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具備超載保護USB 供電ISM無線通訊
[作者 ADI]   2024年02月28日 星期三 瀏覽人次: [1512]

本文以具有超載保護功能的USB供電 433.92 MHz RF 低雜訊放大器接收器:CN0555為例,說明實際運作的特點及效率。


國際電信聯盟(ITU)將433.92 MHz工業、科學和醫學(ISM)射頻頻段分配給1區使用,該區域在地理上由歐洲、非洲、俄羅斯、蒙古和阿拉伯半島組成。儘管最初目的在用於無線電通訊之外的應用,但多年來無線技術和標準的進步使得ISM頻段在短距離無線通訊系統中頗受歡迎。


ITU 1 區的營運業者無需為使用433.92 MHz頻段獲得許可,常見應用包括軟體定義無線電、醫療設備和重型機械的工業無線電控制系統。在美國,433.92 MHz頻段屬於70 cm業餘無線電頻段(頻率範圍420 MHz至450 MHz),由獲得許可的業餘無線電台使用。此頻段也常用於低功耗、短距離應用,例如車庫門遙控開關、耳機、嬰兒監視器,以及電源開關和燈光調節器。


圖一所示電路是一個雙級RF低雜訊放大器(LNA),其針對433.92 MHz ISM頻段中的接收器訊號鏈進行優化。在中心頻率,電路產生大約40.5 dB的增益。RF輸入和輸出埠採用50 Ω阻抗匹配設計,支援電路與標準50 Ω系統之間的直接連接。其輸入未經濾波,保持1.4 dB雜訊係數,但輸出端配有SAW濾波器,會消減帶外干擾。


該電路中包含高速超載檢測器和關斷開關,用於保護連接至接收器系統的下游敏感設備。當RF功率水準下降到可接受範圍內時,接收器系統也會自動恢復正常運行。RF輸入和輸出是標準的SMA連接器,整個設計由一個微型USB連接器供電。



圖一 : CN0555 簡化功能架構
圖一 : CN0555 簡化功能架構

電路描述

RF 放大器級

CN0555在其RF訊號路徑中使用兩個ADL5523低雜訊放大器。ADL5523為一款高性能砷化鎵(GaAs)假晶高電子遷移率電晶體(pHEMT) RF低雜訊放大器,提供高增益和低雜訊係數。圖二顯示該元件的典型S參數性能,在整個頻率範圍內,其典型增益為21.5 dB,回波損耗高於10 dB。


ADL5523的典型雜訊係數為0.8 dB,1 dB壓縮點(P1dB)為21 dBm,三階截取點(OIP3)為34 dBm。將兩個ADL5523放大器串聯,以實現40 dB整體增益。



圖二 : ADL5523 典型 S-參數
圖二 : ADL5523 典型 S-參數

阻抗匹配網路


ADL5523需要使用一個外部匹配網路,該網路的阻抗針對所需的頻段進行調諧,以實現優化性能。輸入匹配網路包括與RFIN接腳串聯的電感和一個並聯電容。在輸出端,匹配網路以類似的方式在偏置線路上使用電感和電容。圖三展示完整的阻抗匹配網路,以及將兩個ADL5523放大器串聯的實現方案。



圖三 : 用於串聯 ADL5523 放大器的基本連接
圖三 : 用於串聯 ADL5523 放大器的基本連接

這些元件的正確佈局對於輸入/輸出阻抗匹配也很重要;因此,CN0555遵循ADL5523產品手冊中針對500 MHz調諧頻段的推薦佈局和元件大小。


SAW 濾波器


CN0555的LNA輸出透過表面聲波(SAW)濾波器進行濾波,有助於消除不必要的頻外放大。選擇濾波器時,必須在頻段平坦度和頻外抑制之間取得平衡。SAW濾波器也是一個插入損耗源,其會降低訊號鏈的整體增益,選擇時需要仔細考慮。CN0555使用的SAW濾波器具有2 dB典型插入損耗和50 Ω端接阻抗。


RF 定向耦合器


CN0555包含一個纖薄、超小型的高性能3 dB 90°混合耦合器。該元件的工作頻率為400 MHz至900 MHz,輸入和輸出阻抗為50 Ω,433.92 MHz時的典型插入損耗為0.3 dB。


