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解密RF信號鏈—第2部分:基本構(gòu)建模塊

2021-12-29
作者:Anton Patyuchenko,,現(xiàn)場應(yīng)用工程師
來源:ADI公司
關(guān)鍵詞: ADI RF

分立式和集成式組件是構(gòu)成各個應(yīng)用領(lǐng)域的RF信號鏈的基礎(chǔ)功能性構(gòu)建模塊,。在本系列文章的第一部分,我們討論了用于表征系統(tǒng)的主要特性和性能指標(biāo),。然而,,為了達(dá)到期望的性能,RF系統(tǒng)工程師還必須對各類RF器件有充分的了解,,RF器件的選擇將決定最終應(yīng)用中完整RF信號鏈的整體性能,。

第2部分將概述典型RF信號鏈中使用的不同器件的主要類型,如圖1所示,。我們的討論將限于最常見的RF集成電路(IC),,并依賴于與系統(tǒng)級信號鏈定義相關(guān)的分類標(biāo)準(zhǔn)。該評估包括RF放大器,、頻率產(chǎn)生IC,、倍頻器和分頻器,、混頻器,、濾波器和開關(guān),,以及衰減器和檢波器,。本文可以作為RF系統(tǒng)設(shè)計人員為目標(biāo)應(yīng)用選擇合適構(gòu)建模塊的指南,。

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圖1.一個通用RF信號鏈

RF放大器

放大器的主要功能是提高輸入信號的功率水平以在輸出端產(chǎn)生更大的信號。任何RF放大器的主要特性就是其增益,,它描述了輸出功率與輸入功率之比。然而,,最優(yōu)放大器設(shè)計總是其增益,、噪聲,、帶寬、效率,、線性度和其他性能參數(shù)的權(quán)衡結(jié)果。將這些特性作為主要分類標(biāo)準(zhǔn),,我們可以區(qū)分各種類型的放大器,,從而為具體應(yīng)用場景提供優(yōu)化的性能。

低噪聲放大器(LNA)經(jīng)過優(yōu)化,,旨在提高低功率信號的電平而不引入顯著的噪聲,。良好LNA在亞GHz范圍內(nèi)的噪聲系數(shù)(NF)可以小于1 dB,,在較高頻率下為幾個dB。信號鏈的整體噪聲系數(shù)由前幾級主導(dǎo),,因此LNA常常用在接收器的前端以使其靈敏度最大化,。相反,,功率放大器(PA)通常用于發(fā)射信號鏈的輸出級,。其針對功率處理進(jìn)行了優(yōu)化,以高效率提供高輸出功率,,同時保持低發(fā)熱量。

高IP3或高線性度放大器具有與PA相似的特性,,提供高動態(tài)范圍性能,。然而,,這種類型的放大器針對線性度進(jìn)行了優(yōu)化,,在使用高峰均功率比的信號的應(yīng)用中優(yōu)于PA,。例如,,在依賴矢量調(diào)制信號的通信系統(tǒng)中,,高線性度放大器可以使失真最小化,,這對于實現(xiàn)低誤碼率至關(guān)重要。

可變增益放大器(VGA)也是針對高動態(tài)范圍應(yīng)用,,但能支持寬范圍的信號電平。VGA通過增益調(diào)節(jié)來控制發(fā)射信號幅度或調(diào)整接收信號幅度,,從而適應(yīng)信號變化。如果數(shù)據(jù)總線可提供控制參數(shù),,并且逐步增益調(diào)整對于應(yīng)用不那么重要,,那么應(yīng)選擇數(shù)字控制VGA。當(dāng)沒有數(shù)字控制數(shù)據(jù)可用或應(yīng)用不能容忍階躍干擾時,,模擬控制VGA是首選解決方案,。VGA常常用于自動增益控制(AGC),或用于補(bǔ)償其他元器件的溫度或特性變化所導(dǎo)致的增益漂移,。

如果LNA,、PA,、VGA和其他類型的RF放大器設(shè)計為在寬頻率范圍(高達(dá)數(shù)個倍頻程)內(nèi)工作,那么這些放大器也可以歸類為寬帶放大器,。此類放大器提供寬帶放大和中等增益,,常常用于寬帶應(yīng)用中主信號路徑的前端級。寬帶放大器常常依賴于分布式放大器電路設(shè)計,,并提供大增益帶寬積,,但通常要付出效率和噪聲方面的代價。

