端(IF+和IF-)和晶體管混頻開關(guān)的集電極連接,,如圖5,。IF+和IF-分別有電壓偏置,主要通過變壓器中心抽頭或匹配電感取得,。每個IF端從總電流(52 mA)中分出26 mA的電流,。為了得到最佳單端工作性能,這些差分輸出需通過1個IF變壓器或1個離散的IF不平衡變壓器與外部電路結(jié)合,。圖3所示的電路包含1個用于阻抗變換和差分單端轉(zhuǎn)換的IF變壓器,,圖4所示的電路由1個離散的IF不平衡變壓器實現(xiàn)同樣的功能。低頻時IF輸出阻抗可等效415 Ω并聯(lián)2.5 pF的電容器,。頻率與IF差分輸出阻抗的關(guān)系如表3所示,。這些數(shù)據(jù)參考封裝引腳(沒有外部元件),包含了IC和封裝寄生效應(yīng)的影響,。對于IF頻率為幾千赫茲的低頻或600MHz的高頻,,可匹配輸出IF。

IF輸出端的設(shè)計

  差分單端IF匹配的方法有以下三種:

   (1)直接8:1 IF變壓器匹配

  IF頻率低于100 MHz時,最簡單的匹配設(shè)計是將1個8:l變壓器連接到IF端,,變壓器將進(jìn)行阻抗變換并提供單端50Ω輸出,。在圖3所示電路中,這種匹配通過短接L1,、L2,、用8:1變壓器(不設(shè)置C3)代替4:1變頻器即可實現(xiàn)。

  (2)低通濾波器+4:1

  IF變壓器匹配實現(xiàn)最低的LO-IF泄漏和較寬的IF帶寬很簡單,,如圖5所示為由3個元件構(gòu)成低通濾波匹配網(wǎng)絡(luò),。匹配元件C3、Ll和L2結(jié)合內(nèi)部2.5 pF電容器形成1個400 Ω~200 Ω低通濾波匹配網(wǎng)絡(luò),,該匹配網(wǎng)絡(luò)諧振于所期望的lF頻率,。這里4:l變壓器將200Ω差分輸出變換成50Ω的單端輸出。

  該匹配網(wǎng)絡(luò)對40MHz以上(包括40MHz)的IF最為合適,。對于40 MHz以下的IF頻率,,若串聯(lián)電感器(Ll、L2)的電感值取得過高,,用這樣的電感和寄生效應(yīng)將影響穩(wěn)定性,,因此,8:1變壓器適合于低IF頻率,。適用于 IF頻率的低通濾波的匹配元件值如表4所示,。高Q值線繞片式電感器(Ll、L2)大大改善了混頻器的轉(zhuǎn)換增益,,但對線性度還是有點影響,。

低通濾波的匹配元件值

  (3)離散IF不平衡變壓器匹配

  在許多應(yīng)用中,可以用離散IF不平衡變壓器代替IF變壓器,,如圖4所示,。Ll、L2,、C6和C7的值可用式(1),、式(2)計算,在IF頻率期望值上得到 180°相移,,并提供50Ω的單端輸出,。電感器L3的值也可計算,但L3抵消內(nèi)部2.5pF的電容器,,L3也為IF+端提供偏置電壓,。低功耗多層片式電感適合Ll、L2,,為了得到最大轉(zhuǎn)換增益以及為IF+端提供最小DC電壓,,L3選用高Q值線繞片式電感器,,C3是DC的隔離電容器。

離散IF不平衡變壓器匹配

  與低通濾波4:1變壓器匹配技術(shù)相比.這種網(wǎng)絡(luò)提供約為0.8 dB的高轉(zhuǎn)換增益(忽略IF變壓器上的損耗),,較好的噪聲系數(shù)和IP3,。IF中心頻率偏移±15%,轉(zhuǎn)換增益和噪聲下降約1 dB,。超過+15%以上,,轉(zhuǎn)換增益逐漸減少,但噪聲迅速增大,。IP3對帶寬不太敏感,,與低通濾波4:1變壓器匹配相比仍可實現(xiàn)以最佳性能,除了IF帶寬,,最大的差別是LO-IF泄漏,,減少約-38 dBm。

  通用IF頻率下離散IF不平衡變壓器的元件值如表5所示,。由于電路板和寄生效應(yīng)的影響,,表5中的值與計算值略有差別。

元件值

  對整個差分IF結(jié)構(gòu)來說,,還可以從另一個角度考慮,,不用IF變壓器,如圖6所示,,這里,,混頻器的lF輸出匹配直接通過1個SAW濾波器,混頻器IF端的電源由IF匹配網(wǎng)絡(luò)中的電感器提供,。計算Ll,、L22和C3的值,使之在期望的IF頻率上諧振,,并獲得高品質(zhì)因數(shù)和理想帶寬。調(diào)整L和C值,,以消除混頻器內(nèi)部2.5 pF電容和SAW濾波器輸入電容的影響,。在這種情況下,由于帶通網(wǎng)絡(luò)不變換阻抗,,其差分lF輸出阻抗是400Ω,。若SAW濾波器的輸入阻抗大于或小于 400 Ω,就需要附加匹配元件,。

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