具過載保護功能的USB供電433.92MHz RF低噪聲放大器接收器

國際電信聯(lián)盟(ITU)將433.92 MHz工業(yè)、科學和醫(yī)學(ISM)射頻頻段分配給1區(qū)使用，該區(qū)域在地理上由歐洲、非洲、俄羅斯、蒙古和阿拉伯半島組成。盡管最初旨在用于無線電通信之外的應用，但多年來無線技術(shù)和標準的進步使得ISM頻段在短距離無線通信系統(tǒng)中頗受歡迎。

ITU 1 區(qū)的運營商無需為使用433.92 MHz頻段獲得許可，常見應用包括軟件定義無線電、醫(yī)療設(shè)備和重型機械的工業(yè)無線電控制系統(tǒng)。在美國，433.92 MHz頻段屬于70 cm業(yè)余無線電頻段（頻率范圍420 MHz至450 MHz），由獲得許可的業(yè)余無線電臺使用。此頻段也常用于低功耗、短距離應用，例如車庫門遙控開關(guān)、耳機、嬰兒監(jiān)視器，以及電源開關(guān)和燈光調(diào)節(jié)器。

圖1所示電路是一個雙級RF低噪聲放大器(LNA)，針對433.92 MHz ISM頻段中的接收器信號鏈進行了優(yōu)化。在中心頻率，電路產(chǎn)生大約40.5 dB的增益。RF輸入和輸出端口采用50 Ω阻抗匹配設(shè)計，支持電路與標準50 Ω系統(tǒng)之間的直接連接。其輸入未經(jīng)濾波，保持1.4 dB噪聲系數(shù)，但輸出端配有SAW濾波器，會消減帶外干擾。

該電路中包含高速過載檢測器和關(guān)斷開關(guān)，用于保護連接至接收器系統(tǒng)的下游敏感設(shè)備。當RF功率水平下降到可接受范圍內(nèi)時，接收器系統(tǒng)也會自動恢復正常運行。RF輸入和輸出是標準的SMA連接器，整個設(shè)計由一個微型USB連接器供電。

圖1 CN0555簡化功能框圖

評估和設(shè)計支持

■   電路評估板

■   CN0555電路評估板(EVAL-CN0555-EBZ)

■   設(shè)計和集成文件

■   原理圖、布局文件、物料清單

電路描述

RF放大器級

CN0555在其RF信號路徑中使用兩個ADL5523低噪聲放大器。ADL5523是一款高性能砷化鎵(GaAs)假晶高電子遷移率晶體管(pHEMT) RF低噪聲放大器，提供高增益和低噪聲系數(shù)。圖2顯示該器件的典型S參數(shù)性能，在整個頻率范圍內(nèi)，其典型增益為21.5 dB，回波損耗高于10 dB。

ADL5523的典型噪聲系數(shù)為0.8 dB，1 dB壓縮點(P1dB)為21 dBm，三階交調(diào)點(OIP3)為34 dBm。將兩個ADL5523放大器級聯(lián)，以實現(xiàn)40 dB整體增益。

圖2 ADL5523典型S-參數(shù)

阻抗匹配網(wǎng)絡

ADL5523需要使用一個外部匹配網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡的阻抗針對所需的頻段進行調(diào)諧，以實現(xiàn)優(yōu)化性能。輸入匹配網(wǎng)絡包括與RFIN引腳串聯(lián)的電感和一個并聯(lián)電容。在輸出端，匹配網(wǎng)絡以類似的方式在偏置線路上使用電感和電容。圖3展示完整的阻抗匹配網(wǎng)絡，以及將兩個ADL5523放大器級聯(lián)的實現(xiàn)方案。

圖3 用于級聯(lián)ADL5523放大器的基本連接

這些元件的正確布局對于輸入/輸出阻抗匹配也很重要；因此，CN0555遵循ADL5523數(shù)據(jù)手冊中針對500 MHz調(diào)諧頻帶的推薦布局和組件大小。

SAW濾波器

CN0555的LNA輸出通過表面聲波(SAW)濾波器進行濾波，有助于消除不必要的帶外放大。選擇濾波器時，必須在頻帶平坦度和帶外抑制之間取得平衡。SAW濾波器也是一個插入損耗源，它會降低信號鏈的整體增益，選擇時需要仔細考慮。CN0555使用的SAW濾波器具有2 dB典型插入損耗和50 Ω端接阻抗。

RF定向耦合器

CN0555包含一個纖薄、超小型的高性能3 dB 90°混合耦合器。該器件的工作頻率為400 MHz至900 MHz，輸入和輸出阻抗為50 Ω，433.92 MHz時的典型插入損耗為0.3 dB。

RF開關(guān)

