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两款固定增益放大器消除了设计方案难以实现的问题

作者:时间:2018-09-13来源:网络收藏

由于人们日益渴望通过智能手机、TV、GPS 和 Wi-Fi 传送数据,所以基础设施的有限带宽几乎被填满了。为了满足这种渴望,设计师定义了各种系统,将越来越多的数据塞进有限的带宽中,不过数据传输速率的提高是有代价的:需要保真度越来越高的发送和接收信号链路。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201809/389111.htm

至于,要忠实地再现信号并不降低原始信号质量,就需要低噪声和高线性度。在信号功率较低时,不想要的噪声必须足够低,以允许想要传输的信号上升到噪声层之上。在信号电平较高时,线性必须防止不想要的谐波和互调分量屏蔽想要传送的信号。LTC6431-15 和 LTC6430-15 就实现了这两个目标。

LTC6431-15 和 LTC6430-15 是两款固定增益,具备非常高的 OIP3 (线性度),有关噪声非常低。LTC6431-15 是单端射频 (RF) / 中频 (IF) 增益构件,可直接驱动 50Ω 负载,而 LTC6430-15 是差分 RF / IF 增益构件,具备更高的功率和更宽的线性带宽。这些增益构件兼具最高性能和易用性,通过在内部处理偏置、阻抗匹配、温度补偿和稳定性问题,消除了设计方案难以实现的问题。

针对低输入信号电平提供低 NF

在低输入信号电平时,噪声限制了系统的灵敏度。通信系统的噪声特性由噪声指数 (NF) 来表示,由输入端的“信号噪声功率比”除以输出端的“信号噪声功率比”得出,单位为分贝。的输入端总是存在噪声,而且噪声与想要传输的信号一起放大。NF 表示本身给信号增加了多少不想要的噪声。理想情况下,的 NF 为 0dB,但是任何真实的都会增加噪声,因此人们的目标是,最大限度地减少噪声损害。典型 IF 具备 3dB 至 12dB 噪声指数。LTC6431-15 和 LTC6430-15 在 240MHz 时均展现出 3.3dB NF。

令人印象深刻的 OIP3 有效降低 IM 分量

线性度限制了在频率域隔离想要信号和不想要信号的能力。在输入信号电平较高时,想要的信号上升至远高于噪声层,因此噪声不是什么问题,但是的线性度变得更加重要了。

如图 1 所示,如果将一个单音调注入非线性,那么结果得到的是想要的音调及其谐波。通常情况下,这些谐波信号可以滤除,因为在频率域它们与想要的音调离得足够远。如果将两个音调注入一个非线性,那么结果得到的是,两个想要的音调以及由众多不想要的音调极其复杂地混合在一起,这包括两个音调的谐波、两个输入音调的和与差、以及其他互调分量 (参见图 2)。

图 1:非线性器件输入端的音调在输出端产生谐波

图 2:非线性器件输入端的两个音调在输出端产生互调分量

互调 (IM3) 分量 (2f1 – f2 和 2f2 – f1) 是这些不想要音调的一个子集,这个互调分量子集尤其麻烦。IM3 分量可能非常靠近想要信号的频率,从而使得这些分量几乎不可能滤除掉。

线性度特性最常用三阶输出截取点 (OIP3) 来表示,这是一个假想点,在这个点上,IM3 分量的功率与基频信号功率相交。LTC6431-15 展现了非常小的 IM3 分量,因此其 OIP3 非常好。当阻塞 (干扰) 信号或相邻通道靠得非常近时,最大限度降低 IM3 分量尤其重要,因为 IM3 分量的增大速度是想要音调的三倍。在不使想要信号失真的情况下,这限制了能够处理的可接受的输出功率,因此也就限制了输入功率。

噪声 (用 NF 表示其特性) 限制了对小幅度输入信号的灵敏度,而线性度 (用 OIP3 表示其特性) 限制了对大幅度输入信号的灵敏度。NF 和 OIP3 这两种衡量标准合起来,定义了对一个信号的可用动态范围。

高线性度解决最难的通信问题

LTC6431-15 在 240MHz 时 OIP3 典型值为 47dBm,基本上将 IM3 分量压到了噪声层中,这样 IM3 分量就不能干扰想要信号了 (参见图 3)。LTC6430-15 也不甘示弱,在 240MHz 时其 OIP3 为 50dBm。结合其 3.3dB NF,这两款都提供非常宽的动态范围,通过在高信号电平和低信号电平时保持高保真度,应对了高数据传输速率的挑战。

