具過載保護功能的USB供電433.92MHz RF低噪聲放大器接收器
國際電信聯(lián)盟(ITU)將433.92 MHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)(ISM)射頻頻段分配給1區(qū)使用,該區(qū)域在地理上由歐洲、非洲、俄羅斯、蒙古和阿拉伯半島組成。盡管最初旨在用于無線電通信之外的應(yīng)用,但多年來無線技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的進步使得ISM頻段在短距離無線通信系統(tǒng)中頗受歡迎。
ITU 1 區(qū)的運營商無需為使用433.92 MHz頻段獲得許可,常見應(yīng)用包括軟件定義無線電、醫(yī)療設(shè)備和重型機械的工業(yè)無線電控制系統(tǒng)。在美國,433.92 MHz頻段屬于70 cm業(yè)余無線電頻段(頻率范圍420 MHz至450 MHz),由獲得許可的業(yè)余無線電臺使用。此頻段也常用于低功耗、短距離應(yīng)用,例如車庫門遙控開關(guān)、耳機、嬰兒監(jiān)視器,以及電源開關(guān)和燈光調(diào)節(jié)器。
圖1所示電路是一個雙級RF低噪聲放大器(LNA),針對433.92 MHz ISM頻段中的接收器信號鏈進行了優(yōu)化。在中心頻率,電路產(chǎn)生大約40.5 dB的增益。RF輸入和輸出端口采用50 Ω阻抗匹配設(shè)計,支持電路與標(biāo)準(zhǔn)50 Ω系統(tǒng)之間的直接連接。其輸入未經(jīng)濾波,保持1.4 dB噪聲系數(shù),但輸出端配有SAW濾波器,會消減帶外干擾。
該電路中包含高速過載檢測器和關(guān)斷開關(guān),用于保護連接至接收器系統(tǒng)的下游敏感設(shè)備。當(dāng)RF功率水平下降到可接受范圍內(nèi)時,接收器系統(tǒng)也會自動恢復(fù)正常運行。RF輸入和輸出是標(biāo)準(zhǔn)的SMA連接器,整個設(shè)計由一個微型USB連接器供電。
圖1.CN0555簡化功能框圖
評估和設(shè)計支持
? 電路評估板
? CN0555電路評估板(EVAL-CN0555-EBZ)
? 設(shè)計和集成文件
? 原理圖、布局文件、物料清單
電路描述
RF放大器級
CN0555在其RF信號路徑中使用兩個ADL5523低噪聲放大器。ADL5523是一款高性能砷化鎵(GaAs)假晶高電子遷移率晶體管(pHEMT) RF低噪聲放大器,提供高增益和低噪聲系數(shù)。圖2顯示該器件的典型S參數(shù)性能,在整個頻率范圍內(nèi),其典型增益為21.5 dB,回波損耗高于10 dB。
ADL5523的典型噪聲系數(shù)為0.8 dB,1 dB壓縮點(P1dB)為21 dBm,三階交調(diào)點(OIP3)為34 dBm。將兩個ADL5523放大器級聯(lián),以實現(xiàn)40 dB整體增益。
圖2.ADL5523典型S-參數(shù)
阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)
ADL5523需要使用一個外部匹配網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)的阻抗針對所需的頻段進行調(diào)諧,以實現(xiàn)優(yōu)化性能。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)包括與RFIN引腳串聯(lián)的電感和一個并聯(lián)電容。在輸出端,匹配網(wǎng)絡(luò)以類似的方式在偏置線路上使用電感和電容。圖3展示完整的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò),以及將兩個ADL5523放大器級聯(lián)的實現(xiàn)方案。
圖3.用于級聯(lián)ADL5523放大器的基本連接
這些元件的正確布局對于輸入/輸出阻抗匹配也很重要;因此,CN0555遵循ADL5523數(shù)據(jù)手冊中針對500 MHz調(diào)諧頻帶的推薦布局和組件大小。
SAW濾波器
CN0555的LNA輸出通過表面聲波(SAW)濾波器進行濾波,有助于消除不必要的帶外放大。選擇濾波器時,必須在頻帶平坦度和帶外抑制之間取得平衡。SAW濾波器也是一個插入損耗源,它會降低信號鏈的整體增益,選擇時需要仔細(xì)考慮。CN0555使用的SAW濾波器具有2 dB典型插入損耗和50 Ω端接阻抗。
RF定向耦合器
CN0555包含一個纖薄、超小型的高性能3 dB 90°混合耦合器。該器件的工作頻率為400 MHz至900 MHz,輸入和輸出阻抗為50 Ω,433.92 MHz時的典型插入損耗為0.3 dB。
RF開關(guān)