ADG901是采用CMOS工藝制成的寬帶RF開關(guān)，可以提供高隔離和低插入損耗。它是一種吸收式開關(guān)，具有50 Ω端接輸入和輸出。該開關(guān)允許用戶傳遞高達0.5 V的DC信號，無需使用隔直電容。

ADG901的工作頻率為DC至4.5 GHz，在4.5 GHz時的插入損耗為3 dB。在433.92 MHz中心頻率時，此器件在“導通狀態(tài)”下的典型插入損耗為0.4 dB，如圖4所示；在“關(guān)斷狀態(tài)”下的典型插入損耗約為70 dB，如圖5所示。

圖4 ADG901在導通狀態(tài)下的插入損耗性能

圖5 ADG901在關(guān)斷狀態(tài)下的隔離損耗性能

組合來自濾波器、耦合器和RF開關(guān)的插入損耗，在正常工作條件下，RF開關(guān)的輸出端產(chǎn)生的總插入損耗約為2.7 dB。

RF性能

CN0555中得到的S參數(shù)、相位噪聲測量結(jié)果、無雜散動態(tài)范圍(SFDR)、噪聲系數(shù)和穩(wěn)定性測量值如下圖所示。

在433.92 MHz中心頻率下，CN0555實現(xiàn)了40.5 dB的增益，輸入和輸出回波損耗大于10 dB。圖6顯示在其工作范圍內(nèi)的S參數(shù)值。

圖6 EVAL-CN0555-EBZ S參數(shù)與頻率的關(guān)系

圖7顯示在433.92 MHz時的單邊帶相位噪聲，在10 Hz、1 MHz和10 MHz偏置時分別約為-98 dBc/Hz、-131 dBc/Hz和-149 dBc/Hz。

圖7 433 MHz時的單邊帶相位噪聲

圖8顯示窄帶單音RF輸出，SFDR為58.38 dBFS。

圖8 窄帶單音RF輸出

圖9顯示頻率范圍內(nèi)相應的噪聲系數(shù)，在433.92 MHz中心頻率下約為0.8 dB。

圖9 噪聲系數(shù)與頻率的關(guān)系

系統(tǒng)在整個433.92 MHz ISM頻率帶寬保持穩(wěn)定，Rollet穩(wěn)定性因子(k)高于1，輔助穩(wěn)定性指標(B1)高于0，如圖10所示。這使得CN0555在任何源阻抗和負載阻抗組合下，都能絕對保持穩(wěn)定。

圖10 穩(wěn)定性因子和測量值與頻率的關(guān)系

過載保護

CN0555中集成了過載管理功能，當輸出功率達到預先設(shè)置的閾值時，該電路板的RF路徑會自動隔離。此功能使用ADL5904 RF功率檢波器來實現(xiàn)。

ADL5904提供電阻可編程檢測閾值，將內(nèi)部包絡檢波器電壓與用戶定義的輸入電壓進行比較。當包絡檢波器電壓超過用戶定義的VIN?引腳的閾值電壓時，內(nèi)部比較器捕獲事件并將其鎖定在設(shè)置/復位(SR)觸發(fā)器中。圖11顯示了CN0555的過載保護電路。

圖11 CN0555過載保護電路

如圖11所示，使用3 dB、90°混合耦合器對放大的RF輸入進行采樣。此功率傳輸至ADL5904的RFIN引腳，然后由內(nèi)部包絡檢波器進行采樣。ADL5904 VIN-引腳上的閾值電壓電平由電阻分壓器網(wǎng)絡設(shè)置，該值可以使用公式1計算得出。

其中：

V_IN-是ADL5904的VIN-引腳的電壓電平。

R₁₀是用戶定義的電阻值。

R₁₁是用戶定義的電阻值。

I_OS為輸入偏置電流。

CN0555的輸入閾值功率設(shè)置為0 dBm，以保護連接至接收器系統(tǒng)的下游敏感設(shè)備。如表1所示，當工作頻率為900 MHz時，0 dBm閾值功率對應VIN-的241 mV電壓電平。

表1 工作頻率未校準時，推薦的閾值電壓(VIN-)典型值

V_IN?的閾值電平由電阻分壓器設(shè)置。選擇R10和R11的絕對值，盡可能減少3.3 V電源軌上的負載，同時提供不受泄漏電流和偏置電流影響的輸出阻抗。將R10設(shè)置為13.7 kΩ，使R11的值為1.02 kΩ，這會產(chǎn)生可忽略不計的224 μA分壓器電流和991 Ω輸出阻抗。

