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具过载保护功能的USB供电433.92MHz RF低噪声放大器接收器

2023-02-28 17:30:06 ADI 阅读:
本电路是一个双级RF低噪声放大器(LNA),针对433.92MHz ISM频段中的接收器信号链进行了优化。

国际电信联盟(ITU)将433.92MHz工业、科学和医学(ISM)射频频段分配给1区使用,该区域在地理上由欧洲、非洲、俄罗斯、蒙古和阿拉伯半岛组成。尽管最初旨在用于无线电通信之外的应用,但多年来无线技术和标准的进步使得ISM频段在短距离无线通信系统中颇受欢迎。Btaednc

ITU 1区的运营商无需为使用433.92MHz频段获得许可,常见应用包括软件定义无线电、医疗设备和重型机械的工业无线电控制系统。在美国,433.92MHz频段属于70cm业余无线电频段(频率范围420MHz至450MHz),由获得许可的业余无线电台使用。此频段也常用于低功耗、短距离应用,例如车库门遥控开关、耳机、婴儿监视器,以及电源开关和灯光调节器。Btaednc

图1所示电路是一个双级RF低噪声放大器(LNA),针对433.92MHz ISM频段中的接收器信号链进行了优化。在中心频率,电路产生大约40.5dB的增益。RF输入和输出端口采用50Ω阻抗匹配设计,支持电路与标准50Ω系统之间的直接连接。其输入未经滤波,保持1.4dB噪声系数,但输出端配有SAW滤波器,会消减带外干扰。Btaednc

该电路中包含高速过载检测器和关断开关,用于保护连接至接收器系统的下游敏感设备。当RF功率水平下降到可接受范围内时,接收器系统也会自动恢复正常运行。RF输入和输出是标准的SMA连接器,整个设计由一个微型USB连接器供电。Btaednc

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1.CN0555简化功能框图Btaednc

评估和设计支持

电路评估板

  • CN0555电路评估板(EVAL-CN0555-EBZ)

设计和集成文件

  • 原理图、布局文件、物料清单

电路描述

RF放大器级

CN0555在其RF信号路径中使用两个ADL5523低噪声放大器。ADL5523是一款高性能砷化镓(GaAs)假晶高电子迁移率晶体管(pHEMT) RF低噪声放大器,提供高增益和低噪声系数。图2显示该器件的典型S参数性能,在整个频率范围内,其典型增益为21.5dB,回波损耗高于10dB。Btaednc

ADL5523的典型噪声系数为0.8dB,1dB压缩点(P1dB)为21dBm,三阶交调点(OIP3)为34dBm。将两个ADL5523放大器级联,以实现40dB整体增益。Btaednc

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2.ADL5523典型S-参数Btaednc

阻抗匹配网络

ADL5523需要使用一个外部匹配网络,该网络的阻抗针对所需的频段进行调谐,以实现优化性能。输入匹配网络包括与RFIN引脚串联的电感和一个并联电容。在输出端,匹配网络以类似的方式在偏置线路上使用电感和电容。图3展示完整的阻抗匹配网络,以及将两个ADL5523放大器级联的实现方案。Btaednc

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3.用于级联ADL5523放大器的基本连接Btaednc

这些元件的正确布局对于输入/输出阻抗匹配也很重要;因此,CN0555遵循ADL5523数据手册中针对500MHz调谐频带的推荐布局和组件大小。Btaednc

SAW滤波器

CN0555的LNA输出通过表面声波(SAW)滤波器进行滤波,有助于消除不必要的带外放大。选择滤波器时,必须在频带平坦度和带外抑制之间取得平衡。SAW滤波器也是一个插入损耗源,它会降低信号链的整体增益,选择时需要仔细考虑。CN0555使用的SAW滤波器具有2dB典型插入损耗和50Ω端接阻抗。Btaednc

RF定向耦合器

CN0555包含一个纤薄、超小型的高性能3dB 90°混合耦合器。该器件的工作频率为400MHz至900MHz,输入和输出阻抗为50Ω,433.92MHz时的典型插入损耗为0.3dB。Btaednc

RF开关

ADG901是采用CMOS工艺制成的宽带RF开关,可以提供高隔离和低插入损耗。它是一种吸收式开关,具有50Ω端接输入和输出。该开关允许用户传递高达0.5V的DC信号,无需使用隔直电容。Btaednc

ADG901的工作频率为DC至4.5GHz,在4.5GHz时的插入损耗为3dB。在433.92MHz中心频率时,此器件在“导通状态”下的典型插入损耗为0.4dB,如图4所示;在“关断状态”下的典型插入损耗约为70dB,如图5所示。Btaednc

