X-Amp™, nový 45-dB, 500-MHz zesilovač s proměnným zesílením (VGA) zjednodušuje návrhy adaptivních přijímačů

Úvod Návrh zařízení pro bezdrátovou komunikaci obvykle začíná definicí a analýzou strategického signálového řetězce. Obrázek šumu (NF), linearita, zkreslení a dynamický rozsah, to vše je třeba vzít v úvahu v rané fázi cyklu vývoje produktu, aby bylo možné správně identifikovat specifikace komponent pro každý prvek v signálové cestě. Analýza rozpočtu signálového řetězce umožňuje návrhářům rychle vybírat komponenty, analyzovat a porovnávat výkon uvažovaných architektur návrhu. Výzva je větší v mobilních komunikačních systémech, kde je třeba zaměřit zvláštní pozornost na spektrální selektivitu, linearitu a šumové mechanismy spojené s bloky RF a IF signálů. Přijímače mohou být navrženy tak, aby poskytovaly adaptivní citlivost na sílu příchozího signálu využitím proměnlivého zesílení na nižších IF frekvencích, kde je snazší manipulovat se sledovaným signálem. Většina spektrálních úprav (frekvenční tvarování a filtrování) bývá implementována na nižších mezifrekvenčních frekvencích, kde lze snadno realizovat velmi úzkopásmové propusti pomocí zařízení SAW, krystalů a pasivních sítí RLC filtrů se soustředěnými prvky. Po přesné volbě kanálu lze použít obvody automatického řízení zisku (AGC) pro úpravu přijímaného signálu na požadovanou úroveň. Použití AGC poskytuje návrh přijímače, jehož citlivost se mění v závislosti na síle přijímaného signálu. Adaptivní citlivost snižuje účinky vzdálenosti vlastní mobilním prostředím se slábnoucími kanály. Vysoce výkonné zesilovače s proměnným ziskem jsou často nezbytné pro zajištění potřebného dynamického rozsahu a šumu. Dosavadní stav techniky Zesilovače s proměnným ziskem (VGA) se používají v různých zařízeních pro dálkový průzkum Země a komunikačních zařízeních již více než půl století. Aplikace od ultrazvuku, radaru, lidaru až po bezdrátovou komunikaci - a dokonce i analýzu řeči - využívaly variabilní zesílení ve snaze zlepšit dynamický výkon. Dřívější návrhy dosahovaly selekce zesílení zapínáním stupňů zesilovače s pevným zesílením pro nastavení citlivosti přijímače binárním způsobem. Pozdější implementace používaly krokové atenuátory následované zesilovači s pevným ziskem pro dosažení širšího rozsahu řízení diskrétního zisku. Moderní konstrukce dosahují kontinuálního zesílení řízeného napětím pomocí analogových technik, a to takovými prostředky, jako jsou napěťově proměnlivé atenuátory (VVA), analogové násobiče a interpolátory zisku. Obrázek 1. Typické architektury s proměnným ziskem. Pro zajištění spojitého i diskrétního proměnlivého řízení zesílení se běžně používá řada architektur. Aplikace jako automatické řízení zesílení často vyžadují nepřetržité analogové řízení zesílení. Nejpřímější návrhy využívají analogové násobiče následované vyrovnávacími zesilovači s pevným ziskem. Takové návrhy často zahrnují nelineární funkci řízení zisku, která vyžaduje kalibraci. Jádra multiplikátoru navíc trpí závislostmi na teplotě a napájecím napětí, což může mít za následek špatnou přesnost a stabilitu zákona zisku, stejně jako nepřijatelné kolísání vysokofrekvenčního zisku. Návrhy, které používají architektury před-zesilovač/útlum/post-zesilovač, mohou poskytovat provoz s nízkým šumem a dobrou šířku pásma, ale mívají poměrně nízký vstupní odposlech třetího řádu (IIP3), což omezuje jejich schopnost provádět v přijímačích s vysokým dynamickým rozsahem . Další třída řešení využívá napěťově proměnlivé atenuátory, po nichž následuje post-zesílení s pevným ziskem. VVA mohou poskytovat přesnou funkci přenosu útlumu, která je lineární v dB, ale často je nutné kaskádovat více VVA, aby se zajistil adekvátní rozsah útlumu. Kaskádování má za následek zvýšenou citlivost na variace funkce přenosu útlumu. Někdy je nutné předzesílit signál, aby byl zdroj signálu odražen od zátěžových efektů VVA a také aby se snížil vliv atenuátoru na šumové číslo. Vysoký zisk potřebný k dosažení nízkého šumového čísla vede ke snížení vstupního zachycení třetího řádu. Obrázek 2. Architektura AD8367 X-Amp VGA. AD8367 X-AMP VGA s AGC Architektura X-AMP, pocházející před deseti lety s analogovými zařízeními AD600 a AD602, (Analog Dialogue 26-2, 1992), umožňuje lineární funkci řízení zisku v dB, která je v podstatě nezávislý na teplotě. Zahrnuje odporovou žebříkovou síť spolu s vysoce lineárním zesilovačem a interpolačním stupněm, které poskytují kontinuální lineární funkci řízení zisku v dB. AD8367 (obrázek 2) je nejnovější generace X-AMP VGA. Jeho design je implementován na novém extra rychlém komplementárním bipolárním procesu (XFCB2.0), který poskytuje mírné zesílení až do stovek MHz a vylepšenou linearitu na vyšších frekvencích, než jaké byly dosud dostupné u konvenčního polovodičového zpracování. Jak ukazuje obrázek 2, vstupní signál je přiváděn do 9-stupňové odporové žebříkové sítě R-nR s odkazem na zem, která je navržena tak, aby produkovala 5-dB kroky útlumu mezi odbočovacími body. Plynulé řízení zesílení je dosaženo snímáním odbočovacích bodů pomocí stupňů s proměnnou transkonduktancí (gm). V závislosti na napětí řízení zisku interpolátor vybírá, které stupně jsou aktivní. Pokud je například aktivní první stupeň, snímá se bod odbočení 0-dB; pokud je aktivní poslední stupeň, snímá se bod 45 dB. Úrovně útlumu, které spadají mezi body odbočky, jsou dosaženy tím, že sousední stupně gm jsou aktivní současně, čímž se vytvoří vážený průměr útlumů jednotlivých odbočných bodů. Tímto způsobem je syntetizována hladká, monotónní, lineární funkce útlumu v dB s velmi přesným škálováním. Ideální lineární přenosovou funkci v dB lze vyjádřit jako: (1) kde MY je stupnice zisku (sklon) obvykle vyjádřená v dB/V, typicky 50 dB/V (nebo 20 mV/dB) BZ je zachycení zisku v dB, typicky –5 dB, extrapolovaný zisk pro VGAIN = 0 V. VGAIN je napětí pro řízení zisku Základní obrys zapojení AD8367, funkce přenosu zisku a typický vzor zisku-chyba jsou znázorněny na obrázku 3, který ukazuje strmost funkce přenosu zisku 50 dB/V a zachycení –5-dB přes zisk- rozsah řídicího napětí 50 mV ≤ VGAIN ≤ 950 mV. Zařízení umožňuje obrácení sklonu zisku jednoduchým pin-páskem pinu MODE. Režim inverzního zesílení je vhodný v aplikacích automatického řízení zesílení (AGC), kde je funkce řízení zesílení odvozena z chybového integrátoru, který porovnává detekovaný výstupní výkon s předem stanovenou úrovní nastavené hodnoty. Detektor čtvercového zákona a integrátor chyb integrovaný na čipu umožňují použití zařízení jako samostatný subsystém AGC. Obrázek 3. Základní aplikační obvod AD8367 VGA a přenosová funkce řízení zisku, vykazující typické chyby při různých teplotách. Typický samostatný AGC obvod je znázorněn na obrázku 4 spolu s jeho časovou odezvou na 10-dB vstupní napětí. V tomto příkladu je vstup signálu sinusoida 70 MHz a její vstup je stupňovitě modulován od –17 do –7 dBm (odkaz na 200 ohmů). Výkon