2.4 GHz WLAN無線功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高速差分放大器讓包含高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)更加靈活。差分運(yùn)放能提供包括增益，阻抗變換和單端到差分轉(zhuǎn)換等的信號(hào)調(diào)理功能。

ADC一般是固定增益的器件，當(dāng)輸入信號(hào)幅值小于滿量程的輸入范圍的時(shí)候性能最好。對(duì)幅值不足一個(gè)最低有效位LSB的信號(hào)進(jìn)行量化時(shí)會(huì)引入失真。同樣對(duì)幅值超過滿量程的信號(hào)也會(huì)引入失真。 很多ADC會(huì)被輕微的過驅(qū)動(dòng)損壞。CLC5526是一個(gè)可變?cè)鲆娴牟罘址糯笃鳎?dāng)驅(qū)動(dòng)高速ADC的時(shí)候能提供給信號(hào)增益或者衰減。 它在微控制器的控制下能額外獲得42dB的動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于要求低失真，固定增益和直流耦合的應(yīng)用，LMH6550是理想的選擇。 類似LMH6550的差分放大器能選擇精確的共模工作點(diǎn)。LMH6550和CLC5526都能提供驅(qū)動(dòng)類似ADC12DL065的CMOS模數(shù)轉(zhuǎn)換器所需要的低阻抗和高度靈活的驅(qū)動(dòng)能力。

當(dāng)選擇驅(qū)動(dòng)ADC的運(yùn)放時(shí)，最重要的是先定義系統(tǒng)需求。關(guān)鍵要考慮的參數(shù)包括帶寬，失真,平衡誤差和建立時(shí)間。對(duì)于寬帶信號(hào)，失真通常是決定因素。另一方面，對(duì)于窄帶信號(hào)，帶寬將會(huì)決定選擇，因?yàn)槭д婵梢酝ㄟ^DSP消除。 窄帶信號(hào)特征是相互調(diào)制與諧波失真落在帶外的信號(hào)，而對(duì)寬帶信號(hào)這些將落在帶內(nèi)。接下來我們將更詳細(xì)討論如何根據(jù)信號(hào)和ADC的特性來選擇器件。

首先我們來回顧一下ADC基礎(chǔ)知識(shí)。作為一個(gè)混合信號(hào)器件，ADC包括模擬和數(shù)字電路。ADC的數(shù)字部分工作在時(shí)鐘采樣頻率下，在一個(gè)特定的應(yīng)用中，該頻率通常是固定的。 該采樣頻率決定了很多關(guān)鍵的參數(shù)，后面會(huì)做詳細(xì)討論。當(dāng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化的時(shí)候，ADC受到Nyquist理論的約束。Nyquist理論表明采樣頻率至少要兩倍于信號(hào)的最高頻率。否則最終會(huì)導(dǎo)致“混疊”信號(hào)的生成。對(duì)ADC來說，混疊信號(hào)表現(xiàn)的并非是它真正的頻率?；殳B信號(hào)可能不是所需要的，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須加以考慮。圖1通過在頻域中的采樣結(jié)果演示了混疊現(xiàn)象。根據(jù)應(yīng)用的不同，混疊信號(hào)頻率可能比需要的信號(hào)高或者低。模擬濾波以及選擇合適的采樣與信號(hào)頻率能消除由于混疊導(dǎo)致的失真。

圖1 Nyquist采樣。顯示出多個(gè)諧波分量落回到Nyquist頻段內(nèi)。LMH6550驅(qū)動(dòng)ADC12L080，采樣頻率=64MHz，信號(hào)頻率=9.8MHz。

Nyquist采樣

經(jīng)典的也可能是大家最熟悉的模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用就是Nyquist應(yīng)用。在這個(gè)例子里，信號(hào)包括從直流到ADC采樣頻率一半的所有頻率成分。Nyquist理論規(guī)定，信號(hào)必須被至少大于信號(hào)最高頻率兩倍的采樣頻率量化(并不適用于調(diào)制信號(hào)的載波，僅僅指信號(hào)中實(shí)際包含信息的部分)，以數(shù)字化電話語音信號(hào)為例，需要的信號(hào)頻率從300Hz 到3kHz，所以ADC的采樣頻率至少要6KHz. 在美國(guó)，電話轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)使用8KHz的采樣率和8比特的分辨率。雖然Nyquist采樣是保證ADC正確操作的最低要求，但是抗混疊濾波器對(duì)于保證系統(tǒng)性能仍然十分重要。

