在傳統的收發器設計中，50 Ω單端接口廣泛用于RF和IF電路。當電路互連時，它們都應該看到匹配的50 Ω輸出和輸入阻抗。然而，在現代收發器設計中，差分接口經常用于在IF電路中獲得更好的性能，但實現它們需要設計人員面對幾個常見問題，包括阻抗匹配、共模電壓匹配和難以計算的增益。了解發射器和接收器中的差分電路有助于優化增益匹配和系統性能。

差分接口優勢

差分接口有三個主要優點。首先，差分接口可以抑制外部干擾和接地噪聲。其次，可以抑制偶數階輸出失真分量。這對于零中頻（ZIF）接收器非常重要，因為低頻信號中出現的偶數階分量無法濾除。第三，輸出電壓可以是單端輸出的兩倍，從而在給定電源上將輸出線性度提高6 dB。

本文討論三種情況下的接口解決方案：ZIF接收器、超外差接收器和發射器。這三種架構廣泛用于無線遠程無線電單元 （RRU）、數字中繼器和其他無線儀器。

ZIF 接收器接口設計和增益計算

在零中頻（ZIF）接收器設計中，中頻信號很復雜，直流和極低頻信號可提供有用的信息。典型的解調器在驅動200 Ω至450 Ω負載時可以提供最佳性能，而ADC驅動器通常具有50 Ω以外的輸入阻抗，因此將系統與直流耦合電路連接既關鍵又困難。

圖1顯示了使用兩個低噪聲放大器（LNA）、一個ADL5380 400 MHz至6000 MHz正交I/Q解調器、一個作為本振（LO）的寬帶頻率合成器ADF4350和雙通道數字可編程可變增益放大器（VGA）的ZIF接收器配置。表1顯示了相關的ADL5380接口和增益參數。

圖1.ZIF 接收器框圖。

表 1.ADL5380接口和增益參數

當與具有217 Ω差分輸入阻抗的AD8366連接時，ADL5380具有5.9 dB電壓增益和–0.5 dB功率增益[5.9 dB – 10log （217/50）]。為獲得最佳性能，通過將ADL5380 ADJ引腳連接到V，將ADL5380和AD8366之間的共模電壓設置為2.5 VS.在ADL5380和AD8366之間放置一個插入損耗為0.5 dB的差分四階巴特沃茲低通濾波器，可抑制噪聲和不需要的高頻分量。雖然濾波器會導致一些不匹配，但在基帶頻率下是可以容忍的。

表 2.AD8366接口和增益參數

AD8366的共模輸出電壓可設置為2.5 V;當VCM保持浮動時，它具有最佳的線性度。遺憾的是，AD6642在0.9 V共模輸入電壓（0.5 × AVDD）下性能最佳。由于AD8366的共模輸出電壓必須在1.6 V至3 V之間，因此AD6642 VCM和AD8366 VCM端子不能直接連接，必須使用電阻將AD8366共模輸出電壓分壓至0.9 V。

為獲得最佳性能，AD8366應驅動200 Ω負載。為了實現所需的共模電平和阻抗匹配，在AD8366之后增加了63 Ω串聯電阻和39 Ω分流電阻。該電阻網絡將使功率增益衰減4 dB。

AD8366輸出擺幅為6 V p-p，但電阻網絡提供的4 dB衰減將AD6642的電壓限制為2.3 V p-p，從而保護其免受大干擾尖峰或不受控制的增益造成的損壞。

插入損耗為1.5 dB的差分六階巴特沃茲低通濾波器位于AD8366和AD6642之間，用于濾除不需要的高頻元件。I通道的完整差分接口如圖2所示。

圖2.ZIF接收機接口圖及仿真濾波器特性。

為了保留足夠的裕量以考慮增益隨溫度的變化，AD8366在正常模式下的增益設置為16 dB。

在這種配置中，整個信號鏈的增益為

5.9 dB – 10log （217/50） – 0.5 dB + 16 dB – 10log （200/217） – 1.5 dB – 4 dB
= 9.9 dB。

