X-Amp ™, un nou amplificador de guany variable de 45 dB i 500 MHz (VGA) que simplifica els dissenys de receptors adaptatius

Introducció El disseny d'equips de comunicacions sense fil normalment comença amb la definició i anàlisi estratègica de la cadena de senyal. Cal tenir en compte la Figura de soroll (NF), la linealitat, la distorsió i el rang dinàmic en una etapa inicial del cicle de desenvolupament del producte per identificar adequadament les especificacions dels components de cada element del recorregut del senyal. L'anàlisi del pressupost de la cadena de senyal permet als dissenyadors seleccionar ràpidament components, analitzar i comparar el rendiment de les arquitectures de disseny que s'estan considerant. El repte és més gran en els sistemes de comunicacions mòbils, on s'ha de centrar una atenció especial en la selectivitat espectral, la linealitat i els mecanismes de soroll associats als blocs de senyal de RF i FI. Els receptors es poden dissenyar per proporcionar una sensibilitat adaptativa a la força del senyal entrant mitjançant l'ús de guany variable a les freqüències de FI més baixes, on és més fàcil manipular el senyal d'interès. La majoria de la preparació espectral (configuració i filtrat de freqüències) tendeix a implementar-se a les freqüències inferiors de l’IF, on es poden realitzar fàcilment filtres de pas de banda molt estreta mitjançant l’ús de dispositius SAW, cristalls i xarxes de filtres RLC d’elements agrupats passius. Després d'una selecció precisa del canal, es poden emprar circuits de control de guany automàtic (AGC) per escalar el senyal rebut al nivell desitjat. L’ús d’AGC proporciona un disseny de receptor la sensibilitat del qual varia, segons la intensitat del senyal rebut. La sensibilitat adaptativa redueix els efectes de la distància inherents als entorns mòbils de canals que s’esvaeixen. Els amplificadors de guany variable d’alt rendiment sovint són necessaris per proporcionar el rendiment dinàmic i el soroll necessaris. Antecedents Els amplificadors de guany variable (VGA) s’han utilitzat en diversos equips de teledetecció i comunicacions durant més de mig segle. Aplicacions que van des d'ultrasons, radar, lidar a comunicacions sense fils, i fins i tot anàlisi de veu, han utilitzat guanys variables en un intent de millorar el rendiment dinàmic. Els primers dissenys van aconseguir la selecció de guanys mitjançant el canvi d’etapes de l’amplificador de guany fix per ajustar la sensibilitat del receptor de manera binària. Implementacions posteriors van utilitzar atenuadors de pas seguits d'amplificadors de guany fix per aconseguir una gamma més àmplia de control de guany discret. Els dissenys moderns aconsegueixen un guany continu controlat per voltatge, mitjançant tècniques analògiques, per mitjà d’atenuadors de tensió variable (VVA), multiplicadors analògics i interpoladors de guany. Figura 1. Arquitectures típiques de guany variable. Normalment s’utilitzen una varietat d’arquitectures per proporcionar un control de guany variable tant continu com discret. Aplicacions com el control automàtic de guanys sovint requereixen un control de guany analògic continu. Els dissenys més senzills utilitzen multiplicadors analògics seguits d'amplificadors de memòria intermèdia de guany fix. Aquests dissenys sovint impliquen una funció de control de guany no lineal que requereix calibratge. A més, els nuclis multiplicadors pateixen dependències de la temperatura i la tensió de subministrament que poden provocar una mala precisió i estabilitat de la llei de guany, així com una variació inacceptable de guany d'alta freqüència. Els dissenys que utilitzen arquitectures de preamplificador / atenuador / post-amplificador poden proporcionar un funcionament de baix soroll i un bon ample de banda, però solen tenir una intercepció de tercer ordre d’entrada (IIP3) bastant baixa, cosa que limita la seva capacitat de funcionament en receptors d’alt rang dinàmic. . Una altra classe de solucions