具過載保護(hù)功能的USB供電433.92MHz RF低噪聲放大器接收器

國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)將433.92 MHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)(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(yīng)用，但多年來無線技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)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(yùn)營(yíng)商無需為使用433.92 MHz頻段獲得許可，常見應(yīng)用包括軟件定義無線電、醫(yī)療設(shè)備和重型機(jī)械的工業(yè)無線電控制系統(tǒng)。在美國(guó)，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(tái)使用。此頻段也常用于低功耗、短距離應(yīng)用，例如車庫門遙控開關(guān)、耳機(jī)、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(gè)雙級(jí)RF低噪聲放大器(LNA)，針對(duì)433.92 MHz ISM頻段中的接收器信號(hào)鏈進(jìn)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(jì)，支持電路與標(biāo)準(zhǔn)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(huì)消減帶外干擾。

該電路中包含高速過載檢測(cè)器和關(guān)斷開關(guān)，用于保護(hù)連接至接收器系統(tǒng)的下游敏感設(shè)備。當(dāng)RF功率水平下降到可接受范圍內(nèi)時(shí)，接收器系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。RF輸入和輸出是標(biāo)準(zhǔn)的SMA連接器，整個(gè)設(shè)計(jì)由一個(gè)微型USB連接器供電。

圖1.CN0555簡(jiǎn)化功能框圖

評(píng)估和設(shè)計(jì)支持

• 電路評(píng)估板
• CN0555電路評(píng)估板(EVAL-CN0555-EBZ)
• 設(shè)計(jì)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(jí)

CN0555在其RF信號(hào)路徑中使用兩個(gè)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(gè)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(diǎn)(P1dB)為21 dBm，三階交調(diào)點(diǎn)(OIP3)為34 dBm。將兩個(gè)ADL5523放大器級(jí)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)40 dB整體增益。

圖2.ADL5523典型S-參數(shù)

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

ADL5523需要使用一個(gè)外部匹配網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的阻抗針對(duì)所需的頻段進(jìn)行調(diào)諧，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化性能。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)包括與RFIN引腳串聯(lián)的電感和一個(gè)并聯(lián)電容。在輸出端，匹配網(wǎng)絡(luò)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(luò)，以及將兩個(gè)ADL5523放大器級(jí)聯(lián)的實(shí)現(xiàn)方案。

圖3.用于級(jí)聯(lián)ADL5523放大器的基本連接

這些元件的正確布局對(duì)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(cè)中針對(duì)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(jìn)行濾波，有助于消除不必要的帶外放大。選擇濾波器時(shí)，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(gè)插入損耗源，它會(huì)降低信號(hào)鏈的整體增益，選擇時(shí)需要仔細(xì)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(gè)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(shí)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(dá)0.5 V的DC信號(hào)，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(shí)的插入損耗為3 dB。在433.92 MHz中心頻率時(shí)，此器件在“導(dǎo)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(dǎo)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(cè)量結(jié)果、無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)、噪聲系數(shù)和穩(wěn)定性測(cè)量值如下圖所示。

在433.92 MHz中心頻率下，CN0555實(shí)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(shí)的單邊帶相位噪聲，在10 Hz、1 MHz和10 MHz偏置時(shí)分別約為-98 dBc/Hz、-131 dBc/Hz和-149 dBc/Hz。

圖7.433 MHz時(shí)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(yīng)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(gè)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(biāo)(B1)高于0，如圖10所示。這使得CN0555在任何源阻抗和負(fù)載阻抗組合下，都能絕對(duì)保持穩(wěn)定。

圖10.穩(wěn)定性因子和測(cè)量值與頻率的關(guān)系

過載保護(hù)

CN0555中集成了過載管理功能，當(dāng)輸出功率達(dá)到預(yù)先設(shè)置的閾值時(shí)，該電路板的RF路徑會(huì)自動(dòng)隔離。此功能使用ADL5904 RF功率檢波器來實(shí)現(xiàn)。

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

圖11.CN0555過載保護(hù)電路

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

其中：

VIN-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。

IOS為輸入偏置電流。

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

表1.工作頻率未校準(zhǔn)時(shí)，推薦的閾值電壓(VIN-)典型值

VIN?的閾值電平由電阻分壓器設(shè)置。選擇R10和R11的絕對(duì)值，盡可能減少3.3 V電源軌上的負(fù)載，同時(shí)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(huì)產(chǎn)生可忽略不計(jì)的224 μA分壓器電流和991 Ω輸出阻抗。