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4.ADG901在导通状态下的插入损耗性能Btaednc

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5.ADG901在关断状态下的隔离损耗性能Btaednc

组合来自滤波器、耦合器和RF开关的插入损耗,在正常工作条件下,RF开关的输出端产生的总插入损耗约为2.7dB。Btaednc

RF性能

CN0555中得到的S参数、相位噪声测量结果、无杂散动态范围(SFDR)、噪声系数和稳定性测量值如下图所示。Btaednc

在433.92MHz中心频率下,CN0555实现了40.5dB的增益,输入和输出回波损耗大于10dB。图6显示在其工作范围内的S参数值。Btaednc

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6.EVAL-CN0555-EBZ S参数与频率的关系Btaednc

图7显示在433.92MHz时的单边带相位噪声,在10Hz、1MHz和10MHz偏置时分别约为-98dBc/Hz、-131dBc/Hz和-149dBc/Hz。Btaednc

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7.433MHz时的单边带相位噪声Btaednc

图8显示窄带单音RF输出,SFDR为58.38dBFS。Btaednc

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8.窄带单音RF输出Btaednc

图9显示频率范围内相应的噪声系数,在433.92MHz中心频率下约为0.8dB。Btaednc

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9.噪声系数与频率的关系Btaednc

系统在整个433.92MHz ISM频率带宽保持稳定,Rollet稳定性因子(k)高于1,辅助稳定性指标(B1)高于0,如图10所示。这使得CN0555在任何源阻抗和负载阻抗组合下,都能绝对保持稳定。Btaednc

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10.稳定性因子和测量值与频率的关系Btaednc

过载保护

CN0555中集成了过载管理功能,当输出功率达到预先设置的阈值时,该电路板的RF路径会自动隔离。此功能使用ADL5904 RF功率检波器来实现。Btaednc

ADL5904提供电阻可编程检测阈值,将内部包络检波器电压与用户定义的输入电压进行比较。当包络检波器电压超过用户定义的VIN引脚的阈值电压时,内部比较器捕获事件并将其锁定在设置/复位(SR)触发器中。图11显示了CN0555的过载保护电路。Btaednc

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11.CN0555过载保护电路Btaednc

如图11所示,使用3dB、90°混合耦合器对放大的RF输入进行采样。此功率传输至ADL5904的RFIN引脚,然后由内部包络检波器进行采样。ADL5904VIN-引脚上的阈值电压电平由电阻分压器网络设置,该值可以使用公式1计算得出。Btaednc

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其中:Btaednc

VIN-是ADL5904的VIN-引脚的电压电平。Btaednc

R10是用户定义的电阻值。Btaednc

R11是用户定义的电阻值。Btaednc

IOS为输入偏置电流。Btaednc

CN0555的输入阈值功率设置为0dBm,以保护连接至接收器系统的下游敏感设备。如表1所示,当工作频率为900MHz时,0dBm阈值功率对应VIN-的241mV电压电平。Btaednc

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1.工作频率未校准时,推荐的阈值电压(VIN-)典型值Btaednc

VIN的阈值电平由电阻分压器设置。选择R10和R11的绝对值,尽可能减少3.3V电源轨上的负载,同时提供不受泄漏电流和偏置电流影响的输出阻抗。将R10设置为13.7kΩ,使R11的值为1.02kΩ,这会产生可忽略不计的224μA分压器电流和991Ω输出阻抗。Btaednc

VIN-=241mVBtaednc

IBIAS=20µABtaednc

R10=13.7kΩBtaednc

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R11=991Ω或1.02kΩ(使用标准电阻值)Btaednc

使用最接近的标准电阻值求解公式1,将VIN-电压电平设置为241.9mV。当功率超过阈值时,发生过载事件,将隔离RF路径。Btaednc

ADL5904在其RF阈值功率上引入高达+2.5dBm的误差电平,该值因器件而异。如果需要准确的阈值功率,必须执行简单的校准程序,以补偿器件与器件之间的差异。有关校准程序的更多信息,参见ADL5904数据手册。Btaednc

自动复位功能

CN0555还包含自动复位电路,当功率电平返回到可接受范围内时激活。此功能由LTC6991可编程低频率定时器执行。Btaednc

如图12所示,ADL5904的 eq \s\up4(\f(,Q)) 输出使LTC6991在正常工作期间保持在复位模式。发生过载事件时,LTC6991启用,并且开始4ms延迟。ADL5904在4ms后复位,对功率电平重新采样。如果过载状态持续,ADL5904再次断路,RF开关的控制信号进入低电平状态。这种信号转变会隔离ADG901开关的RF输入和输出。过载事件过去后,ADL5904开始重新采样功率电平,然后返回正常工作状态。Btaednc

