ADSL低噪聲前置放大接收器的設(shè)計(jì)

  1 引言

　　隨著因特網(wǎng)裂變般的發(fā)展，人們對(duì)信息的需求也從窄帶的電話、傳真、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)向?qū)拵ьI(lǐng)域延伸，電訊網(wǎng)的主干網(wǎng)、長(zhǎng)途交換網(wǎng)和局間中繼網(wǎng)已基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化和寬帶化。但在高速信息網(wǎng)的末端（即用戶接入端）大多還使用窄帶的銅環(huán)電話線路與之相連，這成為制約因特網(wǎng)發(fā)展的最大瓶頸之一。因此，ADSL技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)用戶端高速接入的一種低成本解決方案受到了廣泛的關(guān)注。

　　目前，ADSL的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)正在穩(wěn)步發(fā)展，產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)也進(jìn)入高速發(fā)展期，在這種前提下，越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)者意識(shí)到，ADSLModem模擬前端的高性能將為產(chǎn)品贏得巨大的市場(chǎng)，換句話說(shuō)：模擬前端性能的優(yōu)劣也決定了開(kāi)發(fā)的成敗。

　　2 ADSL的技術(shù)特點(diǎn)

　　ADSL（不對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶線）技術(shù)有三個(gè)基本特性：一是可在一條銅環(huán)電話線路上同時(shí)傳輸高速數(shù)據(jù)和低速話音信號(hào)；二是不對(duì)稱(chēng)特性，上下載速度之比約為1：10，即下載速度大約為6Mbps，而上載大約640kbps；三是有較長(zhǎng)的傳輸距離，其速率與傳輸距離的關(guān)系見(jiàn)表1〔3〕。ADSL的技術(shù)特點(diǎn)很適合Internet用戶端的高速接入。

　　ADSL采用頻分復(fù)用（FDM）技術(shù)，在同一條電話銅環(huán)線路上實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)高速傳輸，將一條銅環(huán)線分成三個(gè)信道：（1）普通電話業(yè)務(wù)（POTS）信道，頻帶為0～4kHz，通過(guò)前端數(shù)據(jù)分離器與數(shù)字信道分開(kāi)；（2）上行數(shù)字信道，約為25kHz～150kHz，用于傳輸應(yīng)答和控制信號(hào)；（3）下行數(shù)字信道，約為150kHz～1．1MHz。ADSL的調(diào)制一般采用DMT（離散多音頻調(diào)制），它將調(diào)制器分成許多（通常256）個(gè)帶寬為4k的小調(diào)制器，DMT使用許多載波建立子信道，每個(gè)子信道攜帶總信息的一個(gè)片段，子信道根據(jù)相應(yīng)的載波中心頻率獨(dú)立調(diào)制、并行處理。子信道采用QAM調(diào)制技術(shù)并可攜帶0～15bits／ symbol／Hz（最大），當(dāng)某個(gè)子信道噪聲過(guò)大時(shí)，就將信息轉(zhuǎn)移到噪聲小的信道，并關(guān)閉該子信道。 　　

　　最大上載帶寬的理論值為：

       25信道×15bit／symbol／Hz／信道×4kHz＝1．5Mbps

       最大下載帶寬的理論值為：

       249信道×15bit／symbol／Hz／信道×4kHz＝14．9Mbps〔3〕

　   子信道的實(shí)際帶寬取決于線路的特性。

　　3 前置放大器設(shè)計(jì)指標(biāo)的確定

　　ADSL采用DMT方案來(lái)處理信號(hào)，該規(guī)范使得ADSL線性接口電路的設(shè)計(jì)相當(dāng)困難，它要求輸　　入編解碼器的信號(hào)具有較低的失真和良好的線性特性。為了彌補(bǔ)信號(hào)的失真，數(shù)字信號(hào)處理器必須不斷地改變其子信道，以尋找噪聲最低的信道，這極大地降低了信號(hào)的傳輸速率。導(dǎo)致失真的噪聲主要來(lái)源于ADSLmodem內(nèi)部和外部，外部噪聲主要有：線路沖擊噪聲、白噪聲、衰減、串?dāng)_噪聲以及互調(diào)失真等；內(nèi)部噪聲主要來(lái)自于器件內(nèi)部，在信號(hào)路徑上的每個(gè)電路對(duì)失真都有影響：線性驅(qū)動(dòng)器、模擬濾波器、ADC、DAC、增益放大器等。因此，仔細(xì)地考慮和分析每個(gè)元件的噪聲和失真對(duì)ADSL的設(shè)計(jì)尤其重要。

