X-Amp™ แอมพลิฟายเออร์ Variable-Gain (VGA) 45 เดซิเบล 500 เมกะเฮิรตซ์ใหม่ช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบตัวรับสัญญาณแบบอะแดปทีฟ

บทนำ การออกแบบอุปกรณ์สื่อสารไร้สายมักจะเริ่มต้นด้วยการกำหนดและการวิเคราะห์สายสัญญาณเชิงกลยุทธ์ ตัวเลขเสียงรบกวน (NF) ความเป็นเส้นตรง การบิดเบือน และช่วงไดนามิกทั้งหมดต้องได้รับการพิจารณาตั้งแต่เริ่มต้นในวงจรการพัฒนาผลิตภัณฑ์ เพื่อระบุข้อมูลจำเพาะของส่วนประกอบสำหรับแต่ละองค์ประกอบในเส้นทางสัญญาณอย่างเหมาะสม การวิเคราะห์งบประมาณแบบเชนสัญญาณช่วยให้นักออกแบบสามารถเลือกส่วนประกอบ วิเคราะห์ และเปรียบเทียบประสิทธิภาพของสถาปัตยกรรมการออกแบบที่กำลังพิจารณาได้อย่างรวดเร็ว ความท้าทายมีมากขึ้นในระบบการสื่อสารเคลื่อนที่ ซึ่งต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับกลไกการเลือกสเปกตรัม ความเป็นเส้นตรง และสัญญาณรบกวนที่เกี่ยวข้องกับบล็อกสัญญาณ RF และ IF ตัวรับสามารถออกแบบให้ปรับความไวต่อความแรงของสัญญาณขาเข้าได้โดยใช้อัตราขยายผันแปรที่ความถี่ IF ที่ต่ำกว่า ซึ่งจะง่ายต่อการจัดการกับสัญญาณที่สนใจ การกรูมมิ่งสเปกตรัมส่วนใหญ่ (การสร้างและการกรองความถี่) มีแนวโน้มที่จะดำเนินการที่ความถี่ IF ที่ต่ำกว่า ซึ่งตัวกรองผ่านแถบความถี่แคบมากสามารถรับรู้ได้อย่างง่ายดายผ่านการใช้อุปกรณ์ SAW, คริสตัล และเครือข่ายตัวกรอง RLC ที่เป็นองค์ประกอบแบบพาสซีฟ หลังจากเลือกช่องสัญญาณได้อย่างแม่นยำแล้ว สามารถใช้วงจรควบคุมอัตราขยายอัตโนมัติ (AGC) เพื่อปรับขนาดสัญญาณที่ได้รับไปยังระดับที่ต้องการได้ การใช้ AGC ทำให้เกิดการออกแบบเครื่องรับซึ่งมีความไวแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับความแรงของสัญญาณที่ได้รับ ความไวที่ปรับเปลี่ยนได้ช่วยลดผลกระทบจากระยะทางในสภาพแวดล้อมแบบเคลื่อนที่ที่มีช่องสัญญาณซีดจาง แอมพลิฟายเออร์แบบปรับขยายได้ประสิทธิภาพสูงมักจะจำเป็นเพื่อให้มีช่วงไดนามิกและประสิทธิภาพเสียงรบกวนที่จำเป็น แอมพลิฟายเออร์เกนตัวแปรพื้นหลัง (VGA) ถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์ตรวจจับระยะไกลและอุปกรณ์สื่อสารที่หลากหลายมานานกว่าครึ่งศตวรรษ แอปพลิเคชันต่างๆ ตั้งแต่อัลตราซาวนด์ เรดาร์ การสื่อสารไร้สาย และแม้กระทั่งการวิเคราะห์คำพูด