USB供電的5.8 GHz RF LNA接收器，帶輸出功率保護功能
2022-06-10 17:26:21 ADI公司? 電路評估板
? CN0534電路評估板(EVAL-CN0534-EBZ)
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國際電信聯盟(ITU)分配了免許可的5.8 GHz工業、科學和醫學(ISM)無線電頻段供全球使用。隨著無線技術和標準的進步，以及最低的法規合規要求，使此頻段在短距離無線通信系統中頗受歡迎。
因為可用的通道數量和帶寬，短距離數字通信應用（例如WiFi）更傾向于使用5.8 GHz頻段。雖然傳輸范圍比2.4 GHz頻段要短，但它提供150 MHz帶寬，可支持高達23個非重疊WiFi通道。其他常見用例包括軟件定義無線電、無線接入點、公共安全無線電、無線中繼器、毫微微蜂窩、長期演進(LTE)/微波存取的全球互操作性(WiMAX)/4G、收發器基站(BTS)基礎設施。
這種設計尺寸小巧，提供高增益、可靠的過功率監測和保護，對于面臨信號強度低，或覆蓋范圍小的ISM頻段應用來說，這是一項附加優勢。
圖1所示的電路來自高性能RF接收器系統，具有+23 dB增益，優化之后，支持采用5.8 GHz中心頻率。其輸入未經濾波，保持2 dB噪聲系數，但輸出端配有帶通濾波器，會衰減帶外干擾。
該電路中包含高速過功率檢測器和開關，用于保護連接至接收器系統的下游敏感設備。當RF功率電平下降到可接受范圍內時，接收器系統也會自動恢復正常運行。RF輸入和輸出是標準的SMA連接器，整個設計由一個微型USB連接器供電。
圖1.EVAL-CN0534-EBZ簡化功能框圖
ADI公司的Circuits from the Lab?電路由ADI工程師設計構建。每個電路的設計和構建都嚴格遵循標準工程規范，電路的功能和性能都在實驗室環境中以室溫條件進行了測試和檢驗。然而，您需負責自行測試電路，并確定對您是否適用。因而，ADI公司將不對由任何原因、連接到任何所用參考電路上的任何物品所導致的直接、間接、特殊、偶然、必然或者懲罰性的損害負責。(下接最后一頁)
HMC717A是一款砷化鎵(GaAs)假晶高電子遷移率晶體管(PHEMT)、單芯片微波集成電路(MMIC) LNA，適用于工作頻率為4.8 GHz至6.0 Ghz，適合多種信號通信協議（例如ISM、MC-GSM、W-CDMA和TD-SCDMA）的后端接收器。
如圖2所示，在其RF工作頻段內，HMC717A具有14.5 dB增益。噪聲系數為1.1 dB，放大器由一個5 V電源供電，總電源電流為68 mA。為了實現23 dB總增益，將兩個HMC717A放大器級聯。HMC717A提供1.1 dB噪聲系數、27 dBm 3階交調點(IP3)和15 dB壓縮點(P1dB)，適用于第一級LNA，也適用于中間增益級。
圖2.HMC717A寬帶增益(S21)和回波損耗(S11)與頻率的關系
如圖3所示，HMC717A的RFIN（引腳2）和RFOUT（引腳11）引腳是單端引腳，在4.8 GHz至6.0 GHz頻率范圍內具有50Ω標稱電阻，允許HMC717A直接連接至50Ω端接系統，無需使用額外的阻抗匹配電路。
RFOUT具有集成式隔直流電容，所以無需在第二級采用外部電容，支持在不使用外部匹配電路的情況下以背靠背的方式將多個HMC717A放大器級聯在一起。唯一的要求是，第一級的RFIN必須與1.2 pF電容交流耦合。
圖3.用于級聯HMC717A放大器的基本連接
LNA輸出被帶通濾波器濾波。如圖4所示，該濾波器的通帶范圍為5400 MHz至6400 MHz，典型的回波損耗為14.7 dB，在5.8 GHz中心頻率下的插入損耗為1.6 dB。