有些RF放大器也屬于一般類別的驅(qū)動放大器(或者就是驅(qū)動器),。驅(qū)動器是用于控制信號鏈中的另一器件(如第二放大器,、混頻器,、轉(zhuǎn)換器或其他元件)的放大器,。驅(qū)動放大器的主要功能是調(diào)節(jié)某些工作參數(shù),以確保相連器件擁有最佳工作條件,。驅(qū)動放大器不一定要設(shè)計為驅(qū)動特定器件,,但如果其用途是完成某種驅(qū)動功能,則任何RF放大器都可以被視為驅(qū)動器,。類似地,,我們還有一般類別的緩沖放大器(或者就是緩沖器),其用于防止信號源受負(fù)載影響,。例如,,緩沖放大器常用于將本振與負(fù)載隔離,以使負(fù)載阻抗變化對振蕩器性能的不利影響最小化,。

考慮經(jīng)典的超外差架構(gòu),,在寬泛的RF放大器中,我們還可以區(qū)分出本振(LO)放大器和中頻(IF)放大器,。這些放大器的主要區(qū)別是其在信號鏈中的功能目的,。LO放大器用于LO路徑,以確?;祛l器(通常被稱為LO驅(qū)動器或LO緩沖器)具有所需的LO驅(qū)動電平,,而IF放大器則設(shè)計為較低頻率工作,因而是信號鏈中頻級的首選解決方案,。

增益模塊是另一種一般類型的放大器,,可用于RF、IF或LO信號路徑,,能夠提供良好的增益平坦度和回波損耗,。其設(shè)計常常包含內(nèi)部匹配和偏置電路,因而只需極少的外部元件便可集成到信號鏈中,,集成工作得以簡化,。增益模塊放大器可以滿足一般用途和特殊用途需要,,覆蓋各種頻率、帶寬,、增益和輸出功率水平,。

RF放大器的多樣性當(dāng)然不限于本文中討論的那些?;诜糯笃魈匦?,我們還有許多其他類型的RF放大器,其提供不同的性能特征組合,,這里僅舉幾個例子:限幅放大器在寬輸入功率范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的壓縮輸出功率,,低相位噪聲放大器針對高信號完整性應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化,對數(shù)放大器本質(zhì)上就是實現(xiàn)RF檢波功能的RF-DC轉(zhuǎn)換器(參見“RF檢波器”部分),。表1總結(jié)了我們所討論的主要放大器類型,。

表1.RF放大器的一些主要類型總結(jié)

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RF放大器還可以基于其他標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類,例如特性,、工作模式(放大器類別),、裝配或工藝技術(shù),其完整分類超出了本文的范圍,。但是,,本節(jié)從RF信號鏈架構(gòu)定義出發(fā),討論了行業(yè)中采用的一些最常見類型的RF放大器,。

頻率產(chǎn)生IC

頻率產(chǎn)生器件可以服務(wù)于RF信號鏈中的各種不同功能,,包括頻率轉(zhuǎn)換、波形合成,、信號調(diào)制和時鐘信號產(chǎn)生,。根據(jù)IC的目標(biāo)使用場景,有一些性能指標(biāo)決定了其選擇,,包括輸出頻率范圍,、頻譜純度、穩(wěn)定性和調(diào)諧速度,。針對不同使用場景,,有廣泛的頻率產(chǎn)生器件可供選擇,其中包括電壓控制振蕩器(VCO),、鎖相環(huán)(PLL),、集成頻率合成器、轉(zhuǎn)換環(huán)路和直接數(shù)字頻率合成(DDS) IC,。

