X-Amp ™, A New 45-dB, 500-MHz Variable-Gain Amplifier (VGA) Simplifies Adaptive Receiver Designs

Εισαγωγή Ο σχεδιασμός ασύρματου εξοπλισμού επικοινωνιών ξεκινά συνήθως με στρατηγικό προσδιορισμό και ανάλυση αλυσίδας σημάτων. Το σχήμα θορύβου (NF), η γραμμικότητα, η παραμόρφωση και το δυναμικό εύρος πρέπει να ληφθούν υπόψη σε ένα πρώιμο στάδιο του κύκλου ανάπτυξης του προϊόντος για να προσδιοριστούν σωστά οι προδιαγραφές των συστατικών για κάθε στοιχείο στη διαδρομή σήματος. Η ανάλυση προϋπολογισμού αλυσίδας σήματος επιτρέπει στους σχεδιαστές να επιλέγουν γρήγορα στοιχεία, να αναλύουν και να συγκρίνουν την απόδοση των αρχιτεκτονικών σχεδιασμού που εξετάζονται. Η πρόκληση είναι μεγαλύτερη στα συστήματα κινητών επικοινωνιών, όπου πρέπει να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στη φασματική επιλεκτικότητα, τη γραμμικότητα και τους μηχανισμούς θορύβου που σχετίζονται με τα μπλοκ σημάτων RF και IF. Οι δέκτες μπορούν να σχεδιαστούν για να παρέχουν προσαρμοστική ευαισθησία στην εισερχόμενη ισχύ σήματος χρησιμοποιώντας μεταβλητό κέρδος στις χαμηλότερες συχνότητες IF, όπου είναι ευκολότερο να χειριστεί το σήμα ενδιαφέροντος. Ο περισσότερος φασματικός καθαρισμός (συχνότητα διαμόρφωσης και φιλτραρίσματος) τείνει να εφαρμόζεται στις χαμηλότερες συχνότητες IF όπου τα φίλτρα διέλευσης πολύ στενής ζώνης μπορούν εύκολα να πραγματοποιηθούν με τη χρήση συσκευών SAW, κρυστάλλων και παθητικών δικτύων φίλτρων RLC. Μετά από ακριβή επιλογή καναλιού, μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτόματο κύκλωμα ελέγχου κέρδους (AGC) για την κλιμάκωση του ληφθέντος σήματος στο επιθυμητό επίπεδο. Η χρήση του AGC δίνει ένα σχέδιο δέκτη του οποίου η ευαισθησία ποικίλλει, με βάση την ισχύ του σήματος που λαμβάνεται. Η προσαρμοστική ευαισθησία μειώνει τις επιπτώσεις της απόστασης που είναι εγγενείς σε κινητά περιβάλλοντα με ξεθώριασμα καναλιών. Οι ενισχυτές μεταβλητού κέρδους υψηλής απόδοσης είναι συχνά απαραίτητοι για να παρέχουν το απαιτούμενο δυναμικό εύρος και απόδοση θορύβου. Ιστορικό Οι ενισχυτές μεταβλητής απόδοσης (VGA) έχουν χρησιμοποιηθεί σε μια ποικιλία εξοπλισμού τηλεπισκόπησης και επικοινωνιών για περισσότερο από μισό αιώνα. Οι εφαρμογές που κυμαίνονται από υπερήχους, ραντάρ, lidar έως ασύρματες επικοινωνίες - ακόμη και ανάλυση ομιλίας - έχουν χρησιμοποιήσει μεταβλητό κέρδος σε μια προσπάθεια να ενισχύσουν τη δυναμική απόδοση. Τα πρώτα σχέδια επέτυχαν επιλογή κέρδους με τη μετάδοση σταδίων ενισχυτή σταθερού κέρδους για τη ρύθμιση της ευαισθησίας του δέκτη με δυαδικό τρόπο. Μεταγενέστερες εφαρμογές χρησιμοποίησαν εξασθενητές βημάτων ακολουθούμενοι από ενισχυτές σταθερού κέρδους για να επιτύχουν ένα ευρύτερο φάσμα διακριτού ελέγχου κέρδους. Τα μοντέρνα σχέδια επιτυγχάνουν συνεχές κέρδος ελεγχόμενο από τάση, χρησιμοποιώντας αναλογικές τεχνικές, με μέσα όπως εξασθενητές μεταβλητής τάσης (VVA), αναλογικούς πολλαπλασιαστές και παρεμβολείς κέρδους. Εικόνα 1. Τυπικές αρχιτεκτονικές μεταβλητού κέρδους. Μια ποικιλία