V_IN-=241 mV

I_BIAS=20 μA

R₁₀=13.7 kΩ

R₁₁ = 991 Ω或1.02 kΩ（使用標準電阻值）

使用最接近的標準電阻值求解公式1，將VIN-電壓電平設(shè)置為241.9 mV。當功率超過閾值時，發(fā)生過載事件，將隔離RF路徑。

ADL5904在其RF閾值功率上引入高達+2.5 dBm的誤差電平，該值因器件而異。如果需要準確的閾值功率，必須執(zhí)行簡單的校準程序，以補償器件與器件之間的差異。有關(guān)校準程序的更多信息，參見ADL5904數(shù)據(jù)手冊。

自動復位功能

CN0555還包含自動復位電路，當功率電平返回到可接受范圍內(nèi)時激活。此功能由LTC6991可編程低頻率定時器執(zhí)行。

如圖12所示，ADL5904的輸出使LTC6991在正常工作期間保持在復位模式。發(fā)生過載事件時，LTC6991啟用，并且開始4 ms延遲。ADL5904在4 ms后復位，對功率電平重新采樣。如果過載狀態(tài)持續(xù)，ADL5904再次斷路，RF開關(guān)的控制信號進入低電平狀態(tài)。這種信號轉(zhuǎn)變會隔離ADG901開關(guān)的RF輸入和輸出。過載事件過去后，ADL5904開始重新采樣功率電平，然后返回正常工作狀態(tài)。

圖12 CN0555自動復位電路

過載保護測試

圖13顯示了用于測試CN0555的過載保護功能的設(shè)置。在該測試中，RF信號發(fā)生器設(shè)置采用433.92 MHz中心頻率，輸入功率從-50 dBm爬升至-40 dBm。CN0555輸出功率由高速示波器進行監(jiān)控，該器件顯示從發(fā)生過載事件到輸出功率被衰減的響應時間。

圖13 RF過載響應測試設(shè)置

圖14顯示過載保護響應時間。根據(jù)該圖，從正常工作到RF輸出功率被衰減，CN0555擁有約9 ns的響應時間。圖15顯示從過載狀態(tài)結(jié)束到功率電平返回可接受范圍的恢復時間。該數(shù)據(jù)顯示，從衰減RF輸出到正常工作，期間存在7 ns延遲。

圖14 典型的過載保護響應時間

圖15 發(fā)生過載事件后的典型恢復時間

USB電源管理

CN0555通過微型USB適配器獲取電源，該適配器一般通過微型USB端口提供5 V、1 A電源。此電路要求在正常工作期間獲取約113.61 mA電流。要滿足這項電源要求，需要使用兩個電源電壓。第一個電源為ADL5523低噪聲放大器、ADL5904 RF檢波器和LTC6991低頻率定時器提供3.3 V電源。第二個電源為ADG901 RF開關(guān)提供2.5 V電源。圖16顯示CN0555的整個電源結(jié)構(gòu)。

圖16 CN0555電源架構(gòu)

LT3042是一款高性能低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器，采用超低噪聲和超高電源抑制比(PSRR)架構(gòu)，以便為噪聲敏感型射頻應用供電。LT3042設(shè)計用作后接高性能電壓緩沖器的精密電流基準，可輕松并聯(lián)以便進一步降低噪聲，增加輸出電流并在印刷電路板上散熱。要配置LT3042提供3.3 V輸出，所需的基本配置如圖17所示。

圖17 LT3042提供3.3 V輸出所需的配置

LT3042在SET引腳上集成一個精密100 μA電流源，該引腳還連接到放大器的反相輸入。圖17顯示將電阻從SET引腳連接至GND會生成一個基準電壓。該基準電壓是SET引腳電流100 μA和SET引腳電阻的乘積，如公式2所示。

ADM7170-2.5 LDO穩(wěn)壓器用于生成ADG901 RF開關(guān)所需的電源電壓。該器件具有2.3 V至6.5 V的輸入電壓范圍和2.5 V固定輸出電壓。ADM7170-2.5只需要輸入電容和輸出電容即可正常工作。特別是，ADM7170-2.5可在其輸入和輸出引腳上使用4.7 μF小型解耦電容。

常見變化

ADL5521可以用作替代型低噪聲放大器，適用于使用433.92 MHz ISM頻帶的應用。該器件提供略低的增益、更高的噪聲系數(shù)、OIP3和OP1dB。ADL5521采用與ADL5523相同的功率電平。兩個器件的尺寸非常類似。