電壓控制振蕩器(VCO)產(chǎn)生輸出信號,,其頻率由外部輸入電壓控制。VCO的內(nèi)核可以是基于不同類型的諧振器,。使用高質(zhì)量諧振器的單核VCO可在有限頻率范圍內(nèi)提供低相位噪聲性能,,而較低質(zhì)量的振蕩器以寬帶操作為目標(biāo),,噪聲特性很一般。使用多個切換式高質(zhì)量諧振器電路的多頻段VCO是一種替代解決方案,,既支持寬帶操作,,又能提供低相位噪聲性能,但其代價是調(diào)諧速度較慢,,因為切換不同的核需要時間,。VCO通常與鎖相環(huán)配合使用。

鎖相環(huán)(PLL)或PLL頻率合成器可確保許多頻率合成和時鐘恢復(fù)應(yīng)用所需的VCO輸出頻率穩(wěn)定,。如圖2a所示,,PLL包含鑒相器,其將VCO頻率的N分頻與參考頻率進(jìn)行比較,,并使用該差值輸出信號調(diào)節(jié)施加于VCO調(diào)諧線路的DC控制電壓,。這使得任何頻率漂移都能得到即時校正,因而振蕩器能夠保持穩(wěn)定操作,。典型的PLL IC包含誤差檢測器——帶電荷泵的鑒頻鑒相器(PFD)——和反饋分頻器(參見圖2a中的虛線區(qū)域),,另外還需要外部環(huán)路濾波器、參考頻率和VCO以構(gòu)成一個完整的反饋系統(tǒng),,從而產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率。使用集成VCO的頻率合成器IC可以大大簡化該系統(tǒng)的實現(xiàn)1,。

集成VCO的頻率合成器將PLL和VCO組合在單個封裝中,,只需要外部參考和環(huán)路濾波器就能實現(xiàn)所需的功能。集成式PLL頻率合成器是一種多功能解決方案,,具有廣泛的數(shù)字控制設(shè)置,,支持產(chǎn)生精確頻率。它常常包含集成功率分路器,、倍頻器,、分頻器和跟蹤濾波器,頻率覆蓋范圍超越了VCO的基頻范圍,,達(dá)到數(shù)個倍頻程,。所有這些元件的內(nèi)在參數(shù)決定了輸出頻率范圍、相位噪聲,、抖動,、鎖定時間和其他表示頻率合成電路總體性能的特性。

轉(zhuǎn)換環(huán)路是基于PLL概念的另一類頻率合成器,,但采用不同的方法實現(xiàn),。如圖2b所示,其反饋環(huán)路中使用的是集成下變頻混頻級,,而不是N分頻器,,環(huán)路增益設(shè)置為1,,帶內(nèi)相位噪聲極小。轉(zhuǎn)換環(huán)路IC(參見圖2b中的虛線區(qū)域)專為對抖動高度敏感的應(yīng)用而設(shè)計,,并與外部PFD和LO組合使用,,以緊湊的尺寸實現(xiàn)完整的頻率合成解決方案,提供儀表級性能,。

直接數(shù)字頻率合成(DDS) IC是集成PLL頻率合成器的替代方案,,采用不同的原理實現(xiàn)?;綝DS架構(gòu)的原理圖如圖2c所示,。它是一種數(shù)字控制系統(tǒng),包括表示時鐘信號的高精度參考頻率,、創(chuàng)建目標(biāo)波形數(shù)字版本的數(shù)字控制振蕩器(NCO)以及提供最終模擬輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC),。DDS IC提供快速跳頻、精細(xì)的頻率和相位分辨率以及低輸出失真,,因此特別適合于出色噪聲性能和高頻率捷變性至關(guān)重要的應(yīng)用2,。

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圖2.(a) 鎖相環(huán)、(b) 轉(zhuǎn)換環(huán)路,、(c) 直接數(shù)字頻率合成器的簡化框圖

頻率產(chǎn)生器件廣泛用于對性能有不同要求的應(yīng)用,。例如,通信系統(tǒng)需要低帶內(nèi)噪聲以維持低誤差矢量幅度(EVM),,頻譜分析儀依賴于具有快速鎖定時間的本振來實現(xiàn)快速頻率掃描,,高速轉(zhuǎn)換器需要低抖動時鐘以確保高SNR性能。

