對于通信應(yīng)用差分電路設(shè)計(jì)技術(shù)

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對于通信應(yīng)用差分電路設(shè)計(jì)技術(shù)

其中一個(gè)在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)是提供足夠的信號保真度成功攻克。嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕涌谕負(fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇。用于蜂窩電話的通信標(biāo)準(zhǔn)，諸如碼分多址(CDMA)和寬帶CDMA的部署，需要高動(dòng)態(tài)范圍，高輸入線性和低噪聲，以避免阻滯劑，信號失真，和靈敏度退化的影響。在過去，完全差分信​​號鏈的性能優(yōu)勢通過由于實(shí)際應(yīng)用問題的單端選擇很壓倒。然而，在集成的RF電路技術(shù)的最新進(jìn)展和可用高性能差分RF積木擴(kuò)展允許差動(dòng)結(jié)構(gòu)被應(yīng)用到高性能接收機(jī)設(shè)計(jì)。

圖1：單端信號的例子。單端信號是不平衡的定義，是由感興趣的信號和恒定參考點(diǎn)，通常地，作為對信號返回路徑之間的差值測量。的問題可以，如果錯(cuò)誤源被引入到單端信號會(huì)遇到。由于接地參考將不受注入的錯(cuò)誤，錯(cuò)誤結(jié)轉(zhuǎn)通過信號。在單端配置中，引入到所期望的信號的任何變化將是有問題的，而不涉及過于復(fù)雜抵消技術(shù)除去。出于這個(gè)原因，單端信號或不平衡信號更容易產(chǎn)生的噪聲和干擾，如電磁耦合干擾。此外，如稍后將示出的，不平衡的配置具有比均衡電路失真更高。

圖2：差分信號的例子。差分信號是由對平衡信號走動(dòng)以相等但相反的振幅的參考點(diǎn)的。該復(fù)合差分信號對應(yīng)于正和負(fù)平衡信號之間的差。例如，從兩個(gè)1 VP-P的信號，其結(jié)果是2 VP-P的復(fù)合信號。在這種情況下，如果錯(cuò)誤源被引入到差分信號路徑中，它可能會(huì)被添加到每兩個(gè)平衡信號相等的。因?yàn)榉祷芈窂绞遣缓愣ǖ膮⒖键c(diǎn)，差動(dòng)信號將不受影響一旦兩個(gè)平衡信號分量的差異抵消了誤差，這通常是相等的振幅在每個(gè)信號的過渡。由于這個(gè)原因，平衡信號是不易發(fā)生的噪聲和干擾比不平衡信號會(huì)。而且，如將討論的，均衡的信號具有失真比單端電路更低。

圖3：傳統(tǒng)接收器架構(gòu)。這里展示的是一個(gè)傳統(tǒng)的超外差接收機(jī)的方框圖。不管拓?fù)?，單端或差分，該系統(tǒng)的目標(biāo)是成功提供一個(gè)希望的信號到模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于數(shù)字化。信號路徑包括幾個(gè)射頻塊：天線，濾波器，低噪聲放大器(LNA)，混頻器，ADC驅(qū)動(dòng)放大器，和ADC。天線之后的第一個(gè)塊是任務(wù)是放大高于熱噪聲的信號在LNA。擴(kuò)增在此階段是關(guān)鍵的，因?yàn)檫@將決定該系統(tǒng)的靈敏度和將確保后續(xù)混頻器和放大器的LNA后不顯著本底噪聲添加。沿途有帶通濾波器來抑制帶外的任何內(nèi)容，并減少失真或噪聲，接收器級可沿信號路徑添加。下一個(gè)塊，混頻器，它遵循在LNA，頻率轉(zhuǎn)換感興趣的信號，下轉(zhuǎn)換高頻RF信號到一個(gè)較低的，更容易管理的中頻(IF)。 ADC驅(qū)動(dòng)器放大器和抗混疊濾波器(AAF)準(zhǔn)備信號以由ADC進(jìn)行數(shù)字化。駕駛員提供增益和AAF抑制第一奈奎斯特區(qū)的ADC，包括將被遞送到ADC輸入噪聲之外的任何內(nèi)容，和具有不同波段的寄生分量仍然存在于信號路徑中。最后，在模擬信號路徑的末端時(shí)，ADC進(jìn)行數(shù)字化的基帶信息的功能。