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12.CN0555自动复位电路Btaednc

过载保护测试

图13显示了用于测试CN0555的过载保护功能的设置。在该测试中,RF信号发生器设置采用433.92MHz中心频率,输入功率从-50dBm爬升至-40dBm。CN0555输出功率由高速示波器进行监控,该器件显示从发生过载事件到输出功率被衰减的响应时间。Btaednc

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13.RF过载响应测试设置Btaednc

图14显示过载保护响应时间。根据该图,从正常工作到RF输出功率被衰减,CN0555拥有约9ns的响应时间。图15显示从过载状态结束到功率电平返回可接受范围的恢复时间。该数据显示,从衰减RF输出到正常工作,期间存在7ns延迟。Btaednc

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14.典型的过载保护响应时间Btaednc

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15.发生过载事件后的典型恢复时间Btaednc

USB电源管理

CN0555通过微型USB适配器获取电源,该适配器一般通过微型USB端口提供5V、1A电源。此电路要求在正常工作期间获取约113.61mA电流。要满足这项电源要求,需要使用两个电源电压。第一个电源为ADL5523低噪声放大器、ADL5904 RF检波器和LTC6991低频率定时器提供3.3V电源。第二个电源为ADG901 RF开关提供2.5V电源。图16显示CN0555的整个电源结构。Btaednc

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16.CN0555电源架构Btaednc

LT3042是一款高性能低压差(LDO)线性稳压器,采用超低噪声和超高电源抑制比(PSRR)架构,以便为噪声敏感型射频应用供电。LT3042设计用作后接高性能电压缓冲器的精密电流基准,可轻松并联以便进一步降低噪声,增加输出电流并在印刷电路板上散热。要配置LT3042提供3.3V输出,所需的基本配置如图17所示。Btaednc

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17.LT3042提供3.3V输出所需的配置Btaednc

LT3042在SET引脚上集成一个精密100µA电流源,该引脚还连接到放大器的反相输入。图17显示将电阻从SET引脚连接至GND会生成一个基准电压。该基准电压是SET引脚电流100µA和SET引脚电阻的乘积,如公式2所示。Btaednc

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ADM7170-2.5 LDO稳压器用于生成ADG901 RF开关所需的电源电压。该器件具有2.3V至6.5V的输入电压范围和2.5V固定输出电压。ADM7170-2.5只需要输入电容和输出电容即可正常工作。特别是,ADM7170-2.5可在其输入和输出引脚上使用4.7µF小型解耦电容。Btaednc

常见变化

ADL5521可以用作替代型低噪声放大器,适用于使用433.92MHz ISM频带的应用。该器件提供略低的增益、更高的噪声系数、OIP3和OP1dB。ADL5521采用与ADL5523相同的功率电平。两个器件的尺寸非常类似。Btaednc

ADG902也可用作RF开关;此器件引脚兼容,并具有与ADG901相同的规格,但它是一种反射开关,提供更低的隔离损耗。Btaednc

ADI公司还提供类似的用于在5.8GHz ISM频段下工作的接收器放大器的参考设计。欲了解更多信息,请参阅CN0534电路笔记。Btaednc

电路评估与测试

本节介绍评估CN0555的评估设置和步骤。有关电路评估设置的完整信息,请参阅EVAL-CN0555-EBZ用户指南。Btaednc

设备要求

  • EVAL-CN0555-EBZ电路评估板
  • Rohde & Schwarz® SMA100B信号发生器
  • Keysight® E5052B信号分析仪
  • Keysight N5242A PNA-X矢量网络分析仪
  • 5V micro USB电源适配器或micro USB转USB电缆
  • 一根SMA至SMA电缆

设置和测试

图18显示了EVAL-CN0555-EBZ与矢量网络分析仪的正确端口连接。Btaednc

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18.S参数和噪声系数测试设置Btaednc

测量S参数和噪声系数的步骤如下:Btaednc

1. 将矢量网络分析仪设置为所需的测量条件,步骤如下:Btaednc

a. 将频率扫描范围设置为400MHz至500Mhz。Btaednc

b. 将频率步长设置为10kHz。Btaednc

c. 功率电平必须小于或等于-45dBm。Btaednc

2. 使用校准套件对矢量网络分析仪执行完整的2端口校准。请注意,EVAL-CN0555-EBZ的RF输入可以直接连到测试端口,因此测试设置仅需要一根测量电缆。Btaednc