倍頻器

當(dāng)基頻振蕩器不能覆蓋所需頻率范圍時,,使用倍頻器可以產(chǎn)生更高的頻率,。這些器件利用其元件的非線性特性來產(chǎn)生輸出信號,其頻率是輸入信號的諧波,。根據(jù)目標(biāo)輸出諧波的階數(shù),,我們可以區(qū)分出二倍頻器、三倍頻器和四倍頻器,,以及更高階的倍頻器,。

用于實現(xiàn)頻率倍增的非線性元件有不同類型,因而我們可以區(qū)分出依賴于二極管電路的無源倍頻器和使用晶體管的有源倍頻器,。有源倍頻器需要外部直流偏置,,但相對于無源器件,它有若干明顯優(yōu)勢,,包括轉(zhuǎn)換增益,、較低的輸入驅(qū)動電平和更好的基波與雜散頻率抑制。

倍頻器IC常常與VCO一起廣泛用于PLL頻率合成器設(shè)計中或作為本振信號路徑的一部分,提供簡單且廉價的頻率倍增解決方案,。然而,,所有類型的倍頻器都存在一個相同的缺點:相位噪聲性能會隨著倍頻系數(shù)N而惡化至少20log(N) dB。例如,,二倍頻器會使相位噪聲水平增加至少6 dB,,這在高速轉(zhuǎn)換器時鐘和其他對相位噪聲與抖動敏感的應(yīng)用中可能很嚴(yán)重3。

分頻器和預(yù)分頻器

分頻器將較高輸入頻率變?yōu)檩^低輸出頻率,。如今,,大部分此類器件是使用二進(jìn)制計數(shù)器或移位寄存器實現(xiàn)的數(shù)字電路。它們廣泛包含于時鐘分配電路和PLL頻率合成器設(shè)計中,,應(yīng)用眾多,。分頻器可以有固定的分頻比(這種分頻器也稱為預(yù)分頻器)或可編程的分頻比。將頻率N分頻可以使輸出信號的相位噪聲改善20log(N) dB,。然而,,這種改善受分頻器本身的加性相位噪聲(源于其有源電路且會增加到其輸出端)限制。良好的分頻器具有低加性相位噪聲和低諧波成分,,這些都是其關(guān)鍵特性,。

RF混頻器

基本形式的RF混頻器是一個3端口器件,使用非線性或時變元件產(chǎn)生一個包含兩個輸入信號的

和頻率與差頻率的輸出信號,。RF混頻器可以一般地區(qū)分為無源混頻器和有源混頻器,。無源混頻器使用二極管元件,或?qū)ET晶體管用作開關(guān),,而有源混頻器依賴于晶體管電路來實現(xiàn)變頻,。無源混頻器可以提供寬帶寬和高線性度性能,不需要外部直流偏置,,而且噪聲系數(shù)一般優(yōu)于有源混頻器。但是,,無源混頻器存在轉(zhuǎn)換損耗,,并且需要高LO輸入功率,而有源混頻器能提供增益,,所需的LO驅(qū)動電平要低得多,。實現(xiàn)下變頻器或上變頻器的替代設(shè)計可以將無源混頻器核和有源電路結(jié)合以提供轉(zhuǎn)換增益,而不會損害NF和線性度4,。

混頻器IC有很多不同設(shè)計,,最基本的是單端(或不平衡)?;诙O管的單端混頻器的概念拓?fù)淙鐖D3a所示,。單端混頻器僅使用一個非線性元件來實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換,這種解決方案很簡單,但性能有限,,因為端口和高雜散之間的隔離很差,。平衡式混頻器設(shè)計利用其電路的對稱性來克服上述限制。根據(jù)對稱程度,,平衡式混頻器可以分為單平衡,、雙平衡和三平衡混頻器。單平衡混頻器(參見圖3b)由兩個以90°或180°混合方式結(jié)合的不平衡混頻器組成,。此類混頻器提供高LO-RF隔離,,可抑制RF或LO信號以及輸出端的偶數(shù)次LO諧波。使用各類雙平衡混頻器可以進(jìn)一步改善性能,。圖3c顯示了一個常見例子,,其四環(huán)配置使用了四個肖特基二極管,RF和LO端口均放置有混合元件,。雙平衡混頻器提供高整體性能和良好的端口間隔離,,能夠抑制RF和LO頻率以及所有偶數(shù)次RF和LO諧波,因而是廣泛使用的一類RF混頻器IC5,。三平衡混頻器可以實現(xiàn)更高的隔離度和線性度,。此類混頻器將兩個雙平衡設(shè)計組合起來,形成更高程度的對稱性以優(yōu)化變頻過程,,但代價是電路復(fù)雜度顯著提高,。