圖4.帶通濾波器的典型電氣性能：插入損耗(S21)和回波損耗(S11)
相對較低的功率電平會損壞敏感電路。例如，AD9363收發器的RF輸入的絕對最大功率電平為+2.5 dBm。CN0534包含一個過功率保護，當功率電平下降到可接受范圍內時，運行自動復位電路，如圖5所示。
圖5.RF衰減器和功率檢波器保護框圖
ADL5904是一款RF功率檢波器，工作頻率范圍是DC至6 GHz。建議在ADL5904的輸入端配備一個470 nF交流耦合電容和一個外部82.5Ω分流電阻，以提供寬頻段輸入匹配。ADL5904使用內部RF包絡檢波器和用戶定義的輸入電壓，根據RF輸入功率電平提供可編程的閾值檢測功能。當來自RF包絡檢波器的電壓超過VIN?引腳上用戶定義的閾值電壓時，內部比較器將事件鎖存到觸發器上。超過用戶編程閾值的RF輸入信號至輸出鎖存的響應時間為極快的12 ns。鎖存事件保持在觸發器上，直至對RST引腳施加復位脈沖。
CN0534的帶通濾波器的輸出功率電平由一個耦合因子為+13 dB的集成薄膜耦合器采樣，并轉發到ADL5904的RFIN引腳。ADL5904在VIN?上的閾值電平由一個電阻分壓器設置，值設置為約32 mV，相當于在未經校準的情況下，在5.8 GHz下運行時的?9 dBm閾值功率，如ADL5904數據手冊所示。結合耦合器和RF衰減器在0 dB狀態下的損耗，輸出保持在對敏感器件來說安全的水平下。
如果需要更高的過功率閾值精度，可以在多個頻率下執行簡單的校準程序，以補償系統內器件之間的差異。關于校準程序的信息，參見ADL5904數據手冊。
在正常運行期間，ADL5904的Q輸出使LTC6991可編程低頻率定時器保持復位狀態。發生過功率事件時，LTC1991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。如果過功率狀態持續，ADL5904再次斷路，衰減器保持在-20 dB狀態。衰減器控制信號被延遲，在對功率電平重新采樣期間，它將持續保持-20 dB狀態。如果過功率情況消除，衰減器恢復到0 dB狀態，恢復正常工作，如圖6所示。
圖6.自動重試電路功能框圖
HMC802A是一款寬帶雙向1位GaAs IC數字衰減器。該器件在旁路模式下，在5.8 GHz頻率下具有1.5 dB低插入損耗，啟用時具有20±0.6 dB準確衰減。由一個5 V電源供電，IP3為+55 dBm，衰減控制信號兼容CMOS/TTL。雖然RF開關通常用于過功率保護應用，但在5.8 GHz下，HMC802A的20 dB衰減要優于大多數RF開關的關斷隔離狀態。
如圖7所示，在5.8 GHz中心頻率下，該器件在旁路模式下的典型插入損耗為1.5 dB。圖8顯示在5.8 GHz中心頻率下，衰減模式下的隔離系數為-20.5 dB。
圖7.在旁路模式下時，HMC802A的典型插入損耗和輸入回波損耗性能
圖8.在衰減模式下時，HMC802A的典型插入損耗和輸入回波損耗性能
組合來自帶通濾波器、耦合器和來自RF衰減器的插入損耗，在5.8 GHz中心頻率下，在正常工作條件下，RF衰減器輸出端的總插入損耗約為3 dB，在衰減模式下時，約為21.5 dB。
使用圖9所示的設置測試過功率保護功能。RF信號發生器的輸出頻率設置為5.8 GHz，CN0534的輸入功率從-30 dBm增加到-20 dBm。CN0534的輸出功率由ADL6010高速包絡檢波器監控，該檢波器提供從過功率事件到輸出功率衰減的響應時間的精確測量值。
圖10.典型的過功率保護響應時間
圖11.過載保護狀態后，典型的恢復時間