VIN- = 241 mV
IBIAS = 20 μA
R10 = 13.7 kΩ

R11 = 991 Ω或1.02 kΩ（使用標(biāo)準(zhǔn)電阻值）

使用最接近的標(biāo)準(zhǔn)電阻值求解公式1，將VIN-電壓電平設(shè)置為241.9 mV。當(dāng)功率超過閾值時(shí)，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(dá)+2.5 dBm的誤差電平，該值因器件而異。如果需要準(zhǔn)確的閾值功率，必須執(zhí)行簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)程序，以補(bǔ)償器件與器件之間的差異。有關(guān)校準(zhǔn)程序的更多信息，參見ADL5904數(shù)據(jù)手冊(cè)。

自動(dòng)復(fù)位功能

CN0555還包含自動(dòng)復(fù)位電路，當(dāng)功率電平返回到可接受范圍內(nèi)時(shí)激活。此功能由LTC6991可編程低頻率定時(shí)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(fù)位模式。發(fā)生過載事件時(shí)，LTC6991啟用，并且開始4 ms延遲。ADL5904在4 ms后復(fù)位，對(duì)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(hào)進(jìn)入低電平狀態(tài)。這種信號(hào)轉(zhuǎn)變會(huì)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(dòng)復(fù)位電路

過載保護(hù)測(cè)試

圖13顯示了用于測(cè)試CN0555的過載保護(hù)功能的設(shè)置。在該測(cè)試中，RF信號(hào)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(jìn)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(yīng)時(shí)間。

圖13.RF過載響應(yīng)測(cè)試設(shè)置

圖14顯示過載保護(hù)響應(yīng)時(shí)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(yīng)時(shí)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(fù)時(shí)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(hù)響應(yīng)時(shí)間

圖15.發(fā)生過載事件后的典型恢復(fù)時(shí)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(xiàng)電源要求，需要使用兩個(gè)電源電壓。第一個(gè)電源為ADL5523低噪聲放大器、ADL5904 RF檢波器和LTC6991低頻率定時(shí)器提供3.3 V電源。第二個(gè)電源為ADG901 RF開關(guān)提供2.5 V電源。圖16顯示CN0555的整個(gè)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(yīng)用供電。LT3042設(shè)計(jì)用作后接高性能電壓緩沖器的精密電流基準(zhǔn)，可輕松并聯(lián)以便進(jìn)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(gè)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(huì)生成一個(gè)基準(zhǔn)電壓。該基準(zhǔn)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(yīng)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(gè)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(jì)。欲了解更多信息，請(qǐng)參閱CN0534電路筆記。

電路評(píng)估與測(cè)試

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

設(shè)備要求

• EVAL-CN0555-EBZ電路評(píng)估板
• Rohde & Schwarz? SMA100B信號(hào)發(fā)生器
• Keysight? E5052B信號(hào)分析儀
• Keysight N5242A PNA-X矢量網(wǎng)絡(luò)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(cè)試

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

圖18.S參數(shù)和噪聲系數(shù)測(cè)試設(shè)置

測(cè)量S參數(shù)和噪聲系數(shù)的步驟如下：

1. 將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)置為所需的測(cè)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(zhǎng)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(zhǔn)套件對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀執(zhí)行完整的2端口校準(zhǔn)。請(qǐng)注意，EVAL-CN0555-EBZ的RF輸入可以直接連到測(cè)試端口，因此測(cè)試設(shè)置僅需要一根測(cè)量電纜。

3. 使用校準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)置將EVAL-CN0555-EBZ連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)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(luò)分析儀，以顯示各個(gè)S參數(shù)和噪聲系數(shù)的跡線。

6. 將測(cè)量值與期望值進(jìn)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(duì)于增益和噪聲系數(shù)，數(shù)值分別應(yīng)為約40 dB和1.2 dB。

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

圖19.相位噪聲和SFDR測(cè)試設(shè)置

要執(zhí)行相同的測(cè)試，請(qǐng)遵循以下步驟：

1. 按如下步驟設(shè)置信號(hào)分析儀所需的測(cè)量配置：

a. 為了執(zhí)行SFDR測(cè)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(cè)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)分析儀上執(zhí)行測(cè)量運(yùn)行。

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

8. 運(yùn)行SFDR測(cè)試并比較讀數(shù)；期望值約為60 dBc。