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圖3.(a) 單端、(b) 單平衡,、(c) 雙平衡和 (d) 鏡像抑制混頻器的概念拓?fù)?/p>

同相正交(I/Q)混頻器是單獨的一類平衡設(shè)計,。I/Q混頻器利用相位抵消來消除干擾鏡像信號,而無需外部濾波,。普通I/Q混頻器在下變頻模式(參見圖3d)下通??梢杂米麋R像抑制混頻器(IRM),在上變頻模式下可以用作單邊帶(SSB)混頻器,。集成緩沖器和驅(qū)動放大器的I/Q混頻器僅針對兩種工作模式中的一種而設(shè)計,,因而可以將其區(qū)分為I/Q下變頻器和I/Q上變頻器。這些混頻器與另一類頻率轉(zhuǎn)換IC密切相關(guān),,稱為I/Q調(diào)制器和I/Q解調(diào)器,。I/Q調(diào)制器和I/Q解調(diào)器提供一個配合數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器使用的高阻抗差分基帶接口,因而非常適合于直接變頻收發(fā)器應(yīng)用,。具體而言,,它們構(gòu)成了現(xiàn)代高集成度RF收發(fā)器IC的核心6。

我們還要簡要提及的一類常見混頻器是次諧波混頻器,。它采用次諧波泵本振,,為使用較低LO頻率而無外部倍頻器的高頻RF設(shè)計提供一種簡單的解決方案,。

還有許多其他類型的RF混頻器實現(xiàn)依賴于有源和無源技術(shù)。RF混頻器IC可以使用復(fù)雜的架構(gòu),,其在一個封裝中集成各種元件,,包括PLL/VCO、放大器,、倍頻器,、衰減器和檢波器,并提供數(shù)字接口以控制其功能,。

RF濾波器

RF濾波器IC幾乎在每種RF應(yīng)用中都有使用,,它能在頻譜(通常還包括非線性信號鏈內(nèi)產(chǎn)生的干擾雜散成分和源自外部的帶外信號)中選擇所需的頻率。因此,,這種濾波器的關(guān)鍵功能是為目標(biāo)通帶頻率提供最小衰減,,并為阻帶頻率提供最大衰減以抑制不需要的信號。圖4顯示了常見類型的濾波器頻率響應(yīng),,包括低通濾波器(LPF),、高通濾波器(HPF)、帶通濾波器(BPF)和阻帶濾波器(如果阻帶較窄,,也稱為陷波濾波器),。

大多數(shù)RF應(yīng)用需要跨多個頻段濾波,這可以利用開關(guān)式濾波器庫實現(xiàn),。此類解決方案在一個模塊中包含開關(guān)和固定帶寬濾波器,,可以在阻帶抑制、線性動態(tài)范圍和切換速度方面提供出色的性能,。然而,,傳統(tǒng)開關(guān)式濾波器庫的頻段選擇能力有限,而且通常很大且昂貴,。具有連續(xù)模擬或數(shù)字調(diào)諧功能的緊湊型可調(diào)濾波器IC克服了這些限制,,對于許多應(yīng)用中的多頻段操作,它是開關(guān)式固定濾波器庫的有吸引力的替代方案,。模擬可調(diào)濾波器提供電壓控制來調(diào)整中心和/或截止頻率,,而數(shù)字可調(diào)濾波器的期望特性可以通過數(shù)字控制接口來配置??烧{(diào)諧濾波器可以提供優(yōu)異的通帶特性、良好的阻帶抑制,、寬調(diào)諧范圍和快速建立時間,,滿足當(dāng)今廣泛RF應(yīng)用的苛刻要求。

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圖4.濾波器頻率響應(yīng):(a) 低通濾波器,,(b) 高通濾波器,,(c) 帶通濾波器,(d) 帶阻濾波器