αρχιτεκτονικών χρησιμοποιούνται συνήθως για την παροχή συνεχούς και διακριτού ελέγχου μεταβλητού κέρδους. Εφαρμογές όπως ο αυτόματος έλεγχος κέρδους συχνά απαιτούν συνεχή αναλογικό έλεγχο κέρδους. Τα πιο απλά σχέδια χρησιμοποιούν αναλογικούς πολλαπλασιαστές που ακολουθούνται από ενισχυτές buffer σταθερού κέρδους. Τέτοια σχέδια συχνά περιλαμβάνουν μια μη γραμμική λειτουργία ελέγχου κέρδους που απαιτεί βαθμονόμηση. Επιπλέον, οι πολλαπλασιαστικοί πυρήνες υποφέρουν από εξαρτήσεις από τη θερμοκρασία και την τάση τροφοδοσίας που μπορεί να οδηγήσουν σε κακή ακρίβεια και σταθερότητα του νόμου κέρδους, καθώς και απαράδεκτες παραλλαγές κέρδους υψηλής συχνότητας. Τα σχέδια που χρησιμοποιούν αρχιτεκτονικές προενισχυτή/εξασθενητή/μετα-ενισχυτή μπορούν να παρέχουν λειτουργία χαμηλού θορύβου και καλό εύρος ζώνης, αλλά τείνουν να έχουν αρκετά χαμηλή παρεμβολή τρίτης τάξης εισόδου (IIP3), περιορίζοντας την ικανότητά τους να εκτελούν σε δέκτες υψηλής δυναμικής εμβέλειας Το Μια άλλη κατηγορία λύσεων χρησιμοποιεί εξασθενητές μεταβλητής τάσης, ακολουθούμενοι από μετα-ενίσχυση σταθερού κέρδους. Οι VVA μπορούν να παρέχουν μια ακριβή συνάρτηση μεταφοράς εξασθένησης, η οποία είναι γραμμική σε dB, αλλά συχνά είναι απαραίτητο να σχηματιστούν πολλαπλά VVA για να παρέχεται επαρκές εύρος εξασθένησης. Ο καταρράκτης οδηγεί σε αυξημένη ευαισθησία στις παραλλαγές της συνάρτησης μεταφοράς εξασθένησης. Μερικές φορές είναι απαραίτητο να προενισχυθεί το σήμα για να ρυθμιστεί η πηγή σήματος από τα αποτελέσματα φόρτωσης του VVA, καθώς και να μειωθεί η επίδραση του εξασθενητή στο σχήμα θορύβου. Το υψηλό κέρδος που απαιτείται για να αποδώσει ένα χαμηλό ποσοστό θορύβου οδηγεί σε μειωμένη είσοδο τρίτης τάξης εισόδου. Εικόνα 2. Αρχιτεκτονική του AD8367 X-Amp VGA. Η AD8367 X-AMP VGA με AGC Η αρχιτεκτονική X-AMP, που δημιουργήθηκε πριν από δέκα χρόνια με τις Αναλογικές Συσκευές AD600 και AD602, (Analog Dialogue 26-2, 1992), επιτρέπει μια γραμμική-σε-dB λειτουργία ελέγχου-κέρδους που είναι ουσιαστικά ανεξάρτητα από τη θερμοκρασία. Περιλαμβάνει ένα δίκτυο ανθεκτικής σκάλας, μαζί με ένα πολύ γραμμικό ενισχυτή και στάδιο παρεμβολής, για να παρέχει μια συνεχή λειτουργία ελέγχου γραμμικού-σε-dB κέρδους. Το AD8367 (Εικόνα 2) είναι η τελευταία γενιά VGA X-AMP. Ο σχεδιασμός του υλοποιείται σε μια νέα εξαιρετικά γρήγορη-συμπληρωματική-διπολική διαδικασία (XFCB2.0) που παρέχει μέτριο κέρδος σε εκατοντάδες MHz και βελτιωμένη γραμμικότητα σε υψηλότερες συχνότητες από ό, τι μέχρι τώρα με συμβατική επεξεργασία ημιαγωγών. Όπως δείχνει το Σχήμα 2, το σήμα εισόδου εφαρμόζεται σε ένα ανθεκτικό δίκτυο κλίμακας 9 σταδίων R-nR, σχεδιασμένο να παράγει βήματα εξασθένησης 5 dB μεταξύ των σημείων βρύσης. Ο ομαλός έλεγχος κέρδους επιτυγχάνεται ανιχνεύοντας τα σημεία βρύσης με στάδια μεταβλητής διαπερατότητας (gm). Ανάλογα με την τάση ελέγχου κέρδους, ένας παρεμβολέας επιλέγει ποια στάδια είναι ενεργά. Για παράδειγμα, εάν το πρώτο στάδιο είναι ενεργό, ανιχνεύεται το σημείο βρύσης 