圖4：通信系統(tǒng)的考慮。為了對比單端至差分，也有必須遵守設(shè)計(jì)好整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)級性能指標(biāo)。一些是流行在通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵考慮因素已經(jīng)被提到，但有一個(gè)完整的視圖是很重要的。是什么讓一個(gè)良好的射頻設(shè)計(jì)?根據(jù)不同的應(yīng)用程序和體系結(jié)構(gòu)，性能規(guī)格會(huì)有所不同。然而，通常有一些中普遍存在的通信系統(tǒng)中很常見的考慮，如失真，噪聲基底，和動(dòng)態(tài)范圍。此外，良好的靈敏度要求低本底噪聲和低時(shí)鐘相位噪聲。高投入，三階截取(IP3)和高1 dB壓縮點(diǎn)(P1dB的)是輸入信號電平處理能力是至關(guān)重要的。有很多的傳輸共享的風(fēng)口浪尖。的魯棒系統(tǒng)，需要用于處理期望信號，這是一般的小和中的其它干擾信號的存在，這可能是大的。因此，高靈敏度，輸入線性，選擇性好，和高抗干擾到附近的大信號都需要一個(gè)強(qiáng)大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其他考慮因素包括低成本，低功耗(尤其是用于便攜式設(shè)備)，和緊湊的尺寸。

圖5：差分優(yōu)點(diǎn)。有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)使用差分相對于單端信號鏈;這里審查是最常見的。差分信號鏈具有的優(yōu)點(diǎn)相比單端鏈具有關(guān)于輸出過渡。每個(gè)輸出的較低的信號電壓意味著更高的總體信號電壓就可以實(shí)現(xiàn)。因此，相同的總的信號擺幅可以實(shí)現(xiàn)，相比于單端信號，以更低的功耗。由于可用的更大輸出擺幅的結(jié)果：更高的總體信號擺幅可以達(dá)到;可以實(shí)現(xiàn)相同的總信號擺幅但略低于電源;和功耗可以被降低。也有以系統(tǒng)的線性度的好處。在非常低的失真的應(yīng)用，相對于單端信號的電源的凈空可提高兩個(gè)因素。有差系統(tǒng)中偶次諧波的固有的取消，意味著該第二，第四，第六，等等諧波會(huì)相較于奇次諧波相當(dāng)?shù)?。要注意的是一個(gè)完全消除無法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)很重要，但有明顯的優(yōu)勢。差分架構(gòu)還允許一些預(yù)失真技術(shù)，以幫助減少奇次諧波。此外，還有典型地是大約6 dB的改進(jìn)在輸出1 dB壓縮點(diǎn)(P1dB的)和OIP3對于相同的電源軌。最后，由于信號的返回路徑不再通過地面，該信號將是地面的噪聲和干擾，從而轉(zhuǎn)化為具有改進(jìn)的電源抑制比(PSRR)更好的共模抑制比(CMRR)較不敏感。此外，差分方法提供了改進(jìn)的抗耦合的電磁干擾(EMI)。

圖6：不平衡與平衡信號。這里展示的是兩個(gè)框圖對比單端和差分方法。第一個(gè)圖表表示具有體積小，片面的輸入信號的單端框圖。藍(lán)色信號示出任何類型的進(jìn)入系統(tǒng)的共模干擾。請注意，此藍(lán)色干擾信號也被放大在輸出 - 被放大一樣多的需要的信號。是困難的所需信號從干擾信號中分離出來。差動(dòng)方框圖顯示由極性相反的兩個(gè)信號所需要的信號，一種是積極的，另一種是消極的。在輸入端引入的任何干擾將是對兩個(gè)參考電平相同的極性，如圖藍(lán)色。雖然干擾信號在每個(gè)輸出進(jìn)行放大，當(dāng)看該復(fù)合信號，所述兩個(gè)差分信號之間的差，所希望的信號被加倍，并且干擾已被移除。而單端的方法是容易受到共模噪聲，電源噪聲，或電磁干擾，差分塊具有由憑借取消的免疫力的那些干擾。

圖7：偶數(shù)訂單取消。除了共模干擾免疫，差分方法也有偶次諧波的固有的取消。這里展示的是單端的方式進(jìn)行審查。甲非線性器件，在這種情況下，一個(gè)單端放大器，是由一個(gè)冪級數(shù)展開傳遞函數(shù)描述并在其輸入端提供的正弦曲線。冪級數(shù)(方程式在底部)的膨脹表明，一個(gè)恒定綁定到每個(gè)頻率倍數(shù)，偶數(shù)和奇數(shù)。