图 3:LTC6431-15 在 240MHz 时 OIP3 为 47dBm,基本上是将双音调信号的 IM3 分量压到噪声层中,这样 IM3 分量就不能干扰想要信号了。

易于插入不同应用中

实现 RF / IF 增益级并不总是很容易。传统上,设计师必须首先考虑电路偏置。LTC6431-15 拥有一个内部偏置电路,该电路仅需从单 5V 电源吸取 90mA 电流,而 LTC6430-15 仅从单 5V 电源吸取 160mA 电流。

该内部偏置电路优化了器件的最大线性度工作点。温度补偿电路在环境条件变化时保持性能不变,防止高温时电流流失。这些器件还有内部稳压器,以最大限度地减小电源缺陷导致的性能变化。

RF / IF 在输入端和输出端还必须是阻抗匹配的,以最大限度地增大所传输的功率和减小反射。传统上,这是一项耗时费力且需要反复进行多次的任务。一般情况下,设计师必须增加输入和输出网络,以使阻抗与系统阻抗相匹配,通常是 50Ω。这些匹配网络又会改变的 NF 和 OIP3,通常牺牲 NF 和 OIP3 性能以实现合理的阻抗匹配。

LTC6431-15 和 LTC6430-15 在 20MHz 至 1700MHz 频带范围内,在内部匹配了输入和输出阻抗,从而简化了设计,同时保持 NF 和 OIP3 不变。单端 LTC6431-15 的输入和输出在内部匹配到 50Ω,而 LTC6430-15 的输入和输出端在内部匹配到 100Ω 差分阻抗。这就允许这些器件非常容易地插入不同应用中,而无需额外增加匹配组件。

有保证的稳定性和性能

与凌力尔特的应用电路一起使用时,LTC6431-15 和 LTC6430-15 都是可无条件稳定的。A 级版本 LTC6431-15 在 240MHz 时的 OIP3 特性是单独地表示的,保证 44dBm 的最小 OIP3。类似地, A 级版本 LTC6430-15 在 240MHz 时的 OIP3 也是单独表示的,保证 47dBm 的最小 OIP3。

一类全新的 RF

凌力尔特在生产卓越的运放型方面拥有悠久历史,这类能够以最低噪声和低失真来处理低频信号。尽管 LTC6431-15 和 LTC6430-15 不能像运放那样放大 DC 信号,但是它们能够放大高达 2GHz 的信号。运算一般难以在高于 200MHz 时工作。

使用运算时,一般需要增加反馈以设定增益。提高电压反馈运算的增益会进一步减小工作带宽。另一方面,凌力尔特的 RF 型提供 15dB 固定功率增益。RF 解决方案缺乏增益调节通用性,但是可用带宽远远超过了可从运算获得的带宽。

运算用来驱动高阻抗负载,而 LTC6430 / LTC6431 可驱动 50Ω 负载,并在很宽的频率范围内 (20MHz 至 1700MHz) 实时提供功率。与运算不同,这种专注于 RF 的设计在输入和输入端不需要终端电阻,因为已经在内部实现了阻抗匹配。输入端的终端电阻增加噪声,输出端的终端电阻衰减提供给负载的功率。因此,这两款 RF 解决方案提供了更好的总体噪声性能和线性度。LTC6430-15 和 LTC6431-15 为不需要 DC 耦合的 AC 信号应用提供了卓越的解决方案。

LTC6431-15 单端 50Ω

单端 LTC6431-15 是多种应用的理想解决方案。该器件作为 IF 使用时表现十分出色,克服了滤波器损耗问题,或者作为 ADC 驱动器与平衡-不平衡转换器一起使用时,表现也同样出色。凭借很宽的带宽,LTC6431-15 可涵盖整个 CATV 频带。

图 4 所示是一个单端 IF ,图 5 所示是 LTC6431-15 的评估板和在 100MHz 至 1700MHz 的性能。

图 4:单端 IF

图 5:100MHz 至 1700MHz 单端 LTC6431-15 评估板和性能,显示了 LTC6430-15 和 LTC6431 的 OIP3 随频率的变化。

