摘要：簡單介紹了ADI公司推出的新一代高性能模擬乘法器ADL5391的主要特性和工作原理。給出了基于ADL5391的寬帶乘法器的典型應用電路，并對其進行了測試。最后設(shè)計了基于ADL5391的二倍頻電路，測試結(jié)果表明該二倍頻電路具有性能穩(wěn)定、工作頻帶寬、測量精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：ADL5391；模擬乘法器；寬帶乘法器；二倍頻電路
模擬乘法器是現(xiàn)代信號處理系統(tǒng)的重要組成單元，它廣泛應用于鎖相環(huán)、混頻器、濾波器等信號處理電路中。ADL5391是美國ADI公司推出的寬頻帶、高性能、超對稱的模擬乘法器。它具有2 GHz的可用帶寬，是此前所有模擬乘法器所無法相比的。同時，ADL5391也是目前速度最快的模擬乘法器芯片之一。它將所有電路集成于一塊芯片之中，使得ADL5391具有極高的速度。在文中的應用實例中，設(shè)計了一種基于ADL5 391的二倍頻電路，可對輸入的信號進行準確的二倍頻，電路性能穩(wěn)定，可廣泛應用于混頻、倍頻、脈沖調(diào)制等領(lǐng)域。
1 ADL5391的主要特性
ADL5391凝聚了ADI公司三十年的先進模擬乘法器技術(shù)經(jīng)驗，其主要特性如下：
1)DC至2 GHz對稱乘法器，傳遞函數(shù)為VW=αx(VXxVY)／1 V+Vz；
2)獨特的設(shè)計確保了X、Y的絕對對稱，X、Y的幅度／時間響應相同；
3)可調(diào)、不隨溫度而變化、增益調(diào)整為α；
4)完全差分輸入／輸出或單端操作；
5)低噪聲和高輸出線性度；
6)單電源供電：4．5～5．5 V，130 mA；
7)3x3 mm、16引腳小型LFCSP封裝。
2 ADL5391的工作原理
ADL5391的功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，傳遞函數(shù)由下式給出：
W=aXY／U+Z (1)
其中：X和Y是被乘數(shù)；U是乘法器的比例因子；α是乘法器增益；W是乘法器的輸出；Z是一個求和輸入。所有的變量和比例因子單位都是伏特。
ADL5391最重大的改進就是采用了新型乘法器內(nèi)核架構(gòu)，它與自1970年開始使用的傳統(tǒng)架構(gòu)明顯不同。傳統(tǒng)的模擬乘法器(如AD835)幾乎完全由吉爾伯特單元的拓撲結(jié)構(gòu)或與其相近的電路實現(xiàn)。X和Y不對稱的信號路徑造成了X和Y之間幅度和時延的不平衡，這在高頻時會出現(xiàn)問題。在ADL5391中，新型的乘法器內(nèi)核提供了X和Y之間絕對的對稱，盡量減小吉爾伯特單元中本身的差異。
ADL5391的功能結(jié)構(gòu)框圖展示了主乘法器單元和反饋乘法器單元，其中主乘法器用于接收X和Y輸入信號，反饋乘法器位于反饋路徑上，圍繞在積分緩沖區(qū)附近，它的輸入量是輸出信號與求和輸入信號之差(W-Z)，和內(nèi)部比例參考值。其中，反饋乘法器和主乘法器是相同的，由于該反饋乘法器基本上補償了主乘法器上產(chǎn)生的缺損，因此常見的噪聲、漂移或失真基本上被限制在了一階。
3 ADL5391的應用實例
ADL5391主要運用于高頻信號的運算和處理，如寬帶的乘法和加法，高頻模擬調(diào)制，自適應天線，平方律探測器，倍頻等。以下給出了基于ADL5391的寬帶乘法器電路，并且設(shè)計了基于該模擬乘法器的二倍頻電路，并對其分別進行了性能測試。
3．1 寬帶乘法器
3．1．1 寬帶乘法器電路設(shè)計