RF開關(guān)

RF開關(guān)是用于路由高頻信號通過信號鏈的控制器件。其關(guān)鍵功能可以利用不同類型的開關(guān)元件實現(xiàn),,包括PIN二極管,、FET晶體管或微機(jī)械懸臂梁。根據(jù)開關(guān)元件的布置方式,,開關(guān)設(shè)計可以有不同數(shù)量的“刀”(由開關(guān)控制的單獨電路)和“擲”(開關(guān)可以為每個“刀”使用的單獨輸出路徑),。單刀n擲(SPnT)開關(guān)將信號從一個輸入路由到n個輸出。例如,,單刀單擲(SPST)開關(guān)將一個輸入連接到一個輸出,,提供簡單的開關(guān)功能;單刀雙擲(SPDT)開關(guān)將一個輸入連接到兩個輸出(參見圖5a),;單刀四擲(SP4T)開關(guān)將輸入信號路由到四個輸出路徑(參見圖5b),。RF開關(guān)還可以有多個“刀”,此類開關(guān)稱為轉(zhuǎn)換開關(guān)(參見圖5c),。最常見的例子是雙刀雙擲(DPDT)配置,,其具有兩個單獨的電路,這些電路可以連接到兩個輸出路徑中的一個,。

RF開關(guān)設(shè)計可以有更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),,其將多個較低階的開關(guān)組合在一起。此類IC稱為開關(guān)矩陣或交叉點開關(guān),,可在多個輸入和多個輸出之間提供靈活的RF信號路由,。

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圖5.RF開關(guān)示例:(a) 吸收式SPDT、(b) 反射式SP4T和 (c) 控制轉(zhuǎn)換開關(guān)及真值表示例,。

(注意:RFC = RF公共端口,,CTRL = 控制電壓端口)。

無論開關(guān)配置如何,,我們都可以區(qū)分出反射式開關(guān)和吸收式開關(guān)(也稱為非反射式或端接開關(guān)),。其主要區(qū)別在于,吸收式開關(guān)包含一個匹配負(fù)載,,用于端接關(guān)斷狀態(tài)下的輸出端口,,以使電壓駐波比(VSWR)最小(參見圖5a),。此特性使得吸收式開關(guān)在兩種開關(guān)模式下均能保持良好的回波損耗,,這是反射式開關(guān)所不能提供的。然而,,與反射式開關(guān)相比,,吸收式開關(guān)的這個優(yōu)點的代價是功率處理能力較低且電路復(fù)雜性較高。

RF開關(guān)IC可以采用多種不同技術(shù)實現(xiàn),,包括硅基半導(dǎo)體CMOS和SOI,、化合物半導(dǎo)體GaAs和GaN以及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)7,8,。每種技術(shù)在頻率范圍、功率處理能力,、隔離,、插入損耗、開關(guān)速度,、建立時間等關(guān)鍵性能規(guī)格方面都有自己的優(yōu)缺點,。例如,GaAs的高溫性能更優(yōu)越,,GaN廣泛用于高功率應(yīng)用,,硅基工藝在建立時間、集成能力,、低頻特性和高ESD魯棒性等方面勝出7,。替代性MEMS技術(shù)在很小的芯片級封裝中提供微機(jī)械繼電器,獨特地支持直流精度性能,,具有高線性度和功率,,而開關(guān)速度、有限周期壽命和熱切換限值方面較差,。

RF衰減器

RF衰減器可降低RF信號的強(qiáng)度,,實現(xiàn)與放大器相反的功能。它是用于調(diào)整信號鏈中的增益和平衡信號電平的控制器件,。RF衰減器IC通常是吸收式(傳輸型)器件,。我們可以一般地區(qū)分出固定衰減器(具有不變的衰減水平)和可變衰減器(支持調(diào)整衰減水平)。具有一組離散衰減水平的可變衰減器IC稱為數(shù)字步進(jìn)衰減器(DSA),,其通常用于信號粗略校準(zhǔn),,受預(yù)定衰減步長的限制。電壓可變衰減器(VVAS)用于控制精細(xì)信號,。與DSA相反,,VVA支持連續(xù)調(diào)整衰減水平,可以將其設(shè)置為給定范圍內(nèi)的任何值,。所有類型的RF衰減器在工作頻率范圍內(nèi)都應(yīng)以良好的VSWR提供平坦的衰減性能,,而DSA還必須確保無故障操作以減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間的信號失真7。