ADG902也可用作RF開關(guān)；此器件引腳兼容，并具有與ADG901相同的規(guī)格，但它是一種反射開關(guān)，提供更低的隔離損耗。

ADI公司還提供類似的用于在5.8 GHz ISM頻段下工作的接收器放大器的參考設(shè)計。欲了解更多信息，請參閱CN0534電路筆記。

電路評估與測試

本節(jié)介紹評估CN0555的評估設(shè)置和步驟。有關(guān)電路評估設(shè)置的完整信息，請參閱EVAL-CN0555-EBZ用戶指南。

設(shè)備要求

■    EVAL-CN0555-EBZ電路評估板

■    Rohde & Schwarz^? SMA100B信號發(fā)生器

■   Keysight^? E5052B信號分析儀

■   Keysight N5242A PNA-X矢量網(wǎng)絡分析儀

■   5 V micro USB電源適配器或micro USB轉(zhuǎn)USB電纜

■   一根SMA至SMA電纜

設(shè)置和測試

圖18顯示了EVAL-CN0555-EBZ與矢量網(wǎng)絡分析儀的正確端口連接。

圖18 S參數(shù)和噪聲系數(shù)測試設(shè)置

測量S參數(shù)和噪聲系數(shù)的步驟如下：

1. 將矢量網(wǎng)絡分析儀設(shè)置為所需的測量條件，步驟如下：

a. 將頻率掃描范圍設(shè)置為400 MHz至500 Mhz。

b. 將頻率步長設(shè)置為10 kHz。

c. 功率電平必須小于或等于-45 dBm。

2. 使用校準套件對矢量網(wǎng)絡分析儀執(zhí)行完整的2端口校準。請注意，EVAL-CN0555-EBZ的RF輸入可以直接連到測試端口，因此測試設(shè)置僅需要一根測量電纜。

3. 使用校準的測試設(shè)置將EVAL-CN0555-EBZ連接在矢量網(wǎng)絡分析儀的測試端口上。

4. 使用5 V電源適配器為EVAL-CN0555-EBZ供電。

5. 設(shè)置矢量網(wǎng)絡分析儀，以顯示各個S參數(shù)和噪聲系數(shù)的跡線。

6. 將測量值與期望值進行比較。在433.92 MHz中心頻率下，輸入和輸出回波損耗值分別約為16 dB和20.4 dB。對于增益和噪聲系數(shù)，數(shù)值分別應為約40 dB和1.2 dB。

圖19顯示了執(zhí)行相位噪聲和SFDR測試時EVAL-CN0555-EBZ與信號分析儀和信號發(fā)生器的正確連接。

圖19 相位噪聲和SFDR測試設(shè)置

要執(zhí)行相同的測試，請遵循以下步驟：

1. 按如下步驟設(shè)置信號分析儀所需的測量配置：

a. 為了執(zhí)行SFDR測量，設(shè)置中心頻率 = 433.92 MHz，頻率范圍 = 400 MHz至500 MHz，RF幅值 = 10 dBm。

b. 為了執(zhí)行相位噪聲測量，設(shè)置中心頻率 = 433.92 MHz，偏移頻率范圍 = 10 Hz至30 MHz。

2. 將信號發(fā)生器的功率電平設(shè)置在-50 dBm至-40 dBm之間，中心頻率設(shè)置為433.92 MHz。

3. 將信號發(fā)生器輸出連接到EVAL-CN0555-EBZ的RF輸入。

4. 將EVAL-CN0555-EBZ的RF輸出連接到信號分析儀。

5. 使用5 V電源適配器為EVAL-CN0555-EBZ供電，該適配器的額定功率高于500 mW。

6. 在信號分析儀上執(zhí)行測量運行。

7. 使用信號分析儀獲取相位噪聲值，并驗證在10 kHz頻偏下其值是否約為-125 dBc/Hz。

8. 運行SFDR測試并比較讀數(shù)；期望值約為60 dBc。

更多資料

CN0555設(shè)計和集成文件

ADIsimRF? RF信號鏈計算工具

LTspice^? SPICE仿真軟件

LTpowerCAD^?設(shè)計工具

MT-031指南，“實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團”。ADI公司，

MT-073指南，“高速可變增益放大器(VGA)?！盇DI公司，

指南MT-101?！叭ヱ罴夹g(shù)”。ADI公司，

Whitlow，Dana?！艾F(xiàn)代通信系統(tǒng)中接收機用自動增益控制環(huán)路的設(shè)計與操作。”Chapter 8.ADI公司無線研討會。2006.

數(shù)據(jù)手冊和評估板

CN0555評估板(EVAL-CN0555-EBZ)、ADL5523數(shù)據(jù)手冊、ADL5523評估板、ADG901數(shù)據(jù)手冊、ADG901評估板、ADL5904數(shù)據(jù)手冊、ADL5904評估板、LT3042數(shù)據(jù)手冊、LT3042評估板、ADM7170數(shù)據(jù)手冊、ADM7170評估板、LTC6991數(shù)據(jù)手冊、LTC6991評估板

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