硅锗直接调制器HMC497LP4的特性分析及应用
时间：08-30
来源：互联网
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与基于双变频拓扑的发射机相比，直接调制方法通过取消一级混频器及其相关的匹配、滤波、VCO/PLL 与LO 缓冲电路，简化了发射链路。本文介绍的宽动态范围硅锗直接调制器HMC497LP4 及其应用电路设计方法能帮助工程师设计出满足多频段应用的宽动态范围直接调制器。
自1918 年发明以来，超外差接收机已成为射频通信领域的主力。射频工程师过去一直在利用超外差接收机技术的较好频率稳定性及较高灵敏度等优势，这些优势也可在发射端的设备中获得。在典型的超外差发射机中，先用携带信息的信号(基带或I/Q)来调制本振(LO) 信号，以产生调制中频(IF)信号；然后再将此IF 信号滤波并与第二本振信号混频(上变频)， 以产生最终调制射频信号并用天线发射出去。
这种双变频电路拓扑可与模拟及数字调制技术一起使用。与基于双变频拓扑的发射机相比，直接调制法通过取消一级混频器及其相关的匹配、滤波 、VCO/PLL 与LO 缓冲电路，简化了发射链路。当然，非单片直接调制器的实现也有它自身的问题。
射频集成电路(RFIC) 技术的最新进展已促使人们重新开始对直接变频架构发生兴趣。在设计一种单片直接调制器时，有几种工艺可供选择，但只有硅锗(SiGe)HBT 工艺能同时拥有高效率、高线性度、高Ft、小尺寸及低成本等多种优势。基于单片宽带直接调制器的上变频器，其寄生与端口匹配问题更少，因此可减少印制板(PCB)面积以及多频段应用中的器件数。直接调制的优势再结合RFIC 技术，将导致从双变频架构向频率日益提高的直接调制架构的转换。
高动态宽带直接调制器
HMC497LP4 是Hittite Microwave 公司的高动态宽带直接调制器，采用SiGe 工艺，具有200 至4,000MHz 的扩展RF/LO 带宽。HMC497LP4 采用一种多相网络，将LO 分成两路相差为90的等幅信号(见图1)。包含多相网络的分支与限幅放大电路，可在各种LO 输入功率电平上获得最佳性能。片上两路LO 信号路径互成镜像，以不引入任何相移，而平衡信号路径则用来提供更高的抗噪性能。然后每路LO 信号再驱动有源(吉尔伯特单元)混频器，其中一路上变频为BB_IP/BB_IN(带宽同相)数据，另一路则上变频为BB_QP/BB_QN(宽带正交)数据。最后，经过上变频的I/Q 信号再被同相合并，并从平衡转换成单端射频输出。
图 1
直接正交调制器的动态范围对于保持高数据速率及数字调制信号的完整性非常关键。直接调制器的动态范围定义为1dB压缩点上的输出功率与输出噪声基底电平(用dBm/Hz表示) 之比。HMC497LP4 可提供+8 dBm(900MHz)及+6dBm(3,500MHz)的P1dB 输出，而输出噪声基底则分别为-161dBm/Hz(900MHz) 与-153dBm/Hz(3,500MHz) 。这些值分别对应着169dB(900MHz)及159dB(3,500MHz)的动态范围。
其它直接调制器关键性能为边带抑制及载波馈通(feedthrough)电平。在中间频率上，HMC497LP4 可提供-47dBc 的边带抑制以及-32dBm 的载波馈通电平(抑制与馈通电平是在LO 输入=0dBm、Vcc=+5.0V、Vbbdc=+1.50V 以及200kHz 基带输入频率(800mV 峰－峰差分输入)上测得)。
通过调整I、Q 输入端之间的相移可提高直接调制器的边带抑制。I、Q 信号间的理想相移最好在最终电路中凭经验确定，以对I、Q 信号路径中的任何微小不对称进行校正。通过调整I、Q 基带输入端之间的直流偏移可减少直接调制器的载波馈通。I、Q 信号间的理想直流偏移最好在最终电路中凭经验确定，以消除由布局布线引起的寄生耦合效应。