RF 開關

ADG901 是採用CMOS製程製成的寬頻RF開關,可以提供高隔離和低插入損耗。其是一種吸收式開關,具有50 Ω端接輸入和輸出。該開關允許使用者傳遞高達0.5 V的DC訊號,無需使用隔直電容。


ADG901的工作頻率為DC至4.5 GHz,在4.5 GHz時的插入損耗為3 dB。在433.92 MHz中心頻率時,此元件在「導通狀態」下的典型插入損耗為0.4 dB,如圖四所示;在「關斷狀態」下的典型插入損耗約為70 dB,如圖五所示。



圖四 : ADG901 在導通狀態下的插入損耗性能
圖四 : ADG901 在導通狀態下的插入損耗性能

圖五 : ADG901 在關斷狀態下的隔離損耗性能
圖五 : ADG901 在關斷狀態下的隔離損耗性能

組合來自濾波器、耦合器和RF開關的插入損耗,在正常工作條件下,RF開關的輸出端產生的總插入損耗約為2.7 dB。


RF 性能

CN0555中得到的S參數、相位雜訊測量結果、無雜散動態範圍(SFDR)、雜訊係數和穩定性測量值,如圖六所示。


在433.92 MHz中心頻率下,CN0555實現了40.5 dB的增益,輸入和輸出回波損耗大於10 dB。圖六顯示在其工作範圍內的S參數值。



圖六 : EVAL-CN0555-EBZ S 參數與頻率的關係
圖六 : EVAL-CN0555-EBZ S 參數與頻率的關係

圖七顯示在433.92 MHz時的單邊具有相位雜訊,在10 Hz、1 MHz和10 MHz偏置時分別約為-98 dBc/Hz、-131 dBc/Hz和-149 dBc/Hz。



圖七 : 433 MHz 時的單邊具有相位雜訊
圖七 : 433 MHz 時的單邊具有相位雜訊

圖八顯示窄頻單音RF輸出,SFDR為58.38 dBFS。



圖八 : 窄帶單音 RF 輸出
圖八 : 窄帶單音 RF 輸出

圖九顯示頻率範圍內相應的雜訊係數,在433.92 MHz中心頻率下約為0.8 dB。



圖九 : 雜訊係數與頻率的關係
圖九 : 雜訊係數與頻率的關係

系統在整個433.92 MHz ISM頻率頻寬保持穩定,Rollet穩定性因數(k)高於1,輔助穩定性指標(B1)高於0,如圖十所示。這使得CN0555在任何源阻抗和負載阻抗組合下,都能絕對保持穩定。



圖十 : 穩定性因數和測量值與頻率的關係
圖十 : 穩定性因數和測量值與頻率的關係

超載保護

CN0555中整合了超載管理功能,當輸出功率達到預先設定的閾值時,該電路板的RF路徑會自動隔離。此功能使用ADL5904 RF功率檢波器來實現。


ADL5904 提供電阻可編程檢測閾值,將內部包絡檢波器電壓與使用者定義的輸入電壓進行比較。當包絡檢波器電壓超過使用者定義的VIN?接腳的閾值電壓時,內部比較器獲取事件並將其鎖定在設定/復位(SR)觸發器中。圖十一顯示了CN0555的超載保護電路。



圖十一 : CN0555 超載保護電路
圖十一 : CN0555 超載保護電路

如圖十一所示,使用3 dB、90°混合耦合器對放大的RF輸入進行採樣。此功率傳輸至ADL5904的RFIN接腳,然後由內部包絡檢波器進行採樣。ADL5904 VIN-接腳上的閾值電壓位準由電阻分壓器網路設定得值。


CN0555的輸入閾值功率設置為0 dBm,以保護連接至接收器系統的下游敏感設備。如表一所示,當工作頻率為900 MHz時,0 dBm閾值功率對應VIN-的241 mV電壓位準。


表一:工作頻率未校準時,推薦的閾值電壓(VIN-)典型值

輸入閾值功率(dBm

閾值電壓(mV

?