ADG901是采用CMOS工藝制成的寬帶RF開關(guān),可以提供高隔離和低插入損耗。它是一種吸收式開關(guān),具有50 Ω端接輸入和輸出。該開關(guān)允許用戶傳遞高達0.5 V的DC信號,無需使用隔直電容。
ADG901的工作頻率為DC至4.5 GHz,在4.5 GHz時的插入損耗為3 dB。在433.92 MHz中心頻率時,此器件在“導(dǎo)通狀態(tài)”下的典型插入損耗為0.4 dB,如圖4所示;在“關(guān)斷狀態(tài)”下的典型插入損耗約為70 dB,如圖5所示。
圖4.ADG901在導(dǎo)通狀態(tài)下的插入損耗性能
圖5.ADG901在關(guān)斷狀態(tài)下的隔離損耗性能
組合來自濾波器、耦合器和RF開關(guān)的插入損耗,在正常工作條件下,RF開關(guān)的輸出端產(chǎn)生的總插入損耗約為2.7 dB。
RF性能
CN0555中得到的S參數(shù)、相位噪聲測量結(jié)果、無雜散動態(tài)范圍(SFDR)、噪聲系數(shù)和穩(wěn)定性測量值如下圖所示。
在433.92 MHz中心頻率下,CN0555實現(xiàn)了40.5 dB的增益,輸入和輸出回波損耗大于10 dB。圖6顯示在其工作范圍內(nèi)的S參數(shù)值。
圖6.EVAL-CN0555-EBZ S參數(shù)與頻率的關(guān)系
圖7顯示在433.92 MHz時的單邊帶相位噪聲,在10 Hz、1 MHz和10 MHz偏置時分別約為-98 dBc/Hz、-131 dBc/Hz和-149 dBc/Hz。
圖7.433 MHz時的單邊帶相位噪聲
圖8顯示窄帶單音RF輸出,SFDR為58.38 dBFS。
圖8.窄帶單音RF輸出
圖9顯示頻率范圍內(nèi)相應(yīng)的噪聲系數(shù),在433.92 MHz中心頻率下約為0.8 dB。
圖9.噪聲系數(shù)與頻率的關(guān)系
系統(tǒng)在整個433.92 MHz ISM頻率帶寬保持穩(wěn)定,Rollet穩(wěn)定性因子(k)高于1,輔助穩(wěn)定性指標(biāo)(B1)高于0,如圖10所示。這使得CN0555在任何源阻抗和負(fù)載阻抗組合下,都能絕對保持穩(wěn)定。
圖10.穩(wěn)定性因子和測量值與頻率的關(guān)系
過載保護
CN0555中集成了過載管理功能,當(dāng)輸出功率達到預(yù)先設(shè)置的閾值時,該電路板的RF路徑會自動隔離。此功能使用ADL5904 RF功率檢波器來實現(xiàn)。
ADL5904提供電阻可編程檢測閾值,將內(nèi)部包絡(luò)檢波器電壓與用戶定義的輸入電壓進行比較。當(dāng)包絡(luò)檢波器電壓超過用戶定義的VIN?引腳的閾值電壓時,內(nèi)部比較器捕獲事件并將其鎖定在設(shè)置/復(fù)位(SR)觸發(fā)器中。圖11顯示了CN0555的過載保護電路。
圖11.CN0555過載保護電路
如圖11所示,使用3 dB、90°混合耦合器對放大的RF輸入進行采樣。此功率傳輸至ADL5904的RFIN引腳,然后由內(nèi)部包絡(luò)檢波器進行采樣。ADL5904 VIN-引腳上的閾值電壓電平由電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置,該值可以使用公式1計算得出。
其中:
VIN-是ADL5904的VIN-引腳的電壓電平。
R10是用戶定義的電阻值。
R11是用戶定義的電阻值。
IOS為輸入偏置電流。
CN0555的輸入閾值功率設(shè)置為0 dBm,以保護連接至接收器系統(tǒng)的下游敏感設(shè)備。如表1所示,當(dāng)工作頻率為900 MHz時,0 dBm閾值功率對應(yīng)VIN-的241 mV電壓電平。
VIN?的閾值電平由電阻分壓器設(shè)置。選擇R10和R11的絕對值,盡可能減少3.3 V電源軌上的負(fù)載,同時提供不受泄漏電流和偏置電流影響的輸出阻抗。將R10設(shè)置為13.7 kΩ,使R11的值為1.02 kΩ,這會產(chǎn)生可忽略不計的224 μA分壓器電流和991 Ω輸出阻抗。
VIN- = 241 mV
IBIAS = 20 μA
R10 = 13.7 kΩ
R11 = 991 Ω或1.02 kΩ(使用標(biāo)準(zhǔn)電阻值)
使用最接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻值求解公式1,將VIN-電壓電平設(shè)置為241.9 mV。當(dāng)功率超過閾值時,發(fā)生過載事件,將隔離RF路徑。
ADL5904在其RF閾值功率上引入高達+2.5 dBm的誤差電平,該值因器件而異。如果需要準(zhǔn)確的閾值功率,必須執(zhí)行簡單的校準(zhǔn)程序,以補償器件與器件之間的差異。有關(guān)校準(zhǔn)程序的更多信息,參見ADL5904數(shù)據(jù)手冊。