在ADL5380之前級聯插入的兩個LNA可實現32 dB增益。通過將模數轉換器配置為 2V p-p 擺幅和 78 Ω 等效輸入阻抗，它能夠處理 –34dBm 單音 RF 輸入信號。如果輸入信號在調制時峰均比（PAR）為10 dB，則–41 dBm輸入信號是接收器在不更改VGA設置的情況下可以處理的最大信號。

換句話說，電壓增益可用于計算信號鏈鏈路預算。當輸入端口阻抗等于輸出端口阻抗時，電壓增益等于功率增益。整個信號鏈的電壓增益為

32 dB + 5.9 dB – 0.5 dB + 16 dB – 1.5 dB – 8 dB = 43.9 dB。

對于單音信號輸入，要獲得 2V p-p 擺幅范圍，適當的輸入功率為

8 dBm – 43.9 dB + 10log （78/50） = –34 dBm。

結果與計算的功率增益非常匹配。

在某些應用中，ADL5380可能需要直接連接到AD6642，在這種情況下，可以在AD6642差分輸入端增加一個500 Ω電阻，以改善匹配。ADL5380的電壓增益為6.9 dB，共模問題與AD8366相同。應使用 160 Ω 串聯電阻和 100 Ω分流器來實現 500 Ω負載和所需的共模電壓。同樣，電阻網絡將電壓衰減8 dB（功率衰減4 dB）。

插入損耗為1.5 dB的低通濾波器位于ADL5380和AD6642之間，用于濾除不需要的頻率分量。輸入阻抗為50 Ω，輸出阻抗為500 Ω。在這種配置中，整個信號鏈的增益為

6.9 dB – 10log （500/50） – 1.5 dB – 4 dB = –8.6 dB。

超外差接收器接口設計和增益計算

在超外差接收器中，系統使用交流耦合，因此在連接這些電路時不必考慮直流共模電壓。

ADL535x和ADL580x等許多混頻器具有200 Ω差分輸出阻抗，因此不同輸出阻抗的功率增益和電壓增益分別表示。

圖3所示為采用低噪聲放大器ADL5523實現的超外差接收器的一個通道;ADL5356雙通道平衡混頻器，內置LO緩沖器、IF放大器和RF巴倫;低通濾波器;AD8376雙通道超低失真中頻VGA;另一個低通濾波器;以及AD6642雙通道中頻接收器。

圖3.超外差接收器圖;顯示一個頻道。

該設計采用 140MHz IF 和 20MHz 帶寬，因此器件可以交流耦合。

AD5356在200 Ω負載下性能最佳，但AD8376的輸入阻抗為150 Ω。因此，為了抑制混頻器輸出雜散并提供更好的阻抗匹配，差分LC濾波器必須具有200 Ω輸入阻抗和150 Ω輸出阻抗。在必須通過尖銳濾波器抑制輸出帶信號的應用中，可以使用差分SAW濾波器，但這會在接收器信號鏈中引入損耗和群延遲。差分四階帶通巴特沃茲濾波器可能適用于許多無線接收器，因為RF濾波器可以為帶外干擾提供足夠的衰減。

表 3.ADL5356和AD8376接口和增益參數

AD8376的電流輸出電路具有高輸出阻抗，因此差分輸出之間需要150 Ω。另一個差分濾波器必須衰減二次和三次諧波失真分量，因此這個150 Ω負載分為兩部分。首先，在AD8376的輸出端安裝一個300 Ω電阻。另一個300 Ω電阻由兩個165 Ω電阻和ADC的3 kΩ輸入阻抗組成。兩個 165 Ω電阻還為 ADC 輸入提供直流共模電壓。LC濾波器的輸入和輸出阻抗均為300 Ω。完美的源和負載匹配對于高中頻應用非常重要。完整的界面如圖 4 所示。

圖4.超外差接收機接口圖及濾波器仿真結果.