RF檢波器

基本形式的集成式RF檢波器是一個2端口器件,,提供與施加于輸入端的RF信號功率成比例的輸出電壓信號,。與基于二極管的分立檢波器實現(xiàn)相反,集成式RF檢波器提供多種開箱即用的優(yōu)勢,,包括寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定輸出電壓,、更容易的器件校準(zhǔn)和用于與ADC直接接口的緩沖輸出9。最常見RF檢波器IC是各類需要測量RF信號功率幅度的應(yīng)用中使用的標(biāo)量檢波器,。標(biāo)量檢波器的主要類型包括RMS功率檢波器,、對數(shù)檢波器和包絡(luò)檢波器。

RMS功率檢波器提供施加于RF輸入的實際信號功率的精確rms表示,。有線性響應(yīng)rms檢波器,,其rms輸出是線性響應(yīng)的直流電壓,還有線性dB響應(yīng)的對數(shù)rms檢波器,,實際RF輸入功率每改變1 dB,,其輸出電壓也改變相同的量。這兩類rms檢波器非常適合不需要快速響應(yīng)時間的應(yīng)用,,測量復(fù)數(shù)調(diào)制信號(其高波峰因數(shù)隨時間而變化)的波形無關(guān)功率,。它們通常用于平均功率監(jiān)測、發(fā)射信號強(qiáng)度指示(TSSI),、接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)和自動增益控制(AGC),。

對數(shù)檢波器(也稱為對數(shù)放大器)將輸入RF信號轉(zhuǎn)換為精確的對數(shù)線性直流輸出電壓。對數(shù)檢波器提供非常高的動態(tài)工作范圍,。這是利用連續(xù)壓縮方法實現(xiàn)的,,依賴于一系列耦合到檢波器的級聯(lián)限幅放大器,其輸出在級聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出級加總,。隨著輸入功率增加,,連續(xù)放大器逐漸進(jìn)入飽和,從而生成對數(shù)函數(shù)近似值,。對數(shù)檢波器非常適合于高動態(tài)范圍應(yīng)用,,包括RSSI和RF輸入保護(hù)。

連續(xù)檢波對數(shù)視頻放大器(SDLVA)是一種特殊類型的對數(shù)檢波器,,提供平坦的頻率響應(yīng)和優(yōu)越的上升/下降與延遲時間,,因而是要求超高速性能的應(yīng)用(包括瞬時頻率測量、方向查找接收器和電子智能應(yīng)用)的首選解決方案,。

包絡(luò)檢波器(也稱為峰值檢波器或AM檢波器)提供與RF輸入信號的瞬時幅度成比例的基帶輸出電壓,。包絡(luò)檢波器IC通常利用快速切換肖特基二極管實現(xiàn),因而是需要非??焖夙憫?yīng)時間的較低動態(tài)范圍應(yīng)用的理想解決方案,。包絡(luò)檢波器的典型應(yīng)用包括PA偏置控制中的效率增強(qiáng)包絡(luò)跟蹤、PA線性化,、快速過大RF功率保護(hù),、高分辨率脈沖檢測和I/Q調(diào)制器的LO泄漏校正。

除了標(biāo)量檢波器外,,還有一種稱為矢量功率測量IC的集成檢波器,。它們提供超出標(biāo)量功率測量功能的擴(kuò)展能力10 。矢量功率測量檢波器可以測量信號的多個參數(shù),,包括幅度,、相位和沿著傳輸路徑的行進(jìn)方向(前向或反向),。 在無線發(fā)射器中的天線調(diào)諧、模塊化系統(tǒng)中的內(nèi)置測試和材料分析等應(yīng)用中,,此類器件是在線測量散射參數(shù)的理想解決方案,。