一旦觸發，檢波器鎖存在250 Hz的頻率下復位，如果輸出功率下降到低于2.5 dBm，則輸出開關啟用。開關使能信號被延遲，以確保它不會在過功率情況仍然存在時被確認。結果如圖10和圖11所示。
升壓轉換器
圖12顯示EVAL-CN0534-EBZ功率樹，它通過微型USB接口，從5 V電源消耗1.1 W功率。
圖12.CN0534系統功率架構
LT8335是一款電流模式DC/DC轉換器，能夠利用單個反饋引腳生成正或負輸出電壓。它可以配置為升壓、SEPIC或反相轉換器，消耗低至6μA靜態電流。在典型應用中，低紋波突發模式可在低輸出電流時保持高效率，同時使輸出紋波保持在15 mV以下。內部補償電流模式架構可在寬輸入和輸出電壓范圍內穩定工作。集成軟啟動和頻率折返功能，以便在啟動期間控制電感電流。要配置LT8335提供5.6 V輸出，所需的基本連接如圖13所示。
圖13.LT8335的5.6V輸出框圖
輸出電壓通過輸出端和FBX引腳之間的電阻分壓器進行編程。根據公式1選擇電阻值，以提供正輸出電壓：
ADM7150是一款超低噪聲高PSSR RF線性穩壓器，使用5 V輸出來盡量增大HMC717A的增益。
ADM7150是一款低壓差線性穩壓器，在固定輸出電壓選擇下，在100 Hz到100 kHz范圍內提供1.0 μV rms典型輸出噪聲，在10 kHz以上提供<1.7 nV/√Hz噪聲譜密度，如圖14所示。
圖14.不同旁路電容(CBYP)下的噪聲譜密度與頻率
ADP150用于為功率檢波器和自動重試電路生成3.3 V電壓。如圖15所示，它是一個高性能低壓差線性穩壓器，具有超低噪聲和超高PSRR架構，用于為噪聲敏感型RF應用供電。
圖15.ADP150 PSSR與頻率的關系
為了實現更寬的工作帶寬，可以使用HMC8411來代替RF LNA。HMC8411是一款低噪聲寬帶放大器，工作頻率范圍為0.01 GHz到10 GHz。它提供15.5 dB典型增益、1.7 dB典型噪聲系數和34 dBm典型輸出3階交調點功率(OIP3)，采用5 V電源電壓時功耗僅為55 mA。HMC8411還具有內部匹配50 Ω的輸入和輸出，非常適合基于表貼技術(SMT)的高容量微波無線電應用。
HMC550A可用于代替RF開關。它是一款低成本單刀單擲(SPST)故障安全開關，用于需要低插入損耗和低電流消耗的應用。這些器件可控制頻率范圍為DC至6 GHz的信號，尤其適合IF和RF應用，包括RFID、ISM、汽車和電池供電標簽和筆記本電腦。
ADL6010可以用作包絡檢波器替代組件，是一款快速響應、45 dB范圍、0.5 GHz至43.5 GHz包絡檢波器。ADL6010是一款多功能微波頻譜寬帶包絡檢波器，采用簡單的6引腳封裝，提供極低的功耗(8 mW)。該器件輸出的基帶電壓與射頻(RF)輸入信號的瞬時幅度成正比。它的RF輸入具有非常小的斜率變化，以便包絡從0.5 GHz到43.5 GHz的輸出轉換函數。
以下部分概述評估CN0534性能的一般設置。如需完整的詳細信息，請參閱CN0534用戶指南。
? EVAL-CN0534-EBZ參考設計板
? 一個RF信號源(R&S? SMA100B)
? 一個信號源分析儀(Keysight E5052B SSA)
? 一個網絡分析儀(Keysight N5242A PNA-X)
? 一根SMA至SMA電纜
? 一根micro USB至USB電纜
? 5 V交流/直流USB電源適配器
圖16.相位噪聲和SFDR測試設置框圖
要測量圖16所示的相位噪聲和SFDR，請執行以下步驟：
1. 按如下步驟設置信號源的測量配置：
? 為了執行SFDR測量，設置中心頻率 = 5.8 Ghz，頻率范圍 = 5.79 GHz至5.81 GHz，RF幅值 = 10 dBm。