ได้ใช้ประโยชน์จากตัวแปรที่เพิ่มขึ้นเพื่อพยายามเพิ่มประสิทธิภาพแบบไดนามิก การออกแบบในช่วงแรกทำให้สามารถเลือกเกนได้โดยการสลับขั้นตอนของแอมพลิฟายเออร์เกนคงที่เพื่อปรับความไวของตัวรับสัญญาณในรูปแบบไบนารี การใช้งานในภายหลังใช้ตัวลดทอนแบบขั้นตอนตามด้วยแอมพลิฟายเออร์เกนคงที่เพื่อให้ได้ช่วงการควบคุมเกนที่ไม่ต่อเนื่องที่กว้างขึ้น การออกแบบที่ทันสมัยทำให้ได้รับการควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง โดยใช้เทคนิคแอนะล็อก เช่น ตัวลดทอนแรงดันไฟฟ้า (VVA) ตัวคูณแบบแอนะล็อก และตัวปรับแต่งค่าเกน รูป 1 สถาปัตยกรรมแบบแปรผันทั่วไป มีการใช้สถาปัตยกรรมที่หลากหลายเพื่อให้การควบคุมการรับตัวแปรทั้งแบบต่อเนื่องและแบบไม่ต่อเนื่อง แอปพลิเคชันเช่นการควบคุมอัตราขยายอัตโนมัติมักต้องการการควบคุมอัตราขยายแบบอะนาล็อกอย่างต่อเนื่อง การออกแบบที่ตรงไปตรงมาที่สุดใช้ตัวคูณอนาล็อกตามด้วยแอมพลิฟายเออร์บัฟเฟอร์เกนแบบคงที่ การออกแบบดังกล่าวมักเกี่ยวข้องกับฟังก์ชันการควบคุมอัตราขยายแบบไม่เชิงเส้นที่ต้องมีการสอบเทียบ นอกจากนี้ คอร์ตัวคูณยังได้รับผลกระทบจากการขึ้นต่อกันของอุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย ซึ่งอาจส่งผลให้มีความแม่นยำและความเสถียรของกฎเกนที่ต่ำ ตลอดจนความแปรผันของเกนความถี่สูงที่ยอมรับไม่ได้ การออกแบบที่ใช้สถาปัตยกรรมพรีแอมพลิฟายเออร์/ตัวลดทอนสัญญาณ/หลังแอมพลิฟายเออร์สามารถให้การทำงานที่มีสัญญาณรบกวนต่ำและแบนด์วิธที่ดี แต่มีแนวโน้มว่าจะมีการสกัดกั้นลำดับที่สาม (IIP3) อินพุตที่ค่อนข้างต่ำ ซึ่งจะจำกัดความสามารถในการทำงานในเครื่องรับช่วงไดนามิกสูง . โซลูชันอีกประเภทหนึ่งใช้ตัวลดทอนแบบแปรผันของแรงดันไฟฟ้า ตามด้วยการขยายสัญญาณภายหลังการขยายแบบคงที่ VVA สามารถให้ฟังก์ชันการถ่ายโอนการลดทอนที่แม่นยำซึ่งเป็นเส้นตรงในหน่วย dB แต่มักจะจำเป็นต้องเรียง VVA หลายรายการเพื่อให้ช่วงการลดทอนที่เพียงพอ การเรียงซ้อนส่งผลให้เกิดความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของฟังก์ชันการถ่ายโอนการลดทอน บางครั้งจำเป็นต้องขยายสัญญาณล่วงหน้าเพื่อบัฟเฟอร์แหล่งสัญญาณจากเอฟเฟกต์การโหลดของ VVA รวมถึงลดอิทธิพลของตัวลดทอนต่อสัญญาณรบกวน อัตราขยายสูงที่จำเป็นเพื่อให้ได้ตัวเลขที่มีสัญญาณรบกวนต่ำส่งผลให้มีการสกัดกั้นลำดับที่สามของอินพุตที่ลดลง