100 MHz

900 MHz

1900 MHz

-2.0

193

193

192

-1.0

216

216

215

0

239

241

241

1.0

268

272

270

2.0

300

304

303

VIN?的閾值位準由電阻分壓器設置。選擇R10和R11的絕對值,盡可能減少3.3 V電源軌上的負載,同時提供不受洩漏電流和偏置電流影響的輸出阻抗。將R10設置為13.7 kΩ,使R11的值為1.02 kΩ,這會產生可忽略不計的224 μA分壓器電流和991 Ω輸出阻抗。 使用最接近的標準電阻值求解,將VIN-電壓位準設定為241.9 mV。當功率超過閾值時,發生超載事件,將隔離RF路徑。 ADL5904在其RF閾值功率上引入高達+2.5 dBm的誤差位準,該值因元件而異。如果需要準確的閾值功率,必須執行簡單的校準程式,以補償元件與元件之間的差異。

自動復位功能

CN0555還包含自動重定電路,當功率位準返回到可接受範圍內時啟動。此功能由LTC6991可程式設計低頻率計時器執行。


如圖十二所示,ADL5904的Q輸出使LTC6991在正常工作期間保持在重定模式。發生超載事件時,LTC6991啟用,並且開始4 ms延遲。ADL5904在4 ms後復位,對功率位準重新採樣。如果超載狀態持續,ADL5904再次斷路,RF開關的控制訊號進入低位準狀態。此種訊號轉變會隔離ADG901開關的RF輸入和輸出。超載事件過去後,ADL5904開始重新採樣功率位準,然後返回正常工作狀態。



圖十二 : CN0555 自動重定電路
圖十二 : CN0555 自動重定電路

超載保護測試

圖十三顯示了用於測試CN0555的超載保護功能的設定。在該測試中,RF訊號產生器設定採用433.92 MHz中心頻率,輸入功率從-50 dBm爬升至-40 dBm。CN0555輸出功率由高速示波器進行監控,該元件顯示從發生超載事件到輸出功率被衰減的回應時間。



圖十三 : RF 超載響應測試設定
圖十三 : RF 超載響應測試設定

圖十四顯示超載保護回應時間。根據該圖,從正常工作到RF輸出功率被衰減,CN0555擁有約9 ns的回應時間。圖十五顯示從超載狀態結束到功率位準返回接受範圍的恢復時間。該資料顯示,從衰減RF輸出到正常工作,期間存在7 ns延遲。



圖十四 : 典型的超載保護回應時間
圖十四 : 典型的超載保護回應時間

圖十五 : 發生超載事件後的典型恢復時間
圖十五 : 發生超載事件後的典型恢復時間

USB 電源管理

CN0555透過微型USB轉接器獲取電源,該轉接器一般透過微型USB埠提供5 V、1 A電源。此電路要求在正常工作期間獲取約113.61 mA電流。要滿足此項電源要求,需要使用兩個電源電壓。第一個電源為ADL5523低雜訊放大器、ADL5904 RF檢波器和LTC6991低頻率計時器提供3.3 V電源。第二個電源為ADG901 RF開關提供2.5 V電源。圖十六顯示CN0555的整個電源結構。



圖十六 : CN0555 電源架構
圖十六 : CN0555 電源架構

LT3042為一款高性能低壓差(LDO)線性穩壓器,採用超低雜訊和超高電源抑制比(PSRR)架構,以便為雜訊敏感型射頻應用供電。LT3042設計用作後接高性能電壓緩衝器的精密電流基準,可輕鬆並聯以便進一步降低雜訊,增加輸出電流並在印刷電路板上散熱。要配置LT3042提供3.3 V輸出,所需的基本配置如圖十七所示。



圖十七 : LT3042 提供 3.3 V 輸出所需的配置
圖十七 : LT3042 提供 3.3 V 輸出所需的配置

LT3042在SET接腳上整合一個精密100 μA電流源,該接腳還連接到放大器的反相輸入。圖十七顯示將電阻從SET接腳連接至GND會產生一個基準電壓。該基準電壓是SET接腳電流100 μA和SET接腳電阻的乘積。