? 為了執行相位噪聲測量，設置中心頻率 = 5.8 Ghz，偏移頻率范圍 = 10 Hz至30 MHz。如果設備可以處理放大器輸出（0 dBm輸入時約為20 dBm），請參考信號源分析儀數據手冊上的最大輸入電平。如有必要，將衰減器連接到信號源分析儀的輸入。
2. 將信號源發生器的功率電平設置為0 dBm，中心頻率設置為5.8 GHz。
3. 使用micro USB電纜和額定功率大于500 mW的5V電源適配器為EVAL-CN0534-EBZ供電。
4. 將信號發生器的輸出連接到EVAL-CN0534-EBZ的RF輸入(J2)。
5. 將EVAL-CN0534-EBZ的RF輸出(J1)連接到信號源分析儀。
6. 在信號源分析儀上執行測量運行。
圖17.S參數和噪聲系數測試設置框圖
要測量圖17所示的S參數和噪聲系數，請執行以下步驟：
1. 將矢量網絡分析儀設置為所需的測量條件，采用以下設置：
? 為了執行S參數測量，設置頻率范圍 = 4.8 GHz至6.8 GHz。
? 為了執行相位噪聲測量，設置頻率范圍 = 5.3 GHz至6.8 GHz。
2. 使用校準套件對矢量網絡分析儀執行完整的2端口校準。請注意，EVAL-CN0534-EBZ的RF輸入(J2)可以直接連到測試端口，因此測試設置僅需要一根測量電纜。
3. 使用5 V電源適配器和microUSB電纜為EVAL-CN0534-EBZ供電。
4. 使用校準的測試設置將EVAL-CN0534-EBZ連接在矢量網絡分析儀的測試端口上。
5. 將測量值設置為所需的S參數。
6. 在矢量網絡分析儀上執行自動縮放功能。如果需要，隨后可調整比例。
EVAL-CN0534-EBZ在5.8 GHz中心頻率下，將RF信號輸入放大約+23 dB增益，回波損耗為?15 dB。圖18和圖19顯示了EVAL-CN0534-EBZ的增益和回波損耗。
圖18.EVAL-CN0534-EBZ增益與頻率的關系
圖19.EVAL-CN0534-EBZ輸入回波損耗與頻率的關系
5.8 GHz時的單邊帶相位噪聲如圖20所示。
圖20.EVAL-CN0534-EBZ在5.8 GHz下的單邊帶相位噪聲與偏移頻率的關系
圖21顯示窄帶單音RF輸出，SFDR約為78 dBFS。
圖21.EVAL-CN0534-EBZ在5.8 GHz時的窄帶單音RF輸出
圖22顯示相應的噪聲值與頻率的關系，在5.8 GHz中心頻率下約為2 dB。
圖22.EVAL-CN0534-EBZ噪聲系數與頻率的關系
ESD Caution
ESD警告
ESD（靜電放電）敏感器件。帶電器件和電路板可能會在沒有察覺的情況下放電。盡管本產品具有專利或專有保護電路，但在遇到高能量ESD時，器件可能會損壞。因此，應當采取適當的ESD防范措施，以避免器件性能下降或功能喪失。
（上接第一頁）Circuits from the Lab電路僅供與ADI公司產品一起使用，并且其知識產權歸ADI公司或其授權方所有。雖然您可以在產品設計中使用參考電路，但是并未默認授予其它許可，或是通過此參考電路的應用及使用而獲得任何專利或其它知識產權。ADI公司確信其所提供的信息是準確可靠的。不過，Circuits from the Lab電路是以“原樣”的方式提供的，并不具有任何性質的承諾，包括但不限于：明示、暗示或者法定承諾，任何適銷性、非侵權或者某特定用途實用性的暗示承諾，ADI公司無需為參考電路的使用承擔任何責任，也不對那些可能由于其使用而造成任何專利或其它第三方權利的侵權負責。ADI公司有權隨時修改任何參考電路，恕不另行通知。
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