借助差分接口改善射频收发器设计性能

简介

传统收发器设计中，50 Ω单端接口广泛用于射频和中频电路。当电路进行互连时，应全部具有匹配的50 Ω输出和输入阻抗。然而在现代收发器设计中，差分接口常用在中频电路中以获得更好的性能，但实际设计过程中，工程师需要处理几个常见问题，包括阻抗匹配、共模电压匹配以及复杂的增益计算。了解发射机和接收机中的差分电路对优化增益匹配和系统性能很有帮助。

差分接口优势

差分接口有三大主要优势。首先，差分接口可抑制外部干扰和接地噪声。其次，它可以抑制偶次阶输出失真。这对于零中频(ZIF)接收机非常重要，因为出现在低频信号中的偶次阶成分无法滤除。第三，输出电压可达到单端输出的两倍，从而将给定电源上的输出线性度提高6 dB。

本文论述三种情况下的接口解决方案：ZIF接收机、超外差式接收机和发射机。这三种架构广泛用于射频拉远单元(RRU)、数字直放站和其他无线测试仪器中。

ZIF接收机接口设计和增益计算

在零中频(ZIF)接收机设计中，IF信号是复信号，直流和低频率信号来提供有用信息。典型解调器在驱动200 Ω至450 Ω负载时可提供最佳性能，同时ADC驱动器的输入阻抗一般并非50 Ω，因此设计系统时采用直流耦合很重要也很困难。

图1显示了一个ZIF接收机配置，它使用两个低噪声放大器(LNA) ADL5523 一个400MHz至6000MHz正交I/Q解调器ADL5380、一个作为本振(LO)的宽带频率合成器ADF4350以及一个双通道数字可编程可变增益放大器(VGA)AD8366。表1显示了相关ADL5380接口和增益参数。

图1. ZIF接收机框图

表1.ADL5380接口和增益参数

与具有217 Ω差分输入阻抗的AD8366接口时，ADL5380具有5.9 dB电压增益和–0.5 dB功率增益[5.9 dB – 10log (217/50)]。为获得最佳性能，将ADL5380 ADJ引脚连接至V_S，使ADL5380与AD8366间的共模电压设置为2.5 V。在ADL5380与AD8366间放置具有0.5 dB插入损耗的差分四阶巴特沃兹低通滤波器，以便抑制噪声和高频干扰成分。虽然滤波器会输入和输出阻抗并不匹配，但在基带频率下这些不匹配是可以忽略的。

表2.AD8366接口和增益参数

AD8366的共模输出电压可设置为2.5 V；当VCM保持浮空时其线性度最佳。遗憾的是，AD6642在0.9 V共模输入电压(0.5 × AVDD)下具有最佳性能。由于AD8366的共模输出电压必须介于1.6 V与3 V之间，因此AD6642 VCM和AD8366 VCM引脚无法直接连接，必须使用电阻将AD8366共模输出电压分压至0.9 V。

为获得最佳性能，AD8366应驱动200Ω载。要实现所需的共模电平和阻抗匹配，可在AD8366后添加63 Ω串联电阻和39 Ω并联电阻。这一电阻网络将使信号功率衰减4 dB。

AD8366的输出摆幅可达6 V p-p，但电阻网络提供的4 dB衰减使AD6642得到的电压限于2.3 V p-p，避免了较大干扰尖峰或增益的失控对ADC带来损害。

在AD8366与AD6642间放置具有1.5 dB插入损耗的差分六阶巴特沃兹低通滤波器，可以滤除高频干扰成分。I或者Q通道的完整差分接口如图2所示。

图2.ZIF接收机接口框图和仿真滤波器特性

为保留足够的余量来应付整个温度范围内的增益变化，AD8366在正常模式下的增益设置为16 dB。

采用这种配置，整个信号链的增益如下：

5.9 dB – 10log (217/50) – 0.5 dB + 16 dB – 10log (200/217) – 1.5 dB – 4 dB = 9.9 dB.

在ADL5380之前以级联方式插入的两个LNA实现了32 dB的射频增益。由于模数转换器被配置为2 V p-p满幅摆幅和78 Ω等效输入阻抗，它可以接收最大–34 dBm的单音RF输入信号。如果输入信号是具有10 dB峰均比(PAR)的调制信号，在不改变VGA设置情况下，接收机可以接收的最大输入信号为－41dBm。

换言之，电压增益可用于计算信号链链路预算。当输入端口阻抗等于输出端口阻抗时