รูป 2 สถาปัตยกรรมของ AD8367 X-Amp VGA AD8367 X-AMP VGA พร้อม AGC สถาปัตยกรรม X-AMP ที่มีต้นกำเนิดเมื่อ 600 ปีที่แล้วด้วย Analog Devices AD602 และ AD26 (Analog Dialogue 2-1992, XNUMX) อนุญาตให้ใช้ฟังก์ชันการควบคุมอัตราขยายแบบเชิงเส้นในเดซิเบลซึ่งเป็นหลัก โดยไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ ประกอบด้วยเครือข่ายแลดเดอร์แบบต้านทาน พร้อมด้วยแอมพลิฟายเออร์เชิงเส้นสูงและระยะอินเทอร์โพเลเตอร์ เพื่อให้มีฟังก์ชันควบคุมเกนอินเดซิเบลเชิงเส้นอย่างต่อเนื่อง AD8367 (รูปที่ 2) เป็น X-AMP VGA รุ่นล่าสุด การออกแบบนี้ใช้กระบวนการ extra-fast-complementary-bipolar (XFCB2.0) แบบใหม่ที่ให้เกนปานกลางถึงหลายร้อย MHz และปรับปรุงความเป็นเส้นตรงที่ความถี่สูงกว่าที่เคยมีในการประมวลผลเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป ดังรูปที่ 2 แสดง สัญญาณอินพุตถูกนำไปใช้กับเครือข่ายแลดเดอร์ความต้านทาน R-nR 9 ขั้นที่อ้างอิงกราวด์ ซึ่งออกแบบมาเพื่อสร้างขั้นตอน 5-dB ของการลดทอนระหว่างจุดแตะ การควบคุมอัตราขยายที่ราบรื่นทำได้โดยการตรวจจับจุดต่อด้วยสเตจทรานส์คอนดักเตอร์แบบแปรผัน (gm) อินเตอร์โพเลเตอร์จะเลือกสเตจที่ทำงานอยู่ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแรงดันเกนคอนโทรล ตัวอย่างเช่น หากสเตจแรกเปิดใช้งานอยู่ จะตรวจจับจุดแตะ 0-dB ถ้าสเตจสุดท้ายทำงานอยู่ จะตรวจจับจุด 45-dB ระดับการลดทอนที่อยู่ระหว่างจุดแตะทำได้โดยให้ขั้นตอน gm ที่อยู่ใกล้เคียงทำงานพร้อมกัน สร้างค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักของการลดทอนจุดต่อแบบแยกส่วน ในลักษณะนี้ ฟังก์ชันการลดทอนเชิงเส้นในเดซิเบลที่ราบรื่น โมโนโทนิก เชิงเส้นในเดซิเบลที่มีการปรับขนาดที่แม่นยำมากจะถูกสังเคราะห์ ฟังก์ชันการถ่ายโอนเชิงเส้นในเดซิเบลในอุดมคติสามารถแสดงได้ดังนี้: (1) โดยที่ MY คือเกนสเกล (ความชัน) ซึ่งปกติจะแสดงเป็น dB/V โดยทั่วไปแล้ว 50 dB/V (หรือ 20 mV/dB) BZ คือการสกัดกั้นเกน ใน dB โดยทั่วไป –5 dB อัตราขยายที่คาดการณ์ไว้สำหรับ VGAIN = 0 V VGAIN คือแรงดันเกน-คอนโทรล โครงร่างการเชื่อมต่อพื้นฐานของ AD8367 ฟังก์ชันการถ่ายโอนเกน และรูปแบบข้อผิดพลาดเกนต์ทั่วไปแสดงไว้ในรูปที่ 3 แสดงความชันของฟังก์ชันการถ่ายโอนเกนที่ 