結(jié)論

在RF信號鏈系列的第二部分中,我們討論了代表典型RF信號鏈的基本構(gòu)建模塊的一些主要RF IC,,并進(jìn)行了分類,。但是,在此概述中,,我們僅觸及了各種類型和形式的RF器件的皮毛,。越來越復(fù)雜的RF系統(tǒng)需要更完整的信號鏈解決方案,這導(dǎo)致了將多個功能模塊整合在同一封裝中或一個芯片上的眾多IC設(shè)計的發(fā)展,。這些器件可以集成混頻器,、PLL、VCO,、放大器,、檢波器和其他器件,以緊湊的外形尺寸提供高度先進(jìn)的功能,,并提供更簡單的設(shè)計,、更低的功耗、更低的成本和更短的開發(fā)周期,。

ADI公司提供業(yè)界最廣泛的RF集成電路產(chǎn)品組合,,涵蓋從DC到超出100 GHz的完整頻譜,適合信號鏈中的幾乎所有功能模塊11 ,。ADI公司廣泛的產(chǎn)品矩陣覆蓋放大器,、混頻器、濾波器和其他標(biāo)準(zhǔn)IC器件,,一直到混合信號模擬前端和系統(tǒng)化封裝(SIP)解決方案——它們是經(jīng)過全面測試和驗證的完整子系統(tǒng),。 ADI產(chǎn)品提供一流的性能,可滿足廣泛RF應(yīng)用——從通信和工業(yè)系統(tǒng)一直到測試測量設(shè)備和航空航天系統(tǒng)——的最苛刻要求,。為了支持RF工程師開發(fā)這些應(yīng)用,,ADI公司不僅提供RF IC,還提供一個完整的生態(tài)系統(tǒng),,包括設(shè)計工具,、快速原型平臺、Circuits from the Lab?參考設(shè)計,、EngineerZone?技術(shù)論壇和一流的技術(shù)支持,。

參考資料

1       Ian Collins和David Mailloux。“頻率合成技術(shù)的變革和發(fā)展:PLL/VCO技術(shù)如何提升性能,、減小尺寸并簡化設(shè)計周期”,。ADI公司,2020年1月,。

2       Jim Surber和Leo McHugh,。“單芯片直接數(shù)字頻率合成與模擬PLL”,。《模擬對話》,,第30卷第3期,,1996年7月。

3       Hittite Microwave Corp. “簡化頻率合成器的有源倍頻器和分頻器”,。Microwave Journal,,2002年11月。

4       Thomas Schiltz,、Bill Beckwith,、Dong Wang和Doug Stuetzle?!霸谙伦冾l器應(yīng)用中無源混頻器相比于有源混頻器可提高增益并降低噪聲”,。ADI公司,2010年10月,。

5      David M. Pozar,。Microwave Engineering(微波工程),第4版,,Wiley,,2011年。

6       Abhishek Kapoor和Assaf Toledano,?!盎祛l器面貌之變遷”。ADI公司,,2016年9月,。

7       Bilge Bayrakci?!安捎霉杓夹g(shù)的射頻和微波控制產(chǎn)品”,。ADI公司,2016年3月,。

8       Eric Carty,、Padraig Fitzgerald和Padraig McDaid?!癆DI公司的革命性MEMS開關(guān)技術(shù)基本原理”,。ADI公司,,2016年11月。

9       Eamon Nash,?!袄斫狻⒉僮骰诙O管的集成式RF檢波器并與之接口”,。ADI公司,,2015年11月。

10       Eamon Nash和Eberhard Brunner,?!皫蓚€RMS檢波器的集成雙向橋,用于測量RF功率和回波損耗”,?!赌M對話》,第52卷第2期,,2018年5月,。

11       “2020年RF、微波和毫米波產(chǎn)品選型指南”,。ADI公司,,2020年8月。

作者簡介

Anton Patyuchenko于2007年獲得慕尼黑技術(shù)大學(xué)微波工程碩士學(xué)位,。畢業(yè)之后,,Anton曾在德國航空航天中心(DLR)擔(dān)任科學(xué)家。他于2015年加入ADI公司擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師,,目前為ADI公司戰(zhàn)略與重點客戶提供現(xiàn)場應(yīng)用支持,,主要負(fù)責(zé)RF應(yīng)用。

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