utilitza atenuadors de tensió variable, seguits de postamplificació de guany fix. Els VVA poden proporcionar una funció de transferència d’atenuació precisa que és lineal en dB, però sovint és necessari posar en cascada diversos VVA per proporcionar un rang d’atenuació adequat. La cascada resulta en una sensibilitat augmentada a les variacions de la funció de transferència d’atenuació. De vegades és necessari preamplificar el senyal per emmagatzemar la font del senyal a partir dels efectes de càrrega del VVA, així com disminuir la influència de l'atenuador sobre la xifra de soroll. L'elevat guany requerit per produir una xifra de soroll baixa es tradueix en una intercepció de tercer ordre d'entrada disminuïda. Figura 2. Arquitectura de l'AD8367 X-Amp VGA. L'AD8367 X-AMP VGA amb AGC L'arquitectura X-AMP, originada fa deu anys amb els Analog Devices AD600 i AD602, (Analog Dialogue 26-2, 1992), permet una funció de control de guany lineal en dB que és essencialment independent de la temperatura. Comprèn una xarxa d'escala resistiva, juntament amb un amplificador altament lineal i una etapa d'interpolació, per proporcionar una funció de control de guany lineal en dB contínua. L’AD8367 (Figura 2) és l’última generació de VGA X-AMP. El seu disseny s’implementa en un nou procés bipolar extra-ràpid-complementari (XFCB2.0) que proporciona un guany moderat fins a centenars de MHz i una linealitat millorada a freqüències més altes que fins ara disponibles amb el processament convencional de semiconductors. Com mostra la figura 2, el senyal d'entrada s'aplica a una xarxa d'escala resistiva R-nR de 9 etapes de referència a terra, dissenyada per produir passos d'atenuació de 5 dB entre punts de presa. El control de guany suau s'aconsegueix detectant els punts de presa amb etapes de transconductància variable (gm). Depenent de la tensió de control de guany, un interpolador selecciona quines etapes estan actives. Per exemple, si la primera etapa està activa, es detecta el punt de presa de 0 dB; si l'última etapa està activa, es detecta el punt de 45 dB. Els nivells d’atenuació que es troben entre els punts d’expressió s’aconsegueixen tenint actives simultàniament les etapes GM properes, creant una mitjana ponderada de les atenuacions discretes del punt d’expressió. D'aquesta manera, es sintetitza una funció d'atenuació suau, monòtona i lineal en dB amb un escalat molt precís. La funció de transferència lineal en dB ideal es pot expressar com: (1) on MY és l’escala de guany (pendent) generalment expressada en dB / V, normalment 50 dB / V (o 20 mV / dB) BZ és l’intercepció de guany en dB, normalment –5 dB, el guany extrapolat per a VGAIN = 0 V. VGAIN és la tensió de control de guany L'esquema bàsic de connexió de l'AD8367, la funció de transferència de guany i el patró típic d'error de guany s'il·lustren a la figura 3, que mostra el pendent de la funció de transferència de guany de 50 dB/V i -5 dB d'intercepció sobre un guany- rang de tensió de control de 50 mV ≤ VGAIN ≤ 950 mV. El dispositiu permet invertir la pendent de guany mitjançant una simple corretja de pin del pin MODE. El mode de guany invers és convenient en aplicacions de control automàtic de guany (AGC), on la funció de control de guany es deriva d'un integrador d'errors, que compara la potència de sortida detectada amb un nivell de consigna predeterminat. Un detector de llei quadrada i l'integrador d'errors, integrat al xip, permeten utilitzar el dispositiu com a subsistema AGC autònom. Figura 3. Circuit bàsic d'aplicació AD8367 VGA i funció de transferència de control de guany, que mostra errors típics a diverses temperatures. A la figura 4 es mostra un circuit AGC autònom típic, juntament amb la seva resposta de domini temporal a un pas de tensió d’entrada de 10 dB. En aquest exemple, l'entrada de senyal és un sinusoide de 70 MHz, i la seva entrada es modula en un pas de –17 a –7 dBm (referit a 200 ohms). La potència del senyal de sortida es mesura com a tensió