對于ADL5391，當輸入X、Y、Z與輸出W為差分驅(qū)動時，其性能最佳。另外，ADL5391也可以進行單端驅(qū)動。單端至差分轉(zhuǎn)換(或者差分至單端轉(zhuǎn)換)可以通過傳輸線變壓器來實現(xiàn)。在沒有交流耦合電容的情況下，如果ADL5391使用單端驅(qū)動，則需要將2．5 V作為參考電壓。高于2．5 V的電壓是正電壓，低于2．5 V的電壓是負電壓。需要注意ADL5391不能負載太重，其最大參考電流是50 mA。
寬帶乘法器電路如圖2所示，為了實現(xiàn)最佳性能，通過傳輸線變壓器以差分形式驅(qū)動輸入端口X、Y、Z和輸出端口W，其中傳輸線變壓器選用的是Mini-Circuits TC1-1-13M，該傳輸線變壓器插入損耗小，工作頻帶寬，最高可工作在3 GHz。電阻R1、R2、R3、R12均為匹配電阻，因為X、Y、Z輸入端的輸入阻抗是相同的，所以為實現(xiàn)阻抗匹配，對于相同的頻率，R1、R2、R3應該是相同的。
ADL5391電源電壓允許范圍為4．5～5．5 V，一般采用5 V，因此，VPOS端接5 V電壓，COMM1和COMM端均為接地端。圖中，J1、J3、J4、J5采用的是單端、高頻操作，XP、YP是乘法射頻輸入端，ZP是加法射頻輸入端，WP是射頻輸出端口，TP4、TP5、TP6、TP7、TP8、TP9為直流輸入端，電壓范圍為0～2．5 V，TP1、TP2為直流輸出端。ENBL為高使能端，接5 V電壓時，ADL5391芯片開始正常工作。GADJ端電壓驅(qū)動范圍是0～2 V，用于調(diào)節(jié)乘法器增益α，GADJ懸空時，α=1或0 dB。若VGADJ=0 V，則增益大約降低4 dB；若VGADJ=2 V，則增益大約提高6dB。VMID端為參考輸出端，當輸出電壓為Vpos／2時，則表明ADL5391芯片正常工作。
3．1．2 寬帶乘法器電路的性能測試
基于以上設(shè)計電路，利用Altium Designer Summer 09進行PCB布局設(shè)計。對于射頻電路PCB設(shè)計而言，元器件的布局不僅直接影響到電路本身的干擾及抗干擾能力，這也關(guān)系到所設(shè)計電路的性能。因此，在進行射頻電路PCB設(shè)計時除了要考慮普通PCB設(shè)計時的布局外，主要還需考慮如何減小射頻電路中各部分之間相互干擾，如何減小電路本身對其它電路的干擾以及電路本身的抗干擾能力。
在布局時，調(diào)整器件盡可能使RF路徑最短，RF路徑上過孔數(shù)量盡可能少，這樣可以減小路徑電感。電感不要并行靠在一起，這將形成空芯變壓器并相互感應產(chǎn)生干擾信號，應將它們垂直排列將互感減到最小。避免長距離走線，盡可能拉開線與線之間的距離。由于該芯片正常使用時，芯片溫度約為60℃，所以在該電路板上使用了大面積接地敷銅，以增強電路的抗干擾性及散熱性。據(jù)此，該寬帶乘法器電路的PCB設(shè)計如圖3所示。
按照如上布局，對制成的電路板進行測試，本實驗使用安捷倫公司的E5071B矢量網(wǎng)絡分析儀來測試。該測試選用的是直流與交流信號相乘，YP_DC端接直流信號，該端口前接一電位器用于調(diào)節(jié)輸入電壓大小。VPOS端接5 V電壓，COMM端接地，ENBL端接5 V電壓，GADJ端懸空(α=1)，Z端也懸空。XP、WP端分別接網(wǎng)絡分析儀的端口1和端口2，當YP_DC輸入為1 V時，乘法器從X輸入端到W輸出端的插損如圖4所示。
從以上測試結(jié)果可以看出，Y端輸入1 V直流電壓時，在整個通帶(30 MHz到600 MHz)內(nèi)，乘法器的輸出端插損在0 dB附近，并且較為平坦，沒有波動，只有稍稍傾斜，最大插損和最小插損之差大約為5 dB。當改變Y端的直流輸入電壓時，S21參數(shù)在整個頻帶范圍內(nèi)仍然顯示的比較平坦，沒有波動。該測試結(jié)果表明，該寬帶乘法器相對于傳統(tǒng)乘法器，在如此寬的頻帶范圍內(nèi)性能更加穩(wěn)定，抗干擾性更強，完全可以應用于射頻電路中。