圖8：輸出光譜圖。示這個(gè)等式可以更容易地可視化及其各種部件。表示基本信號的方程的部分以灰色突出顯示。表示第二和第三諧波部分被在紅色和綠色，高亮分別。冪級數(shù)的膨脹表明非零常數(shù)是綁每個(gè)頻率倍數(shù)，偶數(shù)和奇數(shù)。很顯然，單端，非線性裝置已在整個(gè)光譜創(chuàng)建諧波，正如所預(yù)期的。

圖9：差分塊的取消效應(yīng)。采取同樣的數(shù)學(xué)方法來看待差分方法可看到的固有消除偶次諧波，類似于先前討論的共模干擾免疫是有利的。再次，一個(gè)非線性器件，在這種情況下，差分放大器塊，是由冪級數(shù)展開傳遞函數(shù)描述，并有一對相反極性的正弦曲線的供給 - 這些表示在該裝置的輸入端的差分信號。通過膨脹，示出了差動(dòng)塊的消除效果。

圖10：非線性元件的輸出光譜。再次，示出了該方程可以更容易地可視化及其各種部件。冪級數(shù)的擴(kuò)大表明，該系列的所有偶次諧波是由他們的同行相對幅度的取消。只用基本信號，以灰色突出顯示，并且第三次諧波，以綠色突出，具有一個(gè)非零貢獻(xiàn)。在現(xiàn)實(shí)生活中，非理想的設(shè)備將不會(huì)達(dá)到完美的注銷，但他們從較低的偶次諧波中受益。

圖11：驅(qū)動(dòng)ADC的挑戰(zhàn)。一種在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)是成功的驅(qū)動(dòng)所需要的信號到模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器。此處示出的例子有助于說明差動(dòng)信號鏈與單端信號鏈的好處。這里所示的三個(gè)主要塊是驅(qū)動(dòng)放大器，該抗混疊濾波器，以及模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器。充足的保真度信號檢測需要適當(dāng)?shù)脑x擇和接口的實(shí)現(xiàn)。這里(圖11)的評價(jià)是兩個(gè)例子，一個(gè)單端和一個(gè)差分。的目標(biāo)是獲取在信號傳輸?shù)乃{(lán)色部分上的左側(cè)。它是在其他較大，干擾信號的存在的小信號。捕捉到它，有必要考慮噪聲，動(dòng)態(tài)范圍，以及其他因素的具體到ADC要求。這是所有必要的提取只有感興趣的信號，并將其交付給ADC。這個(gè)接收器信號顯示在右側(cè);它已被放大，并且阻斷劑已被除去，留下的信號的唯一的期望部分，以藍(lán)色顯示。

圖12：通信系統(tǒng)的單端和差分信號鏈的性能比較。圖12比較，在接收機(jī)的通信系統(tǒng)端的真實(shí)世界的例子中，單端和差分信號鏈的性能。第一個(gè)例子是，開始于單端方法的單端IF驅(qū)動(dòng)放大器，隨后是單端的抗混疊濾波器，然后被轉(zhuǎn)換成差分信號由變壓器在輸入到ADC。注意，在許多情況下，單端方法被認(rèn)為是被動(dòng)的方法，因?yàn)樵撟儔浩饔糜谵D(zhuǎn)換的信號給差分ADC。差動(dòng)例開始時(shí)的差分信號在一個(gè)變壓器的輸出，差動(dòng)ADC驅(qū)動(dòng)放大器，后接一個(gè)差分抗混疊濾波器，以及輸入到ADC。差分方式稱為有源因?yàn)橐粋€(gè)放大器可被用于進(jìn)行轉(zhuǎn)換。每個(gè)組件的性能度量被列出，但是下圖使用與這些相同的度量的信號鏈性能表以幫助分析級聯(lián)系統(tǒng)性能，并比較所述單端和差分的方法。[!--empirenews.page--]