3. 使用校准的测试设置将EVAL-CN0555-EBZ连接在矢量网络分析仪的测试端口上。Btaednc

4. 使用5V电源适配器为EVAL-CN0555-EBZ供电。Btaednc

5. 设置矢量网络分析仪,以显示各个S参数和噪声系数的迹线。Btaednc

6. 将测量值与期望值进行比较。在433.92MHz中心频率下,输入和输出回波损耗值分别约为16dB和20.4dB。对于增益和噪声系数,数值分别应为约40dB和1.2dB。Btaednc

图19显示了执行相位噪声和SFDR测试时EVAL-CN0555-EBZ与信号分析仪和信号发生器的正确连接。Btaednc

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19.相位噪声和SFDR测试设置Btaednc

要执行相同的测试,请遵循以下步骤:Btaednc

1. 按如下步骤设置信号分析仪所需的测量配置:Btaednc

a. 为了执行SFDR测量,设置中心频率=433.92MHz,频率范围=400MHz至500MHz,RF幅值=10dBm。Btaednc

b. 为了执行相位噪声测量,设置中心频率=433.92MHz,偏移频率范围=10Hz至30MHz。Btaednc

2. 将信号发生器的功率电平设置在-50dBm至-40dBm之间,中心频率设置为433.92MHz。Btaednc

3. 将信号发生器输出连接到EVAL-CN0555-EBZ的RF输入。Btaednc

4. 将EVAL-CN0555-EBZ的RF输出连接到信号分析仪。Btaednc

5. 使用5V电源适配器为EVAL-CN0555-EBZ供电,该适配器的额定功率高于500mW。Btaednc

6. 在信号分析仪上执行测量运行。Btaednc

7. 使用信号分析仪获取相位噪声值,并验证在10kHz频偏下其值是否约为-125dBc/Hz。Btaednc

8. 运行SFDR测试并比较读数;期望值约为60dBc。Btaednc

更多资料

CN0555设计和集成文件Btaednc

ADIsimRF™ RF信号链计算工具Btaednc

LTspice® SPICE仿真软件Btaednc

LTpowerCAD®设计工具Btaednc

MT-031指南,实现数据转换器的接地并解开AGNDDGND的谜团ADI公司,Btaednc

MT-073指南,高速可变增益放大器(VGA)ADI公司,Btaednc

指南MT-101。去耦技术ADI公司,Btaednc

Whitlow,Dana。现代通信系统中接收机用自动增益控制环路的设计与操作。Chapter 8.ADI公司无线研讨会。2006.Btaednc

数据手册和评估板

CN0555评估板(EVAL-CN0555-EBZ)、ADL5523数据手册、ADL5523评估板、ADG901数据手册、ADG901评估板、ADL5904数据手册、ADL5904评估板、LT3042数据手册、LT3042评估板、ADM7170数据手册、ADM7170评估板、LTC6991数据手册、LTC6991评估板Btaednc

ESD警告

ESD(静电放电)敏感器件。带电器件和电路板可能会在没有察觉的情况下放电。尽管本产品具有专利或专有保护电路,但在遇到高能量ESD时,器件可能会损坏。因此,应当采取适当的ESD防范措施,以避免器件性能下降或功能丧失。Btaednc

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ADI公司的Circuits from the Lab™电路由ADI工程师设计构建。每个电路的设计和搭建都严格遵循标准工程规范,电路的功能和性能都在实验室环境中在室温条件下进行了测试和检验。不过,您需负责自行测试电路,并确定对您是否适用。因而,ADI公司将不对由任何原因、连接到任何所用参考电路上的任何物品所导致的直接、间接、特殊、偶然、必然或者惩罚性的损害负责。Btaednc

Circuits from the Lab电路仅供与ADI公司产品一起使用,并且其知识产权归ADI公司或其授权方所有。虽然您可以在产品设计中使用参考电路,但是并未默认授予其它许可,或是通过此参考电路的应用及使用而获得任何专利或其它知识产权。ADI公司确信其所提供的信息是准确可靠的。不过,Circuits from the Lab电路是以“原样”的方式提供的,并不具有任何性质的承诺,包括但不限于:明示、暗示或者法定承诺,任何适销性、非侵权或者某特定用途实用性的暗示承诺,ADI公司无需为参考电路的使用承担任何责任,也不对那些可能由于其使用而造成任何专利或其它第三方权利的侵权负责。ADI公司有权随时修改任何参考电路,恕不另行通知。Btaednc

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