50 dB/V และ –5-dB สกัดกั้นเหนือเกน- ควบคุมช่วงแรงดันไฟฟ้า 50 mV ≤ VGAIN ≤ 950mV อุปกรณ์นี้ช่วยให้ความชันของเกนสามารถย้อนกลับได้ด้วยสายรัดแบบธรรมดาของพิน MODE โหมดเกนอินแบบผกผันนั้นสะดวกในแอปพลิเคชันการควบคุมอัตราขยายอัตโนมัติ (AGC) โดยที่ฟังก์ชันการควบคุมเกนได้รับมาจากตัวรวมข้อผิดพลาด ซึ่งเปรียบเทียบกำลังเอาต์พุตที่ตรวจพบกับระดับจุดตั้งค่าที่กำหนดไว้ล่วงหน้า ตัวตรวจจับกฎสี่เหลี่ยมจัตุรัสและตัวรวมข้อผิดพลาดซึ่งรวมอยู่ในชิปช่วยให้อุปกรณ์สามารถใช้เป็นระบบย่อย AGC ในตัว รูป 3 วงจรแอปพลิเคชัน AD8367 VGA พื้นฐานและฟังก์ชันการถ่ายโอนข้อมูลควบคุมอัตราขยาย แสดงข้อผิดพลาดทั่วไปที่อุณหภูมิต่างๆ วงจร AGC แบบสแตนด์อโลนทั่วไปแสดงในรูปที่ 4 พร้อมกับการตอบสนองของโดเมนเวลาต่อขั้นตอนแรงดันไฟฟ้าอินพุต 10 เดซิเบล ในตัวอย่างนี้ สัญญาณอินพุตเป็นไซนัสอยด์ 70 เมกะเฮิรตซ์ และอินพุตของมันถูกมอดูเลตจาก –17 ถึง –7 dBm (อ้างอิงถึง 200 โอห์ม) กำลังสัญญาณเอาท์พุตวัดเป็นแรงดันไฟฟ้าโดยเครื่องตรวจจับกฎสี่เหลี่ยมภายใน และเปรียบเทียบกับค่าอ้างอิง rms ภายใน 354-mV เอาต์พุตของเครื่องตรวจจับเป็นกระแสซึ่งรวมเข้ากับตัวเก็บประจุภายนอก CAGC แรงดันไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นทั่วทั้งตัวเก็บประจุ CAGC จะขับเคลื่อนพิน GAIN เพื่อลดหรือเพิ่มอัตราขยาย ลูปจะเสถียรเมื่อค่า rms ของระดับสัญญาณเอาท์พุตเท่ากับการอ้างอิงภายใน 354-mV เมื่อสัญญาณอินพุตน้อยกว่า 354-mV rms พิน DETO จะจมกระแสซึ่งลดแรงดันไฟฟ้าที่พิน GAIN เมื่อสัญญาณอินพุตเพิ่มขึ้นสูงกว่า 354 mV rms แหล่งพิน DETO ทำให้เกิดกระแสไฟที่ขา GAIN เพิ่มขึ้น แอปพลิเคชันนี้จำเป็นต้องมีโหมดเกนกลับแบบผกผันเพื่อให้แน่ใจว่าเกนจะลดลงเมื่อค่า rms ของสัญญาณอินพุตเกินค่าอ้างอิงภายใน แรงดันไฟฟ้าที่เป็นผลลัพธ์ที่ใช้กับพิน GAIN, VAGC สามารถใช้เป็นตัวบ่งชี้ความแรงของสัญญาณที่ได้รับ (RSSI) ซึ่งแสดงถึงความแรงของสัญญาณอินพุตเมื่อเปรียบเทียบกับการอ้างอิง 354-mV rms สำหรับรูปคลื่นไซน์ ผลที่ได้คือสัญญาณเอาท์พุต 1-V pp สำหรับโหลด 200 โอห์ม รูป 4 วงจรแอปพลิเคชัน AD8367 AGC พื้นฐานและการตอบสนองโดเมนเวลาที่ 70 MHz การวิเคราะห์ลูกโซ่สัญญาณ สถาปัตยกรรม superheterodyne สมัยใหม่แสดงไว้ในรูปที่ 5 