ADM7170-2.5 LDO穩壓器用於產生ADG901 RF開關所需的電源電壓。該元件具有2.3 V至6.5 V的輸入電壓範圍和2.5 V固定輸出電壓。ADM7170-2.5只需要輸入電容和輸出電容即可正常工作。特別是,ADM7170-2.5可在其輸入和輸出接腳上使用4.7 μF小型解耦電容。


常見變化

ADL5521 可以用於替代型低雜訊放大器,適用於使用433.92 MHz ISM頻段的應用。該元件提供略低的增益、更高的雜訊係數、OIP3和OP1dB。ADL5521採用與ADL5523相同的功率位準。兩個元件的尺寸非常類似。


ADG902 也可用於RF開關;此元件接腳相容,並具有與ADG901相同的規格,但其是一種反射開關,提供更低的隔離損耗。


ADI並提供類似的用於在5.8 GHz ISM頻段下工作的接收器放大器的參考設計。


電路評估與測試

本節介紹評估CN0555的評估設置和步驟。


設備要求

‧EVAL-CN0555-EBZ電路評估板


‧Rohde & Schwarz SMA100B訊號產生器


‧Keysight E5052B訊號分析儀


‧Keysight N5242A PNA-X向量網路分析儀


‧5 V micro USB電源轉接器或micro USB轉USB電纜


‧ 一根SMA至SMA電纜


設定和測試

圖十八顯示EVAL-CN0555-EBZ與向量網路分析儀的正確埠連接。



圖十八 : S 參數和雜訊係數測試設定
圖十八 : S 參數和雜訊係數測試設定

測量S參數和雜訊係數的步驟如下:


1.將向量網路分析儀設定為所需的測量條件,步驟如下:


a.將頻率掃描範圍設定為 400 MHz 至 500 Mhz


b.將頻率步長設定為 10 kHz。


c.功率位準必須小於或等於-45 dBm。


2.使用校準套件對向量網路分析儀執行完整的 2 埠校準。請注意,EVAL-CN0555-EBZ 的 RF 輸入可以直接連到測試埠,因此測試設置僅需要一根測量電纜。


3.使用校準的測試設定將 EVAL-CN0555-EBZ 連接在向量網路分析儀的測試埠上。


4.使用 5 V 電源轉接器為 EVAL-CN0555-EBZ 供電。


5.設定向量網路分析儀,以顯示各個 S 參數和雜訊係數的跡線。


6.將測量值與期望值進行比較。在 433.92 MHz 中心頻率下,輸入和輸出回波損耗值分別約為 16 dB 和 20.4 dB。對於增益和雜訊係數,數值分別應為約 40 dB 和 1.2 dB。


圖十九顯示執行相位雜訊和 SFDR 測試時 EVALCN0555-EBZ與訊號分析儀和訊號產生器的正確連接。



圖十九 : 相位雜訊和 SFDR 測試設定
圖十九 : 相位雜訊和 SFDR 測試設定

要執行相同的測試,請遵循以下步驟:


1.按如下步驟設定訊號分析儀所需的測量配置:


a.為了執行SFDR測量,設定中心頻率 = 433.92 MHz,頻率範圍 = 400 MHz 至 500 MHz,RF 幅值 = 10 dBm。


b.為了執行相位雜訊測量,設定中心頻率 = 433.92 MHz,偏移頻率範圍 = 10 Hz 至 30 MHz。


2.將訊號產生器的功率位準設定在-50 dBm 至-40 dBm之間,中心頻率設定為 433.92 MHz。


3.將訊號產生器輸出連接到 EVAL-CN0555-EBZ 的 RF輸入。


4.將 EVAL-CN0555-EBZ 的 RF 輸出連接到訊號分析儀。


5.使用 5 V 電源轉接器為 EVAL-CN0555-EBZ 供電,該轉接器的額定功率高於 500 mW。


6.在訊號分析儀上執行測量運行。


7.使用訊號分析儀獲取相位雜訊值,並驗證在 10 kHz 頻偏下其值是否約為-125 dBc/Hz。


8.運行 SFDR 測試並比較讀數;期望值約為 60 dBc。


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