同樣，Nyquist 采樣也給驅(qū)動(dòng)放大器提出了嚴(yán)格的要求。 放大器至少在采樣頻率的1/2處有0.1dB的帶寬。在采樣頻率的1/2處，放大器和ADC必須有相近的失真和噪聲特性。如果放大器用做有源濾波器時(shí)，-3dB帶寬應(yīng)該接近采樣頻率的兩倍。對(duì)于Nyquist采樣 總體上來說，放大器和ADC在采樣頻率的一半及更低的頻率上應(yīng)該都有相近的性能參數(shù)。固定增益的放大器，例如LMH6550對(duì)于直流耦合信號(hào)就是一個(gè)理想選擇。對(duì)于50MHz以下的寬帶信號(hào)，需要提供緩沖，較小的固定增益和高信號(hào)純度時(shí)非常適用。LMH6550同時(shí)也可以代替變壓器完成從單端到差分信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

過采樣

快速發(fā)展的ADC技術(shù)給信號(hào)鏈設(shè)計(jì)者提供了更多的選擇?，F(xiàn)在的ADC能夠以遠(yuǎn)超過信號(hào)帶寬所需要的時(shí)鐘工作。這種方法被稱為過采樣。

過采樣一個(gè)關(guān)鍵的好處是其后的數(shù)字濾波過程。從信號(hào)的上限頻率到二分之一采樣頻率的區(qū)域都能進(jìn)行數(shù)字處理。數(shù)字濾波器具有易調(diào)整，精確度高的特點(diǎn)。并且很容易和其他的數(shù)字處理集成，例如下變頻和解調(diào)。數(shù)字濾波器能夠消除幾乎所有的ADC帶外噪聲。由數(shù)字濾波器提高的信噪比也被稱為處理增益。 處理增益通常使用dB為單位，為濾波后的信噪比和濾波前的信噪比的比值。但是DSP并不能消除信號(hào)帶寬內(nèi)的噪聲。仔細(xì)選擇增益設(shè)置與反饋電阻有助于將放大器引入的噪聲限制到最小的范圍。

欠采樣

欠采樣方式工作的ADC類似于模擬混頻器。非線性混頻是項(xiàng)很早的技術(shù)，在外差與超外差接收器中很流行。

欠采樣通常用在過采樣結(jié)構(gòu)中，此時(shí)信號(hào)帶寬比二分之一的采樣頻率要低很多。 仔細(xì)選擇合適的中頻頻率和采樣頻率能夠讓ADC后的DSP消除大多數(shù)由模擬信號(hào)鏈引入的噪聲以及由ADC產(chǎn)生的失真。這同過采樣中描述的益處相同。這點(diǎn)非常重要，因?yàn)橥诙种徊蓸宇l率和信號(hào)帶寬的濾波器相比，在較高的載波頻率上的抗混疊濾波器需要更高的Q值。如果沒有過采樣，欠采樣也是不切實(shí)際的。

圖2是LMH6550驅(qū)動(dòng)ADC12L080的欠采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果，可在窄寬內(nèi)提高無寄生頻率的動(dòng)態(tài)范圍。演示系統(tǒng)的SFDR僅僅有32dB。然而，從10MHz 到28MHz的帶寬內(nèi)很清楚的發(fā)現(xiàn)SFDR有65dB，如果帶寬更窄的話SFDR能夠提高到80dB以上。在GSM系統(tǒng)中僅僅需要200kHz的帶寬。一個(gè)位于放大器和ADC間的簡(jiǎn)單的兩階LC濾波器就能濾除H2，H3和驅(qū)動(dòng)放大器產(chǎn)生的噪聲。數(shù)字信號(hào)處理能消除大部分失真。運(yùn)放特性和關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

圖2 LMH6550 驅(qū)動(dòng) ADC12L080欠采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果。信號(hào)頻率146MHz。采樣頻率64MHz。Fs/2 * 4=128MHz 146-128=18MHz