0-dB. εάν το τελευταίο στάδιο είναι ενεργό, ανιχνεύεται το σημείο 45-dB. Τα επίπεδα εξασθένησης που πέφτουν μεταξύ των σημείων βρύσης επιτυγχάνονται με την ταυτόχρονη ενεργή γειτονική βαθμίδα gm, δημιουργώντας ένα σταθμισμένο μέσο όρο των διακριτών μειώσεων του σημείου βρύσης. Με αυτόν τον τρόπο, συντίθεται μια ομαλή, μονοτονική, γραμμική λειτουργία εξασθένισης με πολύ ακριβή κλίμακα. Η ιδανική συνάρτηση μεταφοράς γραμμικής σε dB μπορεί να εκφραστεί ως: (1) όπου MY είναι η κλίμακα κέρδους (κλίση) που συνήθως εκφράζεται σε dB/V, τυπικά 50 dB/V (ή 20 mV/dB) BZ είναι η διακοπή κέρδους σε dB, τυπικά –5 dB, το παρεκτεινόμενο κέρδος για VGAIN = 0 V. Το VGAIN είναι η τάση ελέγχου κέρδους Το βασικό περίγραμμα σύνδεσης του AD8367, η λειτουργία μεταφοράς κέρδους και το τυπικό μοτίβο σφάλματος κέρδους απεικονίζονται στην Εικόνα 3, που δείχνει την κλίση της συνάρτησης μεταφοράς κέρδους 50 dB/V και –5-dB παρεμβολή σε ένα κέρδος- εύρος τάσης ελέγχου 50 mV ≤ VGAIN 950mV. Η συσκευή επιτρέπει την αναστροφή της κλίσης κέρδους από ένα απλό λουρί καρφιτσών του πείρου MODE. Η αντίστροφη λειτουργία κέρδους είναι βολική σε εφαρμογές αυτόματου ελέγχου κέρδους (AGC), όπου η λειτουργία ελέγχου κέρδους προέρχεται από έναν ενσωματωτή σφαλμάτων, ο οποίος συγκρίνει την ανιχνευμένη ισχύ εξόδου σε ένα προκαθορισμένο επίπεδο καθορισμένου σημείου. Ένας ανιχνευτής τετραγωνικού νόμου και ο ενσωματωτής σφαλμάτων, ενσωματωμένος στο τσιπ, επιτρέπουν τη χρήση της συσκευής ως αυτόνομο υποσύστημα AGC. Εικόνα 3. Βασικό κύκλωμα εφαρμογής AD8367 VGA και λειτουργία μεταφοράς κέρδους-ελέγχου, εμφανίζοντας τυπικά σφάλματα σε διάφορες θερμοκρασίες. Ένα τυπικό αυτόνομο κύκλωμα AGC φαίνεται στο σχήμα 4, μαζί με την απόκριση χρονικού πεδίου σε ένα βήμα τάσης εισόδου 10-dB. Σε αυτό το παράδειγμα η είσοδος σήματος είναι ημιτονοειδές 70-MHz και η είσοδός του διαμορφώνεται κατά βήμα από –17 έως –7 dBm (αναφέρεται στα 200 ohm). Η ισχύς του σήματος εξόδου μετριέται ως τάση από τον εσωτερικό ανιχνευτή τετραγωνικού νόμου και συγκρίνεται με μια εσωτερική αναφορά rms 354-mV. Η έξοδος του ανιχνευτή είναι ένα ρεύμα, το οποίο είναι ενσωματωμένο χρησιμοποιώντας έναν εξωτερικό πυκνωτή, CAGC. Η τάση που αναπτύσσεται στον πυκνωτή CAGC οδηγεί τον πείρο GAIN να μειώσει ή να αυξήσει το κέρδος. Ο βρόχος σταθεροποιείται όταν η τιμή rms του επιπέδου σήματος εξόδου γίνει ίση με την εσωτερική αναφορά 354-mV. Όταν το σήμα εισόδου είναι μικρότερο από 354-mV rms, ο πείρος DETO βυθίζει ρεύμα που μειώνει την τάση στον πείρο GAIN. Καθώς το σήμα εισόδου αυξάνεται πάνω από 354 mV rms, το ρεύμα πηγής ακροδεκτών DETO προκαλεί αύξηση της τάσης στον πείρο GAIN. Σε αυτήν την εφαρμογή απαιτείται η αντίστροφη λειτουργία κέρδους για να διασφαλιστεί ότι το κέρδος μειώνεται όταν η τιμή rms του σήματος εισόδου υπερβεί την εσωτερική αναφορά. Η προκύπτουσα τάση που εφαρμόζεται στον πείρο GAIN, VAGC, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένδειξη ισχύος σήματος λήψης (RSSI), που αντιπροσωπεύει