应用指南
HMC497LP4 当在2,140MHz 频率上被驱动至-10dBm WCDMA 输出信道功率电平时，HMC497LP4 可提供-67dBc 的邻近信道功率比(ACPR)。HMC4 97LP4 的LON 端口在内部被匹配至50O，且应以-6 至+6dBm 之间的单端输入电平来驱动。要求在LON 及LOP 端上分别串联一个100pF 电容来提供直流屏蔽，而LOP 端则在外部与50O 端接(见图2)。
图 2
HMC497LP4 的射频输出也是单端并在内部匹配至50O。建议在射频输出端串联一个100pF 电容来提供直流屏蔽。
调制输入端、BB_IN、BB_IP、BB_QN 及BB_QP 均为直流耦合，这样直流器件便能与基带输入信号连接，从而增加上变频链路的载波抑制。这些输入可直接由数模转换器(DAC) 驱动，或如果需要亦可通过电阻或基于运放的电平转换电路来驱动。
HMC497LP4 采用两条偏置电源输入线(Vcc1 及Vcc2)。为减少电源噪声，每条电源线都用靠近输入接头的4.7uF 旁路电容以及靠近封装引脚的1,000pF 旁路电容去耦。Vcc1 与Vcc2 额定偏压介于+4.5 至+5.5V 之间，总电流消耗为168mA。
HMC497LP4 直接调制器实际上可精确产生包括BPSK、QPSK、8PSK、OFDM 及QAM 在内的任何模拟或数字调制格式。DC 至700 MHz 的极宽I/Q 输入端带宽不仅容易支持多载波工作，而且还能结合成熟预失真技术来减少互调波。这种策略可通过允许将其驱动为压缩来提高发射功率放大器的效率。
HMC497LP4 的多功能性使收发器设计者能满足NMT、PCS、UMTS、WLL、WLAN、Hyperman/Hyperlan 及WiMAX 等系统中的基站、转发器以及其它无线基础设施应用的需求。HMC497LP4 还适合用于软件无线电中，在那里上变频必须能根据条件及要求的变化来动态改变其调制格式与带宽。
自1918 年发明以来，超外差接收机已成为射频通信领域的主力。射频工程师过去一直在利用超外差接收机技术的较好频率稳定性及较高灵敏度等优势，这些优势也可在发射端的设备中获得。在典型的超外差发射机中，先用携带信息的信号(基带或I/Q)来调制本振(LO) 信号，以产生调制中频(IF)信号；然后再将此IF 信号滤波并与第二本振信号混频(上变频)， 以产生最终调制射频信号并用天线发射出去。
这种双变频电路拓扑可与模拟及数字调制技术一起使用。与基于双变频拓扑的发射机相比，直接调制法通过取消一级混频器及其相关的匹配、滤波 、VCO/PLL 与LO 缓冲电路，简化了发射链路。当然，非单片直接调制器的实现也有它自身的问题。
射频集成电路(RFIC) 技术的最新进展已促使人们重新开始对直接变频架构发生兴趣。在设计一种单片直接调制器时，有几种工艺可供选择，但只有硅锗(SiGe)HBT 工艺能同时拥有高效率、高线性度、高Ft、小尺寸及低成本等多种优势。基于单片宽带直接调制器的上变频器，其寄生与端口匹配问题更少，因此可减少印制板(PCB)面积以及多频段应用中的器件数。直接调制的优势再结合RFIC 技术，将导致从双变频架构向频率日益提高的直接调制架构的转换。
高动态宽带直接调制器
HMC497LP4 是Hittite Microwave 公司的高动态宽带直接调制器，采用SiGe 工艺，具有200 至4,000MHz 的扩展RF/LO 带宽。HMC497LP4 采用一种多相网络，将LO 分成两路相差为90的等幅信号(见图1)。包含多相网络的分支与限幅放大电路，可在各种LO 输入功率电平上获得最佳性能。片上两路LO 信号路径互成镜像，以不引入任何相移，而平衡信号路径则用来提供更高的抗噪性能。然后每路LO 信号再驱动有源(吉尔伯特单元)混频器，其中一路上变频为BB_IP/BB_IN(带宽同相)数据，另一路则上变频为BB_QP/BB_QN(宽带正交)数据。最后，经过上变频的I/Q 信号再被同相合并，并从平衡转换成单端射频输出。