výstupního signálu je měřen jako napětí interním pravoúhlým detektorem a porovnáván s interní referenční hodnotou 354 mV rms. Výstupem detektoru je proud, který je integrován pomocí externího kondenzátoru CAGC. Napětí, které se vyvíjí na kondenzátoru CAGC, pohání vývod GAIN pro snížení nebo zvýšení zesílení. Smyčka je stabilizována, když se efektivní hodnota výstupního signálu rovná interní 354-mV referenci. Když je vstupní signál nižší než 354 mV rms, kolíkem DETO klesá proud, což snižuje napětí na kolíku GAIN. Když se vstupní signál zvýší nad 354 mV rms, pin DETO zdroj proudu způsobí zvýšení napětí na pinu GAIN. V této aplikaci je vyžadován režim inverzního zesílení, aby se zajistilo, že se zesílení sníží, když efektivní hodnota vstupního signálu překročí vnitřní referenční hodnotu. Výsledné napětí přivedené na vývod GAIN, VAGC, lze použít jako indikaci síly přijatého signálu (RSSI), představující sílu vstupního signálu ve srovnání s referenční hodnotou 354 mV rms. Pro sinusový průběh to vede k výstupnímu signálu 1 V pp pro zátěž 200 ohmů. Obrázek 4. Základní aplikační obvod AD8367 AGC a odezva v časové doméně na 70 MHz. Analýza signálového řetězce Moderní superheterodynní architektura je znázorněna na obrázku 5. AD8367 se používá v přijímací (Rx) cestě k adaptivní úpravě celkového zisku přijímače při změně úrovně RF signálu. V přenosové (Tx) cestě se AD8367 používá ve spojení s RF výkonovým detektorem pro udržení požadované úrovně výstupního výkonu. Obrázek 5. Superheterodynní architektura využívající VGA pro řízení úrovně IF. VGA se používají v mezifrekvenčních stupních k přizpůsobení celkové citlivosti přijímače adaptivně a k řízení úrovní vysílaného výkonu. S ohledem na přijímací cestu lze celkovou citlivost a dynamický rozsah posoudit pomocí analýzy rozpočtu signálové cesty. Pro tento příklad byl vybrán signál PCS-CDMA s použitím šířky pásma šumu 1 MHz. Při zpětném chodu z výstupu AD8367 IF VGA lze analyzovat vstupní citlivost a dynamický rozsah. Obrázek 6 představuje podrobnou analýzu rozpočtu od vstupu přijímače k ​​výstupu IF VGA. Obrázek 6. Analýza rozpočtu cesty Rx pro 1900 MHz CDMA s 70 MHz IF. Ve výše uvedeném příkladu řídí AD8367 úrovně přijímaného signálu před demodulátorem I&Q. AD8367 je příkladem VGA, které používá proměnný útlum následovaný zesilovačem s post-gainem. Tento styl VGA bude vykazovat v podstatě konstantní OIP3 a šumové číslo, které se mění s nastavením zisku. AD8367 poskytuje minimální šumové číslo při maximálním zisku a maximální vstupní zachycení třetího řádu při minimálním zisku. Tato jedinečná kombinace umožňuje dynamické ovládání citlivosti a vstupní linearity přijímače na základě síly přijímaného signálu. AD8367 (kliknutím na tento odkaz zobrazíte datové listy a další informace) je charakterizován při teplotách od –40 do +85 °C a je balen ve 14-vodičovém tenkém smrštěném obalu s malým obrysem (TSSOP). Pracuje s jedním 3 až 5 voltovým zdrojem. Zařízení má provozní šířku pásma –3 dB 500 MHz; a jeho datový list poskytuje podrobné specifikace pro běžné mezifrekvenční frekvence – jako je 70 MHz, 140 MHz, 190 MHz a 240 MHz. Pokud čtete PDF nebo tištěnou verzi tohoto článku, navštivte prosím www.analog.com a stáhněte si datový list nebo si vyžádejte vzorky. AD8367 je běžně dostupný ze skladu ak dispozici je také vyhodnocovací deska. Poděkování Inovativní AD8367 navrhli Barrie Gilbert a John Cowles.

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv