X-Amp™, ein neuer 45-dB-500-MHz-Verstärker mit variabler Verstärkung (VGA) vereinfacht adaptive Empfängerdesigns

Einführung Das Design von drahtlosen Kommunikationsgeräten beginnt normalerweise mit der strategischen Definition und Analyse der Signalkette. Rauschzahl (NF), Linearität, Verzerrung und Dynamikbereich müssen alle in einem frühen Stadium des Produktentwicklungszyklus berücksichtigt werden, um die Komponentenspezifikationen für jedes Element im Signalpfad richtig zu identifizieren. Die Signalketten-Budgetanalyse ermöglicht es Designern, schnell Komponenten auszuwählen, die Leistung der betrachteten Designarchitekturen zu analysieren und zu vergleichen. Die Herausforderung ist in mobilen Kommunikationssystemen größer, wo besondere Aufmerksamkeit auf die spektrale Selektivität, Linearität und Rauschmechanismen in Verbindung mit HF- und ZF-Signalblöcken gerichtet werden muss. Empfänger können so ausgelegt werden, dass sie eine adaptive Empfindlichkeit gegenüber der eingehenden Signalstärke bereitstellen, indem sie eine variable Verstärkung bei den niedrigeren ZF-Frequenzen verwenden, wo es einfacher ist, das interessierende Signal zu manipulieren. Das meiste spektrale Grooming (Frequenzformung und Filterung) wird tendenziell bei den unteren ZF-Frequenzen implementiert, wo sehr schmalbandige Passfilter durch die Verwendung von SAW-Bauelementen, Quarzen und passiven RLC-Filternetzwerken mit konzentrierten Elementen leicht realisiert werden können. Nach einer präzisen Kanalauswahl kann eine Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung (AGC) verwendet werden, um das empfangene Signal auf einen gewünschten Pegel zu skalieren. Die Verwendung von AGC führt zu einem Empfängerdesign, dessen Empfindlichkeit basierend auf der empfangenen Signalstärke variiert. Die adaptive Empfindlichkeit reduziert die Auswirkungen der Entfernung, die in mobilen Umgebungen mit Fading-Kanal inhärent sind. Hochleistungsverstärker mit variabler Verstärkung sind oft erforderlich, um den erforderlichen Dynamikbereich und die Rauschleistung bereitzustellen. Hintergrund Verstärker mit variabler Verstärkung (VGAs) werden seit mehr als einem halben Jahrhundert in einer Vielzahl von Fernerkundungs- und Kommunikationsgeräten verwendet. Anwendungen von Ultraschall, Radar, Lidar bis hin zu drahtloser Kommunikation – und sogar Sprachanalyse – haben variable Verstärkung verwendet, um die dynamische Leistung zu verbessern. Frühe Designs erreichten eine Verstärkungsauswahl durch Zuschalten von Verstärkerstufen mit fester Verstärkung, um die Empfängerempfindlichkeit auf binäre Weise einzustellen. Spätere Implementierungen verwendeten Stufendämpfungsglieder, gefolgt von Verstärkern mit fester Verstärkung, um einen breiteren Bereich der diskreten Verstärkungssteuerung zu erreichen. Moderne Designs erreichen eine kontinuierliche spannungsgesteuerte Verstärkung unter Verwendung analoger Techniken durch Mittel wie spannungsvariable Dämpfungsglieder (VVAs), analoge Multiplizierer und Verstärkungsinterpolatoren. Abbildung 1. Typische Architekturen mit variabler Verstärkung. Eine Vielzahl von Architekturen wird üblicherweise verwendet, um sowohl eine kontinuierliche als auch eine diskrete variable Verstärkungsregelung bereitzustellen. Anwendungen wie die automatische Verstärkungsregelung erfordern häufig eine kontinuierliche analoge Verstärkungsregelung. Die einfachsten Designs verwenden analoge Multiplizierer, gefolgt von Pufferverstärkern mit fester Verstärkung. Solche Designs beinhalten oft eine nichtlineare Verstärkungsregelungsfunktion, die eine Kalibrierung erfordert. Außerdem leiden die Multipliziererkerne unter Temperatur- und Versorgungsspannungsabhängigkeiten, die zu einer schlechten Genauigkeit und Stabilität des Verstärkungsgesetzes sowie zu inakzeptablen Hochfrequenzverstärkungsschwankungen führen können. Designs, die Vorverstärker-/Dämpfer-/Nachverstärker-Architekturen verwenden, können einen rauscharmen Betrieb und eine gute Bandbreite bieten, haben jedoch tendenziell einen relativ geringen Eingangsabschnitt dritter Ordnung (IIP3), was ihre