自動復(fù)位功能
CN0555還包含自動復(fù)位電路,當(dāng)功率電平返回到可接受范圍內(nèi)時激活。此功能由LTC6991可編程低頻率定時器執(zhí)行。
如圖12所示,ADL5904的輸出使LTC6991在正常工作期間保持在復(fù)位模式。發(fā)生過載事件時,LTC6991啟用,并且開始4 ms延遲。ADL5904在4 ms后復(fù)位,對功率電平重新采樣。如果過載狀態(tài)持續(xù),ADL5904再次斷路,RF開關(guān)的控制信號進入低電平狀態(tài)。這種信號轉(zhuǎn)變會隔離ADG901開關(guān)的RF輸入和輸出。過載事件過去后,ADL5904開始重新采樣功率電平,然后返回正常工作狀態(tài)。
圖12.CN0555自動復(fù)位電路
過載保護測試
圖13顯示了用于測試CN0555的過載保護功能的設(shè)置。在該測試中,RF信號發(fā)生器設(shè)置采用433.92 MHz中心頻率,輸入功率從-50 dBm爬升至-40 dBm。CN0555輸出功率由高速示波器進行監(jiān)控,該器件顯示從發(fā)生過載事件到輸出功率被衰減的響應(yīng)時間。
圖13.RF過載響應(yīng)測試設(shè)置
圖14顯示過載保護響應(yīng)時間。根據(jù)該圖,從正常工作到RF輸出功率被衰減,CN0555擁有約9 ns的響應(yīng)時間。圖15顯示從過載狀態(tài)結(jié)束到功率電平返回可接受范圍的恢復(fù)時間。該數(shù)據(jù)顯示,從衰減RF輸出到正常工作,期間存在7 ns延遲。
圖14.典型的過載保護響應(yīng)時間
圖15.發(fā)生過載事件后的典型恢復(fù)時間
USB電源管理
CN0555通過微型USB適配器獲取電源,該適配器一般通過微型USB端口提供5 V、1 A電源。此電路要求在正常工作期間獲取約113.61 mA電流。要滿足這項電源要求,需要使用兩個電源電壓。第一個電源為ADL5523低噪聲放大器、ADL5904 RF檢波器和LTC6991低頻率定時器提供3.3 V電源。第二個電源為ADG901 RF開關(guān)提供2.5 V電源。圖16顯示CN0555的整個電源結(jié)構(gòu)。
圖16.CN0555電源架構(gòu)
LT3042是一款高性能低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器,采用超低噪聲和超高電源抑制比(PSRR)架構(gòu),以便為噪聲敏感型射頻應(yīng)用供電。LT3042設(shè)計用作后接高性能電壓緩沖器的精密電流基準(zhǔn),可輕松并聯(lián)以便進一步降低噪聲,增加輸出電流并在印刷電路板上散熱。要配置LT3042提供3.3 V輸出,所需的基本配置如圖17所示。
圖17.LT3042提供3.3 V輸出所需的配置
LT3042在SET引腳上集成一個精密100 μA電流源,該引腳還連接到放大器的反相輸入。圖17顯示將電阻從SET引腳連接至GND會生成一個基準(zhǔn)電壓。該基準(zhǔn)電壓是SET引腳電流100 μA和SET引腳電阻的乘積,如公式2所示。
ADM7170-2.5 LDO穩(wěn)壓器用于生成ADG901 RF開關(guān)所需的電源電壓。該器件具有2.3 V至6.5 V的輸入電壓范圍和2.5 V固定輸出電壓。ADM7170-2.5只需要輸入電容和輸出電容即可正常工作。特別是,ADM7170-2.5可在其輸入和輸出引腳上使用4.7 μF小型解耦電容。
常見變化
ADL5521可以用作替代型低噪聲放大器,適用于使用433.92 MHz ISM頻帶的應(yīng)用。該器件提供略低的增益、更高的噪聲系數(shù)、OIP3和OP1dB。ADL5521采用與ADL5523相同的功率電平。兩個器件的尺寸非常類似。
ADG902也可用作RF開關(guān);此器件引腳兼容,并具有與ADG901相同的規(guī)格,但它是一種反射開關(guān),提供更低的隔離損耗。
ADI公司還提供類似的用于在5.8 GHz ISM頻段下工作的接收器放大器的參考設(shè)計。欲了解更多信息,請參閱CN0534電路筆記。
電路評估與測試
本節(jié)介紹評估CN0555的評估設(shè)置和步驟。有關(guān)電路評估設(shè)置的完整信息,請參閱EVAL-CN0555-EBZ用戶指南。
設(shè)備要求
? EVAL-CN0555-EBZ電路評估板
? Rohde & Schwarz® SMA100B信號發(fā)生器
? Keysight® E5052B信號分析儀
? Keysight N5242A PNA-X矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀
? 5 V micro USB電源適配器或micro USB轉(zhuǎn)USB電纜
? 一根SMA至SMA電纜