輸入匹配

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的負(fù)載總是難以設(shè)計(jì)。 通常情況下都有高輸入阻抗和較大而且可變的容抗。同時(shí)，開關(guān)電容或者采樣保持電路會(huì)產(chǎn)生電流尖峰。這些原因?qū)е翧DC輸入很難匹配，必須使用放大器。差分放大器的輸出級(jí)能消除電流尖峰同時(shí)為精確采樣提供低阻抗源。圖3中是驅(qū)動(dòng)ADC的典型電路。兩個(gè)56 Ω 的電阻用來隔離ADC的容性負(fù)載和放大器來確保穩(wěn)定。同時(shí)，這些電阻也是低通濾波器的一部分，用來提供抗混疊濾波和削弱噪聲的功能。兩個(gè)39pF的電容用來消除由于ADC內(nèi)部開關(guān)電路引起的電流尖峰，同時(shí)也是ADC輸入的低通濾波器的關(guān)鍵部件。在圖3的電路中，濾波器的截止頻率是1/ (2*p*56W *(39 pF + 14pF))=53MHz(比采樣頻率略低)。注意ADC的輸入電容在計(jì)算濾波器頻率響應(yīng)的時(shí)候必須要考慮，如果是差分輸入的話有效輸入電容的值要加倍。同時(shí)，正如在圖3中顯示的，許多ADC的輸入電容是ADC轉(zhuǎn)換過程(采樣保持電路)的一部分。

圖3 驅(qū)動(dòng)ADC。LMH6550驅(qū)動(dòng)ADC12LO66

和所有的高速電路一樣，電路板布局很關(guān)鍵。放大器和ADC應(yīng)該盡可能的靠近。 放大器和ADC都要求濾波器件緊靠放置。放大器要求輸出導(dǎo)線上的寄生負(fù)載盡可能低，ADC對(duì)輸入導(dǎo)線上可能耦合的高頻噪聲也很敏感。另外，ADC的數(shù)字輸出應(yīng)該和ADC以及放大器的輸入做良好的隔離。放大器和ADC的輸入管腳不應(yīng)該放置在電源或者地平面上。 電源旁路電容應(yīng)該滿足低ESR而且放在距相關(guān)管腳2mm范圍內(nèi)。如果有必要，使用多過孔也是不錯(cuò)的主意。

共模反饋

共模反饋電路的主要優(yōu)點(diǎn)就在于差分放大器能夠精確設(shè)置輸出的共模電壓值。對(duì)大多數(shù)ADC來說，必須將共模電壓設(shè)定在一個(gè)特定的值以獲得完整的動(dòng)態(tài)范圍。理論上一個(gè)差分放大器只會(huì)放大差分信號(hào)，輸出的共模部分能夠獨(dú)立設(shè)置，對(duì)增益和差分輸出信號(hào)沒有影響。類似LMH6550的放大器有一個(gè)高阻抗輸入的共模電壓輸出緩沖器。這樣就允許放大器使用大多數(shù)ADC輸出的參考電壓，同時(shí)對(duì)ADC的參考電壓產(chǎn)生電路不會(huì)有太大的負(fù)載效應(yīng)。

另一個(gè)共模反饋電路的優(yōu)點(diǎn)是用放大器從一個(gè)單端的源產(chǎn)生完全差分的信號(hào)。同時(shí)它也平衡了在一個(gè)理想的共模電壓點(diǎn)上兩個(gè)差分的輸出級(jí)。

圖4 單電源供電工作和直流工作點(diǎn)

需要重點(diǎn)注意的是，共模反饋電路看上去類似于一個(gè)單位增益緩沖器，作為輸入腳和輸出共模電壓間的緩沖。等式Vocm = (V+out + V-out)/2 表明了相對(duì)于輸出共模電壓來說，兩個(gè)輸出有相同的幅度和相反的相位。圖4顯示了單電源供電工作典型結(jié)構(gòu)并且給出了計(jì)算共模反饋網(wǎng)絡(luò)效果的公式。在這個(gè)例子中，Vcm是共模反饋緩沖器的輸入。Vocm 是輸出的共模電壓，或者叫共模反饋緩沖器的輸出。當(dāng)使用單端電源供電的差分放大器時(shí)，輸入共模電壓工作點(diǎn)將不再是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要限制因素。單端電源供電將會(huì)限制增益和輸出共模電壓的設(shè)定范圍。

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