图 1
直接正交调制器的动态范围对于保持高数据速率及数字调制信号的完整性非常关键。直接调制器的动态范围定义为1dB压缩点上的输出功率与输出噪声基底电平(用dBm/Hz表示) 之比。HMC497LP4 可提供+8 dBm(900MHz)及+6dBm(3,500MHz)的P1dB 输出，而输出噪声基底则分别为-161dBm/Hz(900MHz) 与-153dBm/Hz(3,500MHz) 。这些值分别对应着169dB(900MHz)及159dB(3,500MHz)的动态范围。
其它直接调制器关键性能为边带抑制及载波馈通(feedthrough)电平。在中间频率上，HMC497LP4 可提供-47dBc 的边带抑制以及-32dBm 的载波馈通电平(抑制与馈通电平是在LO 输入=0dBm、Vcc=+5.0V、Vbbdc=+1.50V 以及200kHz 基带输入频率(800mV 峰－峰差分输入)上测得)。
通过调整I、Q 输入端之间的相移可提高直接调制器的边带抑制。I、Q 信号间的理想相移最好在最终电路中凭经验确定，以对I、Q 信号路径中的任何微小不对称进行校正。通过调整I、Q 基带输入端之间的直流偏移可减少直接调制器的载波馈通。I、Q 信号间的理想直流偏移最好在最终电路中凭经验确定，以消除由布局布线引起的寄生耦合效应。
应用指南
HMC497LP4 当在2,140MHz 频率上被驱动至-10dBm WCDMA 输出信道功率电平时，HMC497LP4 可提供-67dBc 的邻近信道功率比(ACPR)。HMC4 97LP4 的LON 端口在内部被匹配至50O，且应以-6 至+6dBm 之间的单端输入电平来驱动。要求在LON 及LOP 端上分别串联一个100pF 电容来提供直流屏蔽，而LOP 端则在外部与50O 端接(见图2)。
图 2
HMC497LP4 的射频输出也是单端并在内部匹配至50O。建议在射频输出端串联一个100pF 电容来提供直流屏蔽。
调制输入端、BB_IN、BB_IP、BB_QN 及BB_QP 均为直流耦合，这样直流器件便能与基带输入信号连接，从而增加上变频链路的载波抑制。这些输入可直接由数模转换器(DAC) 驱动，或如果需要亦可通过电阻或基于运放的电平转换电路来驱动。
HMC497LP4 采用两条偏置电源输入线(Vcc1 及Vcc2)。为减少电源噪声，每条电源线都用靠近输入接头的4.7uF 旁路电容以及靠近封装引脚的1,000pF 旁路电容去耦。Vcc1 与Vcc2 额定偏压介于+4.5 至+5.5V 之间，总电流消耗为168mA。
HMC497LP4 直接调制器实际上可精确产生包括BPSK、QPSK、8PSK、OFDM 及QAM 在内的任何模拟或数字调制格式。DC 至700 MHz 的极宽I/Q 输入端带宽不仅容易支持多载波工作，而且还能结合成熟预失真技术来减少互调波。这种策略可通过允许将其驱动为压缩来提高发射功率放大器的效率。
HMC497LP4 的多功能性使收发器设计者能满足NMT、PCS、UMTS、WLL、WLAN、Hyperman/Hyperlan 及WiMAX 等系统中的基站、转发器以及其它无线基础设施应用的需求。HMC497LP4 还适合用于软件无线电中，在那里上变频必须能根据条件及要求的变化来动态改变其调制格式与带宽。
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