　　銅環(huán)雙絞線對(duì)高頻信號(hào)的衰減可達(dá)100dB〔1〕，放大器必須有足夠的靈敏度來(lái)檢測(cè)μV級(jí)的弱信號(hào)。更為重要的是，這樣微弱的信號(hào)必然為放大器外部和內(nèi)部噪聲所淹沒(méi)，而且其頻譜也可能與有用信號(hào)重疊，僅用常規(guī)的濾波手段難以達(dá)到抑制噪聲的目的。設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的高共模抑制比、低噪聲前置放大器，盡量抑制共模和放大器本身噪聲將是重要的解決方案。對(duì)微弱信號(hào)放大器而言，CMRR（共模抑制比）一般至少要求高于120dB，這樣的指標(biāo)一般僅用一個(gè)單運(yùn)放是難以實(shí)現(xiàn)的。ADSL允許線路最大失真（THD）小于－65dB〔6〕、衰減小于35dB〔5〕，因此，放大幅度也將達(dá)35dB，由于后級(jí)編解碼器一般又提供了二級(jí)放大〔9〕，其總增益達(dá)20dB，所以，前置放大器增益可取為Gain≤20dB左右。

　　ADSL標(biāo)準(zhǔn)的ANSIT1．413要求確保噪聲功率譜密度為－140dBm，折合到100Ω線路阻抗的系統(tǒng)中，其等效輸入噪聲En應(yīng)小于 在實(shí)際的系統(tǒng)中，噪聲功率譜密度要求≤－150dBm／Hz，或者輸入等效噪聲電壓En≤10nV [4]／般要求選擇低噪聲和低阻值的電阻?；谏鲜鲇懻?，前置放大器主要技術(shù)指標(biāo)如下：

    噪聲:En≤10nV

    共模抑制比：CMRR≥120dB；

    失真：THD≤－65dB；

    帶寬：Bandwidth≥50MHz；　　增益：Gain≤20dB

　　4 低噪聲前置放大電路的設(shè)計(jì)

　　4．1　THS6062簡(jiǎn)介

　　THS6062是TI公司開(kāi)發(fā)的新一代ADSL差分放大接收器，具有低噪聲、高速度、高共模抑制比等特點(diǎn)，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

    噪聲：電壓 En≤1.6nV   電流In≤1．2pA

    帶寬：100MHz〔－3dB，G＝2（－1）〕

　　擺率：100V／μs；

    驅(qū)動(dòng)能力：90mA（典型值） 　　

　　諧波失真：THD＝－72dBc（f＝1MHz，RL＝150Ω）

　　THD＝－90dBc（f＝1MHz，RL＝1kΩ）

　　電壓供電：5V，±5V，±15V

　　共模抑制比：80～100dB

　　電源抑制比：80～95dB

　　輸入阻抗：2MΩ　　輸出阻抗：13Ω

　　4．2　電路設(shè)計(jì)ADSL前置放大器電路如圖2所示。 　　

　　1）電路元件參數(shù)的選取

        根據(jù)噪聲系數(shù)〔9〕

　　可知：當(dāng)取Rs＝1kΩ時(shí)，NF相對(duì)較小。其余阻值的選取如下：R2＝100Ω，R1＝200Ω　　根據(jù)增益Gain＝Rf／R＝10，可選R＝100Ω，Rf＝1kΩ。

　　2）CMRR的計(jì)算

       對(duì)于三運(yùn)放組裝放大器的共模抑制比〔8〕

　　其中：

　　其中，CMRR1＝CMRR2＝CMRR3＝80dB，分別為運(yùn)放A1、A2、A3的共模抑制比，在一般情況下，同一封裝中A1和A2的配對(duì)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1％。CMRRR為電阻不對(duì)稱(chēng)時(shí)產(chǎn)生的共模抑制比，當(dāng)電阻精度為0．01％時(shí)，CMRRR＝80dB，故：CMRR＝200dB。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文所設(shè)計(jì)的放大器具有電路簡(jiǎn)單、性能指標(biāo)高等特點(diǎn)，經(jīng)測(cè)試表明各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合預(yù)期目標(biāo)，在開(kāi)發(fā)的家居服務(wù)器外網(wǎng)接口模塊中得到了成功的應(yīng)用。