3．2 基于ADL5391的二倍頻電路
3．2．1 二倍頻電路的設(shè)計
一個輸入信號幅度E的平方可通過并聯(lián)輸入X、Y來產(chǎn)生，該輸入可以是單端的、差分的或者通過傳輸線變壓器。當輸入是正弦波Esin(ωt)，信號的平方就相當于倍頻，因為
理想情況下，當乘法器用于平方和倍頻時，輸出端口沒有原始信號的成分。但是由于存在內(nèi)部偏置，所以事實上并非如此。如果包含這些偏移量重寫等式(2)，輸出將包含直流成分，原始頻率成分和倍頻部分。
一般而言，實現(xiàn)倍頻的原理有以下幾種：1)利用晶體管的等非線性器件產(chǎn)生輸入信號頻率的各次諧波分量；2)將輸入信號同時輸入模擬乘法器的兩個輸入端實現(xiàn)二倍頻；3)利用鎖相倍頻方式進行倍頻。本設(shè)計采用的即為第二種方式。
倍頻電路在通信系統(tǒng)及其他電子系統(tǒng)里均有廣泛的應用。在調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)里使用倍頻電路可以擴展調(diào)頻信號的最大線性頻偏。對振蕩器的輸出進行倍頻，可以得到更高的所需振蕩頻率，降低了主振的振蕩頻率，有利于提高頻率穩(wěn)定度。在頻率合成器里，倍頻電路也是不可缺少的組成部分。
本實驗設(shè)計的二倍頻電路結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。輸入射頻信號后，經(jīng)過功分器輸出兩路同頻率同幅度信號，經(jīng)過乘法器后即可實現(xiàn)二倍頻。但由于乘法器內(nèi)部存在偏置，乘法器輸出端會存在直流成分和基波成分，因此，在乘法器后端接了一個中心頻率為二倍頻率的帶通濾波器，經(jīng)過濾波后即可得到二倍頻成分。
3．2．2 二倍頻電路的性能測試
該設(shè)計中，功分器采用的是同相功率分配器，輸出的兩路信號頻率、相位與輸入信號均相同。寬帶乘法器采用上述基于ADL5391的寬帶乘法器電路。帶通濾波器采用的是并聯(lián)結(jié)構(gòu)的RLC電路，其中心頻率為70 MHz。功分器輸出端X端和Y端分別接寬帶乘法器的XP端和YP端，乘法器的輸出WP端接帶通濾波器的輸入端，帶通濾波器輸出端接50Ω的匹配電阻。測試時，功分器輸入頻率為35MHz的正弦信號，經(jīng)過功分器后，通過示波器顯示X路信號如圖6所示，Y路信號如圖7所示，帶通濾波器輸出的信號如圖8所示。
由以上測試結(jié)果可知，輸入頻率為35 MHz的信號經(jīng)過功分器后輸出兩路信號頻率均約為35 MHz，經(jīng)過寬帶乘法器和帶通濾波器后，輸出頻率約為70 MHz的正弦信號，其頻率恰為輸入信號頻率的兩倍，完全滿足了二倍頻電路的要求。由于電路中存在衰減，所以該系統(tǒng)輸出信號幅度較小。該測試結(jié)果表明，設(shè)計的基于ADL5391的二倍頻電路具有很好的二倍頻效果。
4 結(jié)論
文中設(shè)計的基于ADL5391的二倍頻電路具有輸出波形穩(wěn)定、倍頻精度高、電路簡單、抗干擾能力強等優(yōu)點，完全可以作為倍頻器應用于其他領(lǐng)域。當然，二倍頻電路的測試結(jié)果也表明模擬乘法器ADL5391是一個高性能的信號處理器件，應用于其他高頻信號電路中可大大降低電路的復雜度，提高電路的整體性能，具有很好的應用前景。
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