設(shè)置和測試
圖18顯示了EVAL-CN0555-EBZ與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的正確端口連接。
圖18.S參數(shù)和噪聲系數(shù)測試設(shè)置
測量S參數(shù)和噪聲系數(shù)的步驟如下:
1. 將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置為所需的測量條件,步驟如下:
a. 將頻率掃描范圍設(shè)置為400 MHz至500 Mhz。
b. 將頻率步長設(shè)置為10 kHz。
c. 功率電平必須小于或等于-45 dBm。
2. 使用校準(zhǔn)套件對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀執(zhí)行完整的2端口校準(zhǔn)。請注意,EVAL-CN0555-EBZ的RF輸入可以直接連到測試端口,因此測試設(shè)置僅需要一根測量電纜。
3. 使用校準(zhǔn)的測試設(shè)置將EVAL-CN0555-EBZ連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試端口上。
4. 使用5 V電源適配器為EVAL-CN0555-EBZ供電。
5. 設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,以顯示各個S參數(shù)和噪聲系數(shù)的跡線。
6. 將測量值與期望值進行比較。在433.92 MHz中心頻率下,輸入和輸出回波損耗值分別約為16 dB和20.4 dB。對于增益和噪聲系數(shù),數(shù)值分別應(yīng)為約40 dB和1.2 dB。
圖19顯示了執(zhí)行相位噪聲和SFDR測試時EVAL-CN0555-EBZ與信號分析儀和信號發(fā)生器的正確連接。
圖19.相位噪聲和SFDR測試設(shè)置
要執(zhí)行相同的測試,請遵循以下步驟:
1. 按如下步驟設(shè)置信號分析儀所需的測量配置:
a. 為了執(zhí)行SFDR測量,設(shè)置中心頻率 = 433.92 MHz,頻率范圍 = 400 MHz至500 MHz,RF幅值 = 10 dBm。
b. 為了執(zhí)行相位噪聲測量,設(shè)置中心頻率 = 433.92 MHz,偏移頻率范圍 = 10 Hz至30 MHz。
2. 將信號發(fā)生器的功率電平設(shè)置在-50 dBm至-40 dBm之間,中心頻率設(shè)置為433.92 MHz。
3. 將信號發(fā)生器輸出連接到EVAL-CN0555-EBZ的RF輸入。
4. 將EVAL-CN0555-EBZ的RF輸出連接到信號分析儀。
5. 使用5 V電源適配器為EVAL-CN0555-EBZ供電,該適配器的額定功率高于500 mW。
6. 在信號分析儀上執(zhí)行測量運行。
7. 使用信號分析儀獲取相位噪聲值,并驗證在10 kHz頻偏下其值是否約為-125 dBc/Hz。
8. 運行SFDR測試并比較讀數(shù);期望值約為60 dBc。
更多資料
CN0555設(shè)計和集成文件
ADIsimRF? RF信號鏈計算工具
LTspice® SPICE仿真軟件
LTpowerCAD®設(shè)計工具
MT-031指南,“實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團”。ADI公司,
MT-073指南,“高速可變增益放大器(VGA)?!盇DI公司,
指南MT-101?!叭ヱ罴夹g(shù)”。ADI公司,
Whitlow,Dana?!艾F(xiàn)代通信系統(tǒng)中接收機用自動增益控制環(huán)路的設(shè)計與操作?!盋hapter 8.ADI公司無線研討會。2006.
數(shù)據(jù)手冊和評估板
CN0555評估板(EVAL-CN0555-EBZ)、ADL5523數(shù)據(jù)手冊、ADL5523評估板、ADG901數(shù)據(jù)手冊、ADG901評估板、ADL5904數(shù)據(jù)手冊、ADL5904評估板、LT3042數(shù)據(jù)手冊、LT3042評估板、ADM7170數(shù)據(jù)手冊、ADM7170評估板、LTC6991數(shù)據(jù)手冊、LTC6991評估板
ESD警告
ESD(靜電放電)敏感器件。帶電器件和電路板可能會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電路,但在遇到高能量ESD時,器件可能會損壞。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。
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