Leistungsfähigkeit in Empfängern mit hohem Dynamikbereich einschränkt . Eine andere Klasse von Lösungen verwendet spannungsvariable Dämpfungsglieder, gefolgt von einer Nachverstärkung mit fester Verstärkung. VVAs können eine genaue Dämpfungsübertragungsfunktion bereitstellen, die in dB linear ist, aber es ist oft notwendig, mehrere VVAs zu kaskadieren, um einen angemessenen Dämpfungsbereich bereitzustellen. Die Kaskadierung führt zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber Variationen der Dämpfungsübertragungsfunktion. Manchmal ist es notwendig, das Signal vorzuverstärken, um die Signalquelle vor den Belastungseffekten des VVA zu puffern und den Einfluss des Dämpfungsglieds auf die Rauschzahl zu verringern. Die zur Erzielung einer niedrigen Rauschzahl erforderliche hohe Verstärkung führt zu einem verringerten Eingangsabschnitt dritter Ordnung. Abbildung 2. Architektur des AD8367 X-Amp VGA. Der AD8367 X-AMP VGA mit AGC Die X-AMP-Architektur, die vor zehn Jahren mit den Analog Devices AD600 und AD602 (Analog Dialogue 26-2, 1992) entstand, ermöglicht eine linear-in-dB-Verstärkungsregelung, die im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur. Es umfasst ein Widerstandsleiternetzwerk zusammen mit einem hochlinearen Verstärker und einer Interpolatorstufe, um eine kontinuierliche Linear-in-dB-Verstärkungssteuerungsfunktion bereitzustellen. Der AD8367 (Abbildung 2) ist die neueste Generation von X-AMP VGAs. Sein Design basiert auf einem neuen extraschnellen komplementär-bipolaren Prozess (XFCB2.0), der eine moderate Verstärkung bis zu Hunderten von MHz und eine verbesserte Linearität bei höheren Frequenzen als bisher mit konventioneller Halbleiterverarbeitung verfügbar bietet. Wie Abbildung 2 zeigt, wird das Eingangssignal an ein massebezogenes 9-stufiges R-nR-Widerstandsleiternetzwerk angelegt, das so ausgelegt ist, dass es 5-dB-Dämpfungsschritte zwischen den Abgriffspunkten erzeugt. Eine sanfte Verstärkungsregelung wird erreicht, indem die Abgriffspunkte mit Stufen mit variabler Transkonduktanz (gm) erfasst werden. Abhängig von der Verstärkungsregelspannung wählt ein Interpolator aus, welche Stufen aktiv sind. Wenn beispielsweise die erste Stufe aktiv ist, wird der 0-dB-Abgriffspunkt erfasst; Wenn die letzte Stufe aktiv ist, wird der 45-dB-Punkt erfasst. Dämpfungspegel, die zwischen Abgriffspunkten fallen, werden erreicht, indem benachbarte gm-Stufen gleichzeitig aktiv sind, wodurch ein gewichteter Durchschnitt der diskreten Abgriffspunkt-Dämpfungen erzeugt wird. Auf diese Weise wird eine glatte, monotone, in dB lineare Dämpfungsfunktion mit sehr präziser Skalierung synthetisiert. Die ideale lineare-in-dB-Übertragungsfunktion kann wie folgt ausgedrückt werden: (1) wobei MY die Verstärkungsskala (Steigung) ist, die normalerweise in dB/V ausgedrückt wird, typischerweise 50 dB/V (oder 20 mV/dB) BZ der Verstärkungsabschnitt ist in dB, typisch –5 dB, die extrapolierte Verstärkung für VGAIN = 0 V. VGAIN ist die Verstärkungssteuerspannung Die grundlegende Anschlussübersicht, die Verstärkungsübertragungsfunktion und das typische Verstärkungsfehlermuster des AD8367 sind in Abbildung 3 dargestellt. Steuerspannungsbereich von 50 mV ≤ VGAIN ≤ 5 mV. Das Gerät ermöglicht die Umkehrung der Verstärkungssteilheit durch einen einfachen Pin-Strap des MODE-Pins. Der inverse Verstärkungsmodus ist bei Anwendungen mit automatischer Verstärkungsregelung (AGC) praktisch, bei denen die Verstärkungsregelungsfunktion von einem Fehlerintegrator abgeleitet wird, der die erfasste Ausgangsleistung mit einem vorbestimmten Sollwert vergleicht. Ein Square-Law-Detektor und der auf dem Chip integrierte Fehlerintegrator ermöglichen den Einsatz als eigenständiges AGC-Subsystem. Abbildung 3. Grundlegende AD8367 VGA-Anwendungsschaltung und Verstärkungssteuerungs-Übertragungsfunktion, die typische Fehler bei verschiedenen Temperaturen zeigt. Eine typische eigenständige AGC-Schaltung ist in Abbildung 4 dargestellt, zusammen mit ihrer Zeitbereichsantwort auf einen 10-dB-Eingangsspannungssprung. In diesem Beispiel ist der Signaleingang eine 