在接收器中，20 dB LNA安裝在混頻器前面。混頻器之后的濾波器具有2 dB的插入損耗;AD8376和ADC之間的濾波器具有1.2 dB的插入損耗。AD8376增益設置為14 dB，以提供足夠的裕量來應對溫度變化。接收器的總增益為

20 dB + 8.2 dB – 2 dB + 14 dB – 1.2 dB = 39 dB.

為了將ADC輸入電壓限制在2 V p-p以下，將功率傳輸到150-Ω電阻（300 Ω ||(165 ? × 2) ||3 k Ω） 應小于 5.2 dBm。因此，對于單音信號，接收器的最大輸入功率為–33.8 dBm。如果輸入信號是10 dB PAR調制信號，則使用此增益設置的最大輸入信號為–40.8 dBm。

發射機接口設計和增益計算

對于Tx通道設計，ZIF和超外差架構具有相似的接口特性，并且都需要TxDAC和調制器之間的直流耦合。大多數調制器的IF輸入電路應由外部直流電壓偏置;TxDAC輸出可在直流耦合模式下為調制器提供直流偏置。大多數高速DAC具有電流輸出，因此需要一個輸出電阻來為調制器產生輸出電壓。?

圖5所示為超外差或ZIF發送器，采用AD9122 TxDAC、低通濾波器、ADL537x正交調制器、另一個RF濾波器、ADF4350頻率合成器、數控VGA、功率放大器和AD562x DAC實現，用于控制功率放大器（PA）的柵極電壓。

圖5.變送器圖。

對于AD9122，滿量程輸出電流可以設置在8.66 mA至31.66 mA之間。對于大于20 mA的滿量程電流，無雜散動態范圍（SFDR）會降低，但DAC的輸出功率和ACPR會隨著滿量程電流設置的降低而降低。一個合適的折衷方案是0 mA至20 mA電流輸出，由20 mA交流電流組成，電流和10 mA直流電平。

表 4.AD9122和ADL5372接口和增益參數

ADL5372的輸入電路需要0.5 V共模電壓，該電壓由流過50 Ω電阻的10 mA直流電流提供。0mA 至 20mA 交流電流由兩個 50 Ω電阻和一個 100 Ω 電阻共享。因此，調制器輸入之間的交流電壓為20 mA ×（（50 × 2） || 100） = 1 V p-p。TxDAC和調制器之間的濾波器可去除不需要的頻率成分。濾波器的輸入和輸出阻抗為100 Ω。完整的界面如圖 6 所示。

圖6.直流耦合發射機IF接口圖及濾波器仿真結果

采用50 Ω輸出時，ADL5372的電壓轉換增益為0.2 dBm。對于13 dB PAR調制器信號，Tx數字預失真過程的平均功率必須至少降低15 dB。ADL5372采用1 V p-p單音輸入時，調制器的平均輸出功率為7.1 dBm – 2.9 dBm = 4.2 dBm。如果考慮低通濾波器的2.2 dBm插入損耗，峰值輸出功率為4.2 dBm – 2.2 dBm = 2 dBm。在這種狀態下，調制器輸出端的平均輸出功率為–10 dBm。

對于11 dBm的平均功率信號，Tx信號鏈中需要一個具有26 dBm P1dB的PA驅動器。如果需要2 dB插入損耗RF濾波器來抑制調制器的LO饋通和邊帶輸出，則增益模塊和PA驅動器必須提供總計21 dB的增益。本應用建議使用集成增益模塊、數字控制衰減器和PA驅動器的ADL5243 VGA。

結論

本文介紹ADC解調器、IF VGA、混頻器和模擬端口的ZIF和超外差接收器差分接口，以及TxDAC和FMOD之間的發送器差分接口，將ADI公司的器件用于信號鏈的有源部分。給出了為這些電路設計的應用濾波器的增益計算和仿真結果。

審核編輯：郭婷