AD8367 ใช้ในเส้นทางรับ (Rx) เพื่อปรับเกนของตัวรับสัญญาณโดยรวมเมื่อระดับสัญญาณ RF เปลี่ยนไป ในเส้นทางการส่ง (Tx) AD8367 ใช้ร่วมกับเครื่องตรวจจับพลังงาน RF เพื่อรักษาระดับพลังงานเอาต์พุตที่ต้องการ รูป 5 สถาปัตยกรรม Superheterodyne โดยใช้ VGA สำหรับการควบคุมระดับ IF VGAs ถูกใช้ในขั้นความถี่กลางเพื่อปรับความไวของตัวรับสัญญาณโดยรวมแบบปรับได้และเพื่อควบคุมระดับพลังงานที่ส่ง เมื่อพิจารณาเส้นทางการรับ ความไวโดยรวมและช่วงไดนามิกสามารถประเมินได้โดยใช้การวิเคราะห์งบประมาณเส้นทางสัญญาณ สำหรับตัวอย่างนี้ สัญญาณ PCS-CDMA ถูกเลือก โดยใช้แบนด์วิดท์สัญญาณรบกวน 1-MHz ย้อนกลับจากเอาต์พุตของ AD8367 IF VGA ความไวอินพุตและช่วงไดนามิกสามารถวิเคราะห์ได้ รูปที่ 6 แสดงการวิเคราะห์งบประมาณโดยละเอียดจากอินพุตของเครื่องรับไปยังเอาต์พุตของ IF VGA รูป 6 การวิเคราะห์งบประมาณเส้นทาง Rx สำหรับ CDMA 1900-MHz พร้อม 70-MHz IF ในตัวอย่างข้างต้น ตัวควบคุม AD8367 ได้รับระดับสัญญาณก่อนตัวแยกสัญญาณ I&Q AD8367 เป็นตัวอย่างของ VGA ที่ใช้การลดทอนแบบแปรผันตามด้วยแอมพลิฟายเออร์หลังเกน รูปแบบ VGA นี้จะแสดง OIP3 คงที่และตัวเลขเสียงรบกวนที่แตกต่างกันไปตามการตั้งค่าเกน AD8367 ให้ตัวเลขเสียงรบกวนต่ำสุดที่อัตราขยายสูงสุดและการสกัดกั้นลำดับที่สามของอินพุตสูงสุดที่อัตราขยายต่ำสุด การผสมผสานที่เป็นเอกลักษณ์นี้ช่วยให้สามารถควบคุมความไวของตัวรับและความเป็นเส้นตรงของอินพุตแบบไดนามิกได้ โดยขึ้นอยู่กับความแรงของสัญญาณที่ได้รับ AD8367 (คลิกที่ลิงค์นี้เพื่อดูเอกสารข้อมูลและข้อมูลเพิ่มเติม) มีลักษณะที่อุณหภูมิตั้งแต่ -40 ถึง +85° C และบรรจุในแพ็คเกจขนาดเล็กโครงร่าง 14-lead thin-shrunk small-outline (TSSOP) ทำงานโดยใช้แหล่งจ่ายไฟ 3 ถึง 5 โวลต์เดียว อุปกรณ์มีแบนด์วิดธ์การทำงาน –3-dB ที่ 500 MHz; และเอกสารข้อมูลแสดงข้อมูลจำเพาะโดยละเอียดที่ความถี่ IF ทั่วไป เช่น 70 MHz, 140 MHz, 190 MHz และ 240 MHz หากคุณกำลังอ่านบทความนี้ในรูปแบบ PDF หรือฉบับพิมพ์ โปรดไปที่ www.analog.com เพื่อดาวน์โหลดเอกสารข้อมูลหรือขอตัวอย่าง โดยปกติแล้ว AD8367 จะมีจำหน่ายในสต็อก และมีบอร์ดประเมินผลด้วย การตอบรับ นวัตกรรม AD8367 ออกแบบโดย Barrie Gilbert และ John Cowles

ฝากข้อความ 

รายการข้อความ