模拟乘法器ADL5391的原理与应用

摘要：简单介绍了ADI公司推出的新一代高性能模拟乘法器ADL5391的主要特性和工作原理。给出了基于ADL5391的宽带乘法器的典型应用电路，并对其进行了测试。最后设计了基于ADL5391的二倍频电路，测试结果表明该二倍频电路具有性能稳定、工作频带宽、测量精度高、抗干扰能力强等优点。
关键词：ADL5391；模拟乘法器；宽带乘法器；二倍频电路

模拟乘法器是现代信号处理系统的重要组成单元，它广泛应用于锁相环、混频器、滤波器等信号处理电路中。ADL5391是美国ADI公司推出的宽频带、高性能、超对称的模拟乘法器。它具有2 GHz的可用带宽，是此前所有模拟乘法器所无法相比的。同时，ADL5391也是目前速度最快的模拟乘法器芯片之一。它将所有电路集成于一块芯片之中，使得ADL5391具有极高的速度。在文中的应用实例中，设计了一种基于ADL5 391的二倍频电路，可对输入的信号进行准确的二倍频，电路性能稳定，可广泛应用于混频、倍频、脉冲调制等领域。

1 ADL5391的主要特性
ADL5391凝聚了ADI公司三十年的先进模拟乘法器技术经验，其主要特性如下：
1)DC至2 GHz对称乘法器，传递函数为VW=αx(VXxVY)／1 V+Vz；
2)独特的设计确保了X、Y的绝对对称，X、Y的幅度／时间响应相同；
3)可调、不随温度而变化、增益调整为α；
4)完全差分输入／输出或单端操作；
5)低噪声和高输出线性度；
6)单电源供电：4．5～5．5 V，130 mA；
7)3x3 mm、16引脚小型LFCSP封装。

2 ADL5391的工作原理
ADL5391的功能结构框图如图1所示，传递函数由下式给出：
W=aXY／U+Z (1)
其中：X和Y是被乘数；U是乘法器的比例因子；α是乘法器增益；W是乘法器的输出；Z是一个求和输入。所有的变量和比例因子单位都是伏特。

ADL5391最重大的改进就是采用了新型乘法器内核架构，它与自1970年开始使用的传统架构明显不同。传统的模拟乘法器(如AD835)几乎完全由吉尔伯特单元的拓扑结构或与其相近的电路实现。X和Y不对称的信号路径造成了X和Y之间幅度和时延的不平衡，这在高频时会出现问题。在ADL5391中，新型的乘法器内核提供了X和Y之间绝对的对称，尽量减小吉尔伯特单元中本身的差异。
ADL5391的功能结构框图展示了主乘法器单元和反馈乘法器单元，其中主乘法器用于接收X和Y输入信号，反馈乘法器位于反馈路径上，围绕在积分缓冲区附近，它的输入量是输出信号与求和输入信号之差(W-Z)，和内部比例参考值。其中，反馈乘法器和主乘法器是相同的，由于该反馈乘法器基本上补偿了主乘法器上产生的缺损，因此常见的噪声、漂移或失真基本上被限制在了一阶。

3 ADL5391的应用实例
ADL5391主要运用于高频信号的运算和处理，如宽带的乘法和加法，高频模拟调制，自适应天线，平方律探测器，倍频等。以下给出了基于ADL5391的宽带乘法器电路，并且设计了基于该模拟乘法器的二倍频电路，并对其分别进行了性能测试。
3．1 宽带乘法器
3．1．1 宽带乘法器电路设计
对于ADL5391，当输入X、Y、Z与输出W为差分驱动时，其性能最佳。另外，ADL5391也可以进行单端驱动。单端至差分转换(或者差分至单端转换)可以通过传输线变压器来实现。在没有交流耦合电容的情况下，如果ADL5391使用单端驱动，则需要将2．5 V作为参考电压。高于2．5 V的电压是正电压，低于2．5 V的电压是负电压。需要注意ADL5391不能负载太重，其最大参考电流是50 mA。

宽带乘法器电路如图2所示，为了实现最佳性能，通过传输线变压器以差分形式驱动输入端口X、Y、Z和输出端口W，其中传输线变压器选用的是Mini-Circuits TC1-1-13M，该传输线变压器插入损耗小，工作频带宽，最高可工作在3 GHz。电阻R1、R2、R3、R12均为匹配电阻，因为X、Y、Z输入端的输入阻抗是相同的，所以为实现阻抗匹配，对于相同的频率，R1、R2、R3应该是相同的。
ADL5391电源电压允许范围为4．5～5．5 V，一般采用5 V，因此，VPOS端接5 V电压，COMM1和COMM端均为接地端。图中，J1、J3、J4、J5采用的是单端、高频操作，XP、YP是乘法射频输入端，ZP是加法射频输入端，WP是射频输出端口，TP4、TP5、TP6、TP7、TP8、TP9为直流输入端，电压范围为0～2．5 V，TP1、TP2为直流输出端。ENBL为高使能端，接5 V电压时，ADL5391芯片开始正常工作。GADJ端电压驱动范围是0～2 V，用于调节乘法器增益α，GADJ悬空时，α=1或0 dB。若VGADJ=0 V，则增益大约降低4 dB；若VGADJ=2 V，则增益大约提高6dB。VMID端为参考输出端，当输出电压为Vpos／2时，则表明ADL5391芯片正常工作。
3．1．2 宽带乘法器电路的性能测试
基于以上设计电路，利用Altium Designer Summer 09进行PCB布局设计。对于射频电路PCB设计而言，元器件的布局不仅直接影响到电路本身的干扰及抗干扰能力，这也关系到所设计电路的性能。因此，在进行射频电路PCB设计时除了要考虑普通PCB设计时的布局外，主要还需考虑如何减小射频电路中各部分之间相互干扰，如何减小电路本身对其它电路的干扰以及电路本身的抗干扰能力。
在布局时，调整器件尽可能使RF路径最短，RF路径上过孔数量尽可能少，这样可以减小路径电感。电感不要并行靠在一起，这将形成空芯变压器并相互感应产生干扰信号，应将它们垂直排列将互感减到最小。避免长距离走线，尽可能拉开线与线之间的距离。由于该芯片正常使用时，芯片温度约为60℃，所以在该电路板上使用了大面积接地敷铜，以增强电路的抗干扰性及散热性。据此，该宽带乘法器电路的PCB设计如图3所示。