基于MAX2180的AM/FM有源天线LNA设计

引言

本应用笔记介绍AM/FM汽车天线的一个参考设计(RD)。设计采用了适用于有源天线模块的高度集成AM/FM低噪声放大器(LNA) MAX2180。LNA在AM和FM信号通路上均集成了Maxim的自动增益控制技术，带有用户可选设置点。AM和FM信号通路的最大增益亦可变，以满足各种各样的用户需求。RD详尽展示了该集成式汽车解决方案的灵活性和性能。

概述

汽车天线要求更小、集成度更高的解决方案，并同时保证现代AM/FM无线通信装置所需的高性能。有些解决方案需要自动增益控制(AGC)，而有些则采用固定增益LNA，以获得最低成本。有些解决方案为有源天线提供一个稳压电源电压，但是大多数仍然采用电池供电。对天线方案提供商的挑战是：如何在避免需要反复设计的分立式解决方案或不使用昂贵IC (仍然需要外部PIN二极管和调节器)的情况下满足各种各样的行业要求。在资源和空间有限的情况下，天线供应商的理想解决方案必然是高性能、低成本且非常灵活的IC，并且无需重新设计、BOM变化及电路板变动，即可轻松满足各种要求。

现在有少数厂商为有源天线提供集成式AM/FM解决方案。可惜的是他们需要外部PIN二极管提供AGC。这些解决方案在使用电池供电时，还需要一个稳压电源，或者一个外部调整管。外部元件增加了成本，扩大了解决方案的占位面积。如果不需要AGC，解决方案通常采用分立器件，以获得最低成本。分立设计的问题是，增益、电源电压或占位面积的任何变化都将导致重新设计，从而占用更多的设计资源，而设计资源在多数情况下非常匮乏。

最优天线解决方案和MAX2180

Maxim Integrated Products开发了一套AM/FM天线解决方案，其中集成了全部有源元件，满足当今苛刻的汽车天线需求。天线采用MAX2180 LNA。MAX2180采用了内部高压CMOS工艺，在一片小型4mm x 4mm TQFP封装内集成了AM和FM AGC，以及高压调节器。这种设计避免了所有PIN二极管和外部稳压电路或传输晶体管，同时还可采用电池或稳压电源工作。MAX2180可实现最大AM和FM增益，并且AGC设置点可变。它还包括天线监测功能，在故障条件下吸入15mA电流。

LNA的片上稳压电路工作于7V至24V。为防止过热损坏，集成温度传感器通过折返电流限制最高结温。这样可保证放大器在任何环境条件下都保持工作。

AM输入为高阻、输出为低阻，FM放大器提供50Ω输入和输出阻抗。最大AM增益可通过改变外部电阻在0dB至6dB范围内设置。最大FM增益可在 5.8dB至8.5dB (R1 = 0Ω)范围内变化。为了改善噪声系数，R1应为390Ω，从而将增益范围提高至10.0dB至10.8dB。两条信号通路均采用Maxim拥有专利的 AGC电路，增益控制范围为30dB。此外，AGC设置点可变，为主机提供希望的最大输出水平。

采用MAX2180进行设计时，利用数据资料中的表格选择所需的信号通路增益和AGC设置点，可简化设计。这种自定义参数值范围使得一款设计即可满足多种需求，无需重新布置电路板。如图1所示，与竞争方案相比，MAX2180提供了更高的集成度，同时又具有满足各种需求的灵活性。图2所示为单天线解决方案的应用原理图。

图1. MAX2180高集成度解决方案(A)与AM/FM有源天线竞争方案(B)的比较。

图2. 采用MAX2180的单天线解决方案应用原理图。

设计实例

我们的测试实例为用于小型汽车的一款低增益天线。这种应用需要更大增益，但是小型汽车中的短电缆减小了从天线至主机的损耗，目标最大输入水平对AM来说为+80dBµV，FM为+95dBµV。

AM：引脚1电阻= 0Ω，增益为6.5dB (表1)；引脚2短路至地，AM输出AGC设置点为+79dBµV (表2)。

FM：引脚10短路至地，FM增益为8.5dB (表3)；引脚12对地电阻= 39kΩ，FM输出AGC保护点为+94dBµV (表4)。

表1. AM信号通路增益

表2. AM信号通路设置点

表3. FM信号通路增益

表4. FM信号通路设置点

输入电路

对于单天线，天线共用器必须将有效输入电容最小化，不馈入高阻AM输入。在AM频带，天线通常为高阻，所以增加的并联电容将衰减AM信号。电路还必须与FM输入良好匹配，在获得最佳噪声系数和频率响应的同时抑制其他频带的信号。

在AM输入，使用一个FM "陷阱"将进入至AM输入的FM信号电平最小化。为避免馈入FM频带，陷波器深度为60dBc，并在天线和陷波器之间安装一个4.7µH电感。为防止 FM-AM失真，在AM输入安装一个串联电感，改善FM频带的反馈。天线共用器的FM部分匹配50Ω天线至FM输入，同时还将AM频带衰减90dB以上。电感数量应最少，由于有限Q的原因，增加的每个元件都会造成噪声系数变差。

双天线解决方案(