LTC6430-15 差分应用

能够以差分方式配置 LTC6430-15 的输入和输出使该器件能够适用于各种系统应用,在以下各例中,LTC6430-15 的高线性度、低噪声和宽频带性能经受住了考验。

在以下第一个例子中,LTC6430-15 的差分输出与 ADC 的差分输入很相配。LTC6430-15 的输入 / 输出在内部匹配到 100Ω 差分阻抗。就驱动高速 ADC 而言,100Ω 阻抗非常便利。接下来,在一个平衡配置中,运用 2:1 平衡-不平衡转换器,LTC6430-15 以低失真提供宽带放大,驱动 50Ω 负载。最后,运用 1.33:1 平衡-不平衡转换器,LTC6430-15 可匹配至 75Ω 系统,以跨整个 CATV 频带提供宽带放大。

ADC 驱动器

LTC6430-15 作为高速、高分辨率 ADC 驱动器使用时表现出色。这类应用的挑战是,驱动未缓冲 ADC 输入,使其达到所要求的输入电压值,同时保持 ADC 的信噪比 (SNR) 和无寄生动态范围 (SFDR) 不变。正如评估电路的性能测试结果所示,LTC6430-15 能够在 LTC2158 (双通道、14 位、310Msps ADC) 的整个输入带宽范围内驱动该 ADC,而且 SFDR 和 SNR 受到的影响极小。

针对这一高速、高分辨率 ADC,表 1 显示了 SNR 和 SFDR 的最小减额。LTC6430-15 的高线性度和低噪声允许设计师在 ADC 输入端以最低的滤波要求驱动该 ADC。所有测量值都是从单个应用电路得出的,未调整匹配网络。这突出显示了 LTC6430-15 的宽带宽和高线性度性能。

表 1: ADC 驱动器评估电路随频率变化所得结果总结

平衡驱动 50Ω 负载

采用恰当配对的 2:1 平衡-不平衡转换器,LTC6430-15 能够以低噪声和低失真提供宽带放大。在这种平衡配置中,在输入端和输出端匹配至 50Ω。这种平衡配置还具有抑制二阶失真的优势,这在多倍频程宽带应用中是至关重要的。

不幸的是,单个平衡-不平衡转换器不能涵盖 LTC6430-15 的整个工作频带。凌力尔特提供多种覆盖该拟用带宽的评估电路。这些评估电路的输入和输出端已经转换到 50Ω,以减轻特性测试负担。这些评估电路也展现了 LTC6430-15 用于没有平衡-不平衡转换器的纯差分应用时的性能。

测试结果显示,针对感兴趣的频率,选择正确的平衡-不平衡转换器是很重要的。由于带宽受限,平衡-不平衡转换器限制了 LTC6430-15 的性能。总之,这三个平衡电路都显示,用 LTC6430-15 可获得高线性度和宽带宽。

CATV 应用

CATV 应用电路是本文中显示 LTC6430-15 通用性的最后一个例子。CATV 给带来了独特挑战。所需频带常常涵盖超过四倍频程,必须拥有平坦的增益曲线,阻抗必须与 75Ω 环境匹配。多通道数目要求卓越的三阶线性度,而且由于多倍频程环境,也必须抑制二阶分量。LTC6430-15 运用一对 1.33:1 平衡-不平衡转换器,将内在 100Ω 差分阻抗转化为 75Ω,可应对这些挑战。

考虑到其低噪声、低二阶和三阶失真以及平坦的增益曲线,这个电路可以满足 CATV 要求,同时仅从 5V 电源吸取 800mW 功率。

基于硅的工艺帮助实现更高的可再生性

LTC6431-15 和 LTC6430-15 是采用高性能 SiGe BiCMOS 工艺制造的,相比之下,其他 RF 增益构件则是用 GaAs 晶体管制造的。与可比的 GaAs 工艺相比,运用基于硅的工艺可实现更高的可再生性。BiCMOS 工艺还使凌力尔特能够在这些器件中集成失真消除、偏置控制和稳压器功能。

结论

LTC6431-15 和 LTC6430-15 以最低的 DC 功耗实现了同类最佳的噪声性能和线性度,满足了现代通信标准要求,并简化了 RF / IF 设计。这两款器件易于使用、具备通用性并能够在各种各样的条件下保证高性能。



关键词: 通信 放大器

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