圖13：信號鏈性能表。對于單端拓?fù)洌褂梅匠碳壜?lián)噪聲系數(shù)和IIP3，也能夠計(jì)算輸入稱為RF性能。對于本例的輸入?yún)⒖糏IP3為18.8 dBm的和噪聲系數(shù)(NF)是11.4分貝。這導(dǎo)致在76分貝的SFDR(無雜散動(dòng)態(tài)范圍)，用于5MHz的帶寬分析。級聯(lián)功率增益為14.7分貝的輸入?yún)⒖嫉?10.7 dBm的滿量程。使用相同的公式計(jì)算的差分方法的結(jié)果在以下的輸入?yún)⒖糝F性能：輸入?yún)⒖糏IP3為21.5 dBm的13.7 dB的噪聲系數(shù)。這導(dǎo)致76.5 dB的無雜散動(dòng)態(tài)范圍為5 MHz分析帶寬，級聯(lián)的功率增益14分貝，以及輸入?yún)⒖紳M刻度為-10 dBm的。對于這兩種方法中的數(shù)字是非常相似的。然而，主動(dòng)，差分方法具有較高的失真性能，具有噪聲系數(shù)稍高。此外，無雜散動(dòng)態(tài)范圍與積極配置高。請記住，輸入?yún)⒖紳M量程為單端方式將只有6 dBm的不IF放大器。還應(yīng)當(dāng)指出的是，差的抗混疊濾波器將需要兩倍的系列元件作為單端的方法。盡管如此，被動(dòng)接口往往需要更多的阻性填充和從上游驅(qū)動(dòng)器，這通常意味著更高的電源電流需要更高的輸出功率。同時(shí)認(rèn)為，單端驅(qū)動(dòng)放大器往往有更壞的偶次諧波失真和CMRR和PSRR。因此，通過消除ADC驅(qū)動(dòng)器，放大的需求正在移動(dòng)的上游。鑒別的方法是基于對整體性能的合理選擇。

圖14：ADL5562主要規(guī)格和功能。所述ADL5562是一個(gè)裝置，它采用了偶次消除差分的方法的優(yōu)勢，以減少失真的一個(gè)例子。它是用于RF和IF應(yīng)用優(yōu)化的高性能差分放大器。該放大器提供了2.1納伏/√Hz的低噪聲和低失真性能在很寬的頻率范圍，使其成為理想的驅(qū)動(dòng)高速8位至16位ADC。該ADL5562提供6 dB，12個(gè)分貝，15.5分貝三個(gè)增益電平通過引腳strappable配置。如果在單端輸入配置所使用的，增益被降低到5.6 dB時(shí)，11.1分貝，14.1分貝。該設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化，寬帶，低失真性能。這些屬性，其可調(diào)增益功能一起，使這對通用IF和寬帶應(yīng)用中的低失真，低噪聲，低功耗是至關(guān)重要的一個(gè)不錯(cuò)的選擇。所述ADL5562也為回轉(zhuǎn)速度，帶寬和寬帶失真的良好組合，使其能夠驅(qū)動(dòng)各種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并使其適合于驅(qū)動(dòng)混頻器，PIN二極管衰減器，SAW過濾器，和多元件分立設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化。

圖15：ADL5562諧波失真曲線圖。在圖15中的曲線圖顯示所產(chǎn)生的第二和第三次諧波時(shí)，ADL5562配置為單端和差分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。雖然在單端模式的失真性能非常低，有與差分操作偶次性能具有明顯的優(yōu)勢。在單端模式下，ADL5562具有二階-82 dBc的諧波值在100MHz。在差分操作中，該裝置具有較低的第二次諧波的值，小于-100 dBc的以相同的頻率。另外，改進(jìn)對輸出1 dB壓縮點(diǎn)和OIP3大約6 dB的可以從同一電源軌的差分拓?fù)淇梢灶A(yù)期的。

圖16：ADI公司的差分放大器產(chǎn)品系列。該ADL5562是許多差分放大器的ADI公司廣泛的產(chǎn)品組合之一。是否要求是驅(qū)動(dòng)差分輸入的ADC，或者發(fā)送和接收的信號在長距離電纜長度，ADI具有差分放大器，以滿足需要。該放大器采用固定增益，或增益控制的三種基本類型：電阻設(shè)置增益，串行和并行數(shù)字控制，或針strappable增益選擇。

圖17：AD8375 / 6鍵規(guī)格和功能。該AD8375是一款數(shù)字控制，可變增益寬帶寬放大器，可提供精確的增益控制，高OIP3和低噪聲系數(shù)。該AD8376是AD8375的雙通道版本; 2的VGA的單5 x 5毫米封裝。都提供優(yōu)異的失真性能和高帶寬信號，使之成為一個(gè)良好的增益控制裝置，適用于各種接收器應(yīng)用。這些可變增益放大器提供1 dB的分辨率廣泛24分貝增益范圍。采用先進(jìn)的高速SiGe工藝，集成專有失真消除技術(shù)，在AD8376達(dá)到50 dBm的OIP3輸出在200兆赫。

圖18：進(jìn)化差分接收器架構(gòu)。接收器的不斷發(fā)展，越來越多地使用差分元件。這種演變開始在ADC，并逐漸向上移動(dòng)的信號鏈。在過去，信號應(yīng)用程序問題和有限的高性能差動(dòng)RF積木可用性導(dǎo)致單端的或部分差分信號鏈。正如前面所討論的，一個(gè)偏微分信號鏈的一個(gè)實(shí)例是設(shè)計(jì)者的選擇以省略一個(gè)差分ADC驅(qū)動(dòng)，并使用單端設(shè)備到一個(gè)變壓器到ADC。雖然這提供了一個(gè)簡單的解決方案，對性能的需求被簡單地推向上游。除了消耗更高的功率，單端驅(qū)動(dòng)放大器解決方案往往有更壞的偶數(shù)階失真，CMRR和PSRR。此處示出的接收器信號鏈?zhǔn)峭ǔＳ糜诮邮諉味薘F輸入和差分輸出的架構(gòu)。單端和差分操作之間的分界線似乎已經(jīng)定居在混頻器，射頻部件，如仍然提供作為單端組件LNA。最SAW濾波器和混頻器核心也是天然差動(dòng)電路，但是它們被轉(zhuǎn)換為單端由于應(yīng)用局限性。多年來，雙平衡混頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一直采用蜂窩應(yīng)用，由于其高線性度性能。不幸的是，用于連接信號的混合核心，以保持系統(tǒng)差的傳統(tǒng)變壓器網(wǎng)絡(luò)，消耗大量的電路板空間，并添加顯著設(shè)計(jì)成本。

圖19：ADL5355主要規(guī)格和功能。在集成RF電路技術(shù)的最新進(jìn)展已經(jīng)允許用單端RF輸入易于使用射頻塊設(shè)計(jì)差分IF輸出。在ADI ADL5355混合器是混合了單端RF輸入到一個(gè)差分IF輸出的裝置的一個(gè)例子。它允許以保持在一個(gè)固執(zhí)的單端世界固有的差異化優(yōu)勢。該ADL5355框圖顯示，所有三個(gè)內(nèi)部混頻器端口差分。為了便于使用，在RF和LO端口正在使用的變壓器連接到外界，允許一個(gè)單端接口。相比之下，IF輸出端口，它包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器是差分的，為200歐姆的輸出阻抗，以便于連接到差動(dòng)SAW濾波器。 LO和RF巴倫的整合(平衡至不平衡變壓器)限制了裝置的工作頻率范圍內(nèi)，需要家庭在蜂窩頻率范圍操作中指定的設(shè)備。其結(jié)果是，該裝置的輸入頻率范圍被限制為1200兆赫至2500兆赫的低邊LO的范圍內(nèi);即，LO頻率其總是小于RF頻率。

圖20：ADI公司的高線性接收器組合。因?yàn)槠胶?- 不平衡變換器的集成限制混頻器的工作頻率，ADI提供一個(gè)大家族，涵蓋流行頻率設(shè)備。注意到某些在圖20表中的設(shè)備具有非常寬的頻率范圍。這些設(shè)備確實(shí)有寬的頻率范圍內(nèi)，但他們要求在其LO和RF端口以獲得最佳性能的外部不平衡變壓器。

圖21：無線電設(shè)計(jì)要求和級差收益?？傊?，差分性能優(yōu)勢是一個(gè)必要的現(xiàn)代通信系統(tǒng)，其嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求在阻斷的面完善的性能，信號失真，和靈敏度退化。為了滿足這種需求，不斷變化的差分信號通路提供了高動(dòng)態(tài)范圍，高輸入線性和低噪聲，在其他好處。 ADI公司提供的差分RF元件的廣泛產(chǎn)品組合帶來了由進(jìn)步集成射頻電路技術(shù)。高性能差分射頻構(gòu)建模塊的供應(yīng)量增加使得在最嚴(yán)苛的無線蜂窩應(yīng)用可應(yīng)用于高性能接收機(jī)設(shè)計(jì)的差分架構(gòu)。