pel detector intern de llei quadrada i es compara amb una referència interna de 354 mV rms. La sortida del detector és un corrent, que s’integra mitjançant un condensador extern, CAGC. El voltatge que es desenvolupa a través del condensador CAGC acciona el pin GAIN per reduir o augmentar el guany. El bucle s’estabilitza quan el valor RMS del nivell del senyal de sortida esdevé igual a la referència interna de 354 mV. Quan el senyal d’entrada és inferior a 354 mV rms, el pin DETO s’enfonsa corrent, cosa que redueix la tensió del pin GAIN. A mesura que el senyal d'entrada augmenta per sobre de 354 mV rms, el pin DETO prové corrent provocant un augment de la tensió al pin GAIN. El mode de guany invers és necessari en aquesta aplicació per garantir que el guany disminueixi quan el valor rms del senyal d'entrada supera la referència interna. La tensió resultant aplicada al pin GAIN, VAGC, es pot utilitzar com a indicació de la força del senyal rebut (RSSI), que representa la força del senyal d'entrada en comparació amb una referència de 354 mV rms. Per a una forma d'ona sinusoïdal, això resulta en un senyal de sortida d'1 V pp per a una càrrega de 200 ohms. Figura 4. Circuit d'aplicació bàsic AD8367 AGC i resposta de domini temporal a 70 MHz. Anàlisi de la cadena de senyals A la figura 5 es representa una arquitectura moderna superheterodina. L’AD8367 s’utilitza al camí de recepció (Rx) per ajustar de forma adaptativa el guany global del receptor a mesura que canvia el nivell del senyal de RF. Al camí de transmissió (Tx), l'AD8367 s'utilitza juntament amb un detector de potència de RF per mantenir el nivell de potència de sortida desitjat. Figura 5. Arquitectura superheterodina que utilitza VGA per al control de nivell IF. Els VGA s’utilitzen en les etapes de freqüència intermèdia per ajustar la sensibilitat global del receptor de manera adaptativa i per controlar els nivells de potència transmesa. Tenint en compte el camí de recepció, la sensibilitat general i el rang dinàmic es poden avaluar mitjançant l’anàlisi del pressupost del camí de senyal. Per a aquest exemple es va seleccionar un senyal PCS-CDMA, utilitzant una amplada de banda de soroll d'1 MHz. Treballant cap enrere a partir de la sortida de l'AD8367 IF VGA, es pot analitzar la sensibilitat d'entrada i el rang dinàmic. La figura 6 representa una anàlisi detallada del pressupost des de l'entrada del receptor fins a la sortida del VGA IF. Figura 6. Anàlisi del pressupost del camí Rx per a CDMA de 1900 MHz amb un IF de 70 MHz. A l'exemple anterior, l'AD8367 controla els nivells de senyal rebut abans del demodulador I&Q. L'AD8367 és un exemple de VGA que utilitza una atenuació variable seguida d'un amplificador post-guany. Aquest estil de VGA mostrarà essencialment un OIP3 constant i una xifra de soroll que varia amb la configuració del guany. L'AD8367 proporciona una xifra de soroll mínima amb un guany màxim i una intercepció màxima de tercer ordre d'entrada amb un guany mínim. Aquesta combinació única permet un control dinàmic de la sensibilitat i la linealitat d’entrada d’un receptor, en funció de la intensitat del senyal rebut. L'AD8367 (feu clic en aquest enllaç per obtenir fitxes i informació addicional) es caracteritza per una temperatura superior a –40 a + 85 ° C i s'envasa en un paquet de contorn petit reduït de 14 derivacions (TSSOP). Funciona amb un sol subministrament de 3 a 5 volts. El dispositiu té una amplada de banda operativa de –3 dB de 500 MHz; i el seu full de dades proporciona especificacions detallades a les freqüències de FI comunes, com ara 70 MHz, 140 MHz, 190 MHz i 240 MHz. Si esteu llegint el PDF o la versió impresa d'aquest article, visiteu www.analog.com per descarregar el full de dades o per sol·licitar mostres. L'AD8367 normalment està disponible en estoc i també hi ha disponible un tauler d'avaluació. Agraïments L'innovador AD8367 va ser dissenyat per Barrie Gilbert i John Cowles.

Deixa un missatge 

Llista de missatges