70-MHz-Sinuskurve, und sein Eingang ist stufenmoduliert von –17 bis –7 dBm (bezogen auf 200 Ohm). Die Leistung des Ausgangssignals wird vom internen quadratischen Detektor als Spannung gemessen und mit einer internen 354-mV-rms-Referenz verglichen. Der Ausgang des Detektors ist ein Strom, der über einen externen Kondensator CAGC integriert wird. Die am CAGC-Kondensator erzeugte Spannung treibt den GAIN-Pin an, um die Verstärkung zu verringern oder zu erhöhen. Die Schleife wird stabilisiert, wenn der Effektivwert des Ausgangssignalpegels gleich der internen 354-mV-Referenz wird. Wenn das Eingangssignal weniger als 354-mV rms beträgt, zieht der DETO-Pin Strom, wodurch die Spannung am GAIN-Pin reduziert wird. Wenn das Eingangssignal über 354 mV rms ansteigt, liefert der DETO-Pin Strom, wodurch die Spannung am GAIN-Pin ansteigt. Der inverse Verstärkungsmodus ist in dieser Anwendung erforderlich, um sicherzustellen, dass die Verstärkung abnimmt, wenn der Effektivwert des Eingangssignals die interne Referenz überschreitet. Die resultierende Spannung, die an den GAIN-Pin, VAGC, angelegt wird, kann als Anzeige der empfangenen Signalstärke (RSSI) verwendet werden, die die Eingangssignalstärke im Vergleich zu einer 354-mV-rms-Referenz darstellt. Bei einer sinusförmigen Wellenform führt dies zu einem 1-V-pp-Ausgangssignal für eine 200-Ohm-Last. Abbildung 4. Grundlegende AD8367 AGC-Anwendungsschaltung und Zeitbereichsantwort bei 70 MHz. Signalkettenanalyse Eine moderne Superheterodyn-Architektur ist in Abbildung 5 dargestellt. Der AD8367 wird im Empfangspfad (Rx) verwendet, um die Gesamtverstärkung des Empfängers adaptiv anzupassen, wenn sich der HF-Signalpegel ändert. Im Sendepfad (Tx) wird der AD8367 in Verbindung mit einem HF-Leistungsdetektor verwendet, um einen gewünschten Ausgangsleistungspegel aufrechtzuerhalten. Abbildung 5. Superheterodyne-Architektur mit VGAs zur ZF-Pegelsteuerung. VGAs werden in den Zwischenfrequenzstufen verwendet, um die Gesamtempfindlichkeit des Empfängers adaptiv einzustellen und die Sendeleistungspegel zu steuern. Unter Berücksichtigung des Empfangspfades können die Gesamtempfindlichkeit und der Dynamikbereich mittels Signalpfad-Budgetanalyse bewertet werden. Für dieses Beispiel wurde ein PCS-CDMA-Signal mit einer 1-MHz-Rauschbandbreite ausgewählt. Rückwärts vom Ausgang des AD8367 IF VGA können Eingangsempfindlichkeit und Dynamikumfang analysiert werden. Abbildung 6 zeigt eine detaillierte Budgetanalyse vom Empfängereingang bis zum Ausgang des ZF-VGA. Abbildung 6. Rx-Pfad-Budgetanalyse für 1900-MHz-CDMA mit einer 70-MHz-ZF. Im obigen Beispiel steuert der AD8367 die empfangenen Signalpegel vor dem I&Q-Demodulator. Der AD8367 ist ein Beispiel für einen VGA, der variable Dämpfung verwendet, gefolgt von einem Post-Gain-Verstärker. Dieser VGA-Stil weist im Wesentlichen einen konstanten OIP3 und eine Rauschzahl auf, die mit der Verstärkungseinstellung variiert. Der AD8367 bietet minimale Rauschzahl bei maximaler Verstärkung und maximalen Eingangsabschnitt dritter Ordnung bei minimaler Verstärkung. Diese einzigartige Kombination ermöglicht eine dynamische Steuerung der Empfindlichkeit und der Eingangslinearität eines Empfängers basierend auf der empfangenen Signalstärke. AD8367 (klicken Sie auf diesen Link für Datenblätter und weitere Informationen) ist über eine Temperatur von –40 bis +85° C charakterisiert und in einem 14-poligen Thin-Shrunk Small-Outline-Gehäuse (TSSOP) verpackt. Es wird mit einer einzigen 3- bis 5-Volt-Versorgung betrieben. Das Gerät hat eine Betriebsbandbreite von –3-dB von 500 MHz; und das Datenblatt enthält detaillierte Spezifikationen für gängige ZF-Frequenzen wie 70 MHz, 140 MHz, 190 MHz und 240 MHz. Wenn Sie die PDF- oder gedruckte Version dieses Artikels lesen, besuchen Sie bitte www.analog.com, um das Datenblatt herunterzuladen oder Muster anzufordern. Der AD8367 ist normalerweise ab Lager verfügbar, und ein Evaluation Board ist ebenfalls erhältlich. Danksagung Der innovative AD8367 wurde von Barrie Gilbert und John Cowles entworfen.

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