την ισχύ σήματος εισόδου σε σύγκριση με μια αναφορά rms 354-mV. Για μια ημιτονοειδή κυματομορφή αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα σήμα εξόδου 1-V pp για φορτίο 200 ohm. Εικόνα 4. Βασικό κύκλωμα εφαρμογής AD8367 AGC και απόκριση χρονικού πεδίου στα 70 MHz. Ανάλυση αλυσίδας σήματος Μια σύγχρονη αρχιτεκτονική υπερθεροδίνης απεικονίζεται στο σχήμα 5. Το AD8367 χρησιμοποιείται στη διαδρομή λήψης (Rx) για προσαρμοστική προσαρμογή του συνολικού κέρδους του δέκτη καθώς αλλάζει το επίπεδο σήματος RF. Στη διαδρομή μετάδοσης (Tx), το AD8367 χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με έναν ανιχνευτή ισχύος RF για να διατηρήσει ένα επιθυμητό επίπεδο ισχύος εξόδου. Εικόνα 5. Αρχιτεκτονική Superheterodyne χρησιμοποιώντας VGA για έλεγχο επιπέδου IF. Τα VGA χρησιμοποιούνται στα ενδιάμεσα στάδια συχνότητας για να προσαρμόσουν τη συνολική ευαισθησία του δέκτη προσαρμοστικά και να ελέγξουν τα επίπεδα μεταδιδόμενης ισχύος. Λαμβάνοντας υπόψη τη διαδρομή λήψης, η συνολική ευαισθησία και το δυναμικό εύρος μπορούν να εκτιμηθούν χρησιμοποιώντας ανάλυση προϋπολογισμού διαδρομής σήματος. Για αυτό το παράδειγμα επιλέχθηκε ένα σήμα PCS-CDMA, χρησιμοποιώντας εύρος ζώνης θορύβου 1-MHz. Λειτουργώντας αντίστροφα από την έξοδο του AD8367 IF VGA, η ευαισθησία εισόδου και το δυναμικό εύρος μπορούν να αναλυθούν. Το σχήμα 6 αντιπροσωπεύει μια λεπτομερή ανάλυση προϋπολογισμού από την είσοδο του δέκτη στην έξοδο του IF VGA. Εικόνα 6. Ανάλυση προϋπολογισμού διαδρομής Rx για CDMA 1900-MHz με IF 70-MHz. Στο παραπάνω παράδειγμα, οι έλεγχοι AD8367 έλαβαν επίπεδα σήματος πριν από τον αποδιαμορφωτή I&Q. Το AD8367 είναι ένα παράδειγμα VGA που χρησιμοποιεί μεταβλητή εξασθένηση ακολουθούμενη από έναν ενισχυτή μετά το κέρδος. Αυτό το στυλ VGA θα παρουσιάζει ουσιαστικά ένα σταθερό OIP3 και ένα σχήμα θορύβου που ποικίλλει ανάλογα με τη ρύθμιση κέρδους. Το AD8367 παρέχει ελάχιστο ποσοστό θορύβου στο μέγιστο κέρδος και μέγιστη είσοδο τρίτης τάξης με ελάχιστο κέρδος. Αυτός ο μοναδικός συνδυασμός επιτρέπει τον δυναμικό έλεγχο της ευαισθησίας και της γραμμικότητας εισόδου ενός δέκτη, με βάση την ισχύ του σήματος που λαμβάνεται. Το AD8367 (κάντε κλικ σε αυτόν τον σύνδεσμο για τα φύλλα δεδομένων και περισσότερες πληροφορίες) χαρακτηρίζεται σε θερμοκρασία από –40 έως +85 ° C και συσκευάζεται σε πακέτο μικρού περιγράμματος μικρού μεγέθους 14 μολύβδου (TSSOP). Λειτουργεί με μία μόνο τροφοδοσία 3 έως 5 βολτ. Η συσκευή έχει εύρος ζώνης –3-dB 500 MHz. και το φύλλο δεδομένων του παρέχει λεπτομερείς προδιαγραφές σε κοινές συχνότητες IF - όπως 70 MHz, 140 MHz, 190 MHz και 240 MHz. Εάν διαβάζετε το PDF ή την έντυπη έκδοση αυτού του άρθρου, επισκεφτείτε τη διεύθυνση www.analog.com για να κατεβάσετε το φύλλο δεδομένων ή να ζητήσετε δείγματα. Το AD8367 διατίθεται κανονικά από απόθεμα και διατίθεται επίσης πίνακας αξιολόγησης. Ευχαριστίες Το πρωτοποριακό AD8367 σχεδιάστηκε από τους Barrie Gilbert και John Cowles.

Αφήστε μήνυμα 

Λίστα μηνυμάτων