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USB供電5.8 GHz RF LNA具有輸出電源保護
 

【作者: ADI】   2023年09月14日 星期四

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本文敘述USB供電5.8 GHz RF LNA具有輸出電源保護的性質,以及運作時的電路功能變化與電源管理測試等特點。


電路功能與優勢

國際電信聯盟(ITU)分配了免許可的5.8 GHz工業、科學和醫學(ISM)無線電頻段供全球使用。隨著無線技術和標準的進步,以及最低的法規合規要求,使此頻段在短距離無線通訊系統中頗受歡迎。


因為可用的通道數量和頻寬,短距離數位通訊應用(例如Wi-Fi)更傾向於使用5.8 GHz頻段。雖然傳輸範圍比2.4 GHz頻段要短,但其提供150 MHz頻寬,可支援高達23個非重疊Wi-Fi通道。其他常見用例包括軟體定義無線電、無線接入點、公共安全無線電、無線中繼器、家用微型基地台、長期演進技術(LTE)/微波存取全球互通(WiMAX)/4G、收發器基地台(BTS)基礎設施。


此種設計尺寸小巧,提供高增益、可靠的過功率監測和保護,對於面臨訊號強度低,或覆蓋範圍小的ISM頻段應用來說,這是一項附加優勢。


圖1所示的電路來自高性能RF接收器系統,具有+23 dB增益,優化之後,支援採用5.8 GHz中心頻率。其輸入未經濾波,保持2 dB雜訊係數,但輸出端配有帶通濾波器,會衰減帶外干擾。


該電路中包含高速過功率檢測器和開關,用於保護連接至接收器系統的下游敏感設備。當RF功率位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作。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1 : EVAL-CN0534-EBZ 簡化功能框圖
圖1 : EVAL-CN0534-EBZ 簡化功能框圖

電路描述

RF低雜訊放大器(LNA)

HMC717A 為一款砷化鎵(GaAs) PHEMT、單晶片微波積體電路(MMIC) LNA,適用於工作頻率為4.8 GHz至6.0 Ghz,適合多種訊號通訊協定(例如ISM、MC-GSM、W-CDMA和TD-SCDMA)的後端接收器。


如圖2所示,在其RF工作頻段內,HMC717A具有14.5 dB增益。雜訊係數為1.1 dB,放大器由一個5 V電源供電,總電源電流為68 mA。為了實現23 dB總增益,將兩個HMC717A放大器串聯。HMC717A提供1.1 dB雜訊係數、27 dBm 3階截取點(IP3)和15 dB壓縮點(P1dB),適用於第一級LNA,也適用於中間增益級。



圖2 : HMC717A 寬頻增益(S21)和回波損耗(S11)與頻率的關係
圖2 : HMC717A 寬頻增益(S21)和回波損耗(S11)與頻率的關係

LNA 阻抗匹配

如圖3所示,HMC717A的RFIN(接腳2)和RFOUT(接腳11)接腳是單端接腳,在4.8 GHz至6.0 GHz頻率範圍內具有50Ω標稱電阻,允許HMC717A直接連接至50Ω端接系統,無需使用額外的阻抗匹配電路。


RFOUT具有整合式隔直流電容,所以無需在第二級採用外部電容,支援在不使用外部匹配電路的情況下以背靠背的方式將多個HMC717A放大器串聯在一起。唯一的要求是,第一級的RFIN必須與1.2 pF電容交流耦合。



圖3 : 用於串聯 HMC717A 放大器的基本連接
圖3 : 用於串聯 HMC717A 放大器的基本連接

帶通濾波器

LNA輸出透過帶通濾波器進行過濾。如圖4所示,該濾波器的通帶範圍為5400 MHz至6400 MHz,典型的回波損耗為14.7 dB,在5.8 GHz中心頻率下的插入損耗為1.6 dB。



圖4 : 帶通濾波器的典型電氣性能:插入損耗(S21)和回波損耗(S11)
圖4 : 帶通濾波器的典型電氣性能:插入損耗(S21)和回波損耗(S11)

過功率保護

相對較低的功率位準會損壞敏感電路。例如AD9363收發器的RF輸入的絕對最大功率位準為+2.5 dBm。CN0534包含一個過功率保護,當功率位準下降到可接受範圍內時,運行自動重定電路,如圖5所示。



圖5 : RF 衰減器和功率檢波器保護框圖
圖5 : RF 衰減器和功率檢波器保護框圖

RF功率檢波器和自動重定電路

ADL5904為一款RF功率檢波器,工作頻率範圍是DC至6 GHz。建議在ADL5904的輸入端配備一個470 nF交流耦合電容和一個外部82.5Ω分流電阻,以提供寬頻段輸入匹配。


ADL5904使用內部RF包絡檢波器和使用者定義的輸入電壓,根據RF輸入功率位準提供可編程的閾值檢測功能。當來自RF包絡檢波器的電壓超過VIN?接腳上使用者定義的閾值電壓時,內部比較器將事件鎖存到觸發器上。超過使用者編程閾值的RF輸入訊號至輸出鎖存的回應時間為極快的12 ns。鎖存事件保持在觸發器上,直至對RST接腳施加復位脈衝。


CN0534帶通濾波器的輸出功率位準由一個耦合因數為+13 dB整合薄膜耦合器採樣,並轉發到ADL5904的RFIN接腳。ADL5904在VIN?上的閾值位準由一個電阻分壓器設定,值設定為約32 mV,相當於在未經校準的情況下,在5.8 GHz下運作時的?9 dBm閾值功率,如ADL5904產品手冊所示。結合耦合器和RF衰減器在0 dB狀態下的損耗,輸出保持在對敏感元件而言是安全的水準下。


如果需要更高的過功率閾值精度,可以在多個頻率下執行簡單的校準程式,以補償系統內元件之間的差異。關於校準程式的資訊,請參見ADL5904產品手冊。


在正常運作期間,ADL5904的Q輸出使LTC6991可編程低頻率計時器保持重定模式。發生過功率事件時,LTC1991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。如果過功率狀態持續,ADL5904再次斷路,衰減器保持在?20 dB狀態。衰減器控制訊號被延遲,在對功率位準重新採樣期間,其將持續保持?20 dB狀態。如果過功率情況消除,衰減器恢復到0 dB狀態,恢復正常工作,如圖6所示。



圖6 : 自動重試電路功能框圖
圖6 : 自動重試電路功能框圖

RF衰減器

HMC802A為一款寬頻雙向1位元GaAs IC數位衰減器。該元件在旁路模式下,在5.8 GHz頻率下具有1.5 dB低插入損耗,啟用時具有20±0.6 dB準確衰減。由一個5 V電源供電,IP3為+55 dBm,衰減控制訊號相容CMOS/TTL。雖然RF開關通常用於過功率保護應用,但在5.8 GHz下,HMC802A的20 dB衰減要優於大多數RF開關的關斷隔離狀態。


如圖7所示,在5.8 GHz中心頻率下,該元件在旁路模式下的典型插入損耗為1.5 dB。圖8顯示在5.8 GHz中心頻率下,衰減模式下的隔離係數為?20.5 dB。



圖7 : 旁路模式下時,HMC802A 的典型插入損耗和輸入回波損耗性能
圖7 : 旁路模式下時,HMC802A 的典型插入損耗和輸入回波損耗性能

圖8 : 衰減模式下時,HMC802A 的典型插入損耗和輸入回波損耗性能
圖8 : 衰減模式下時,HMC802A 的典型插入損耗和輸入回波損耗性能

組合來自帶通濾波器、耦合器和來自RF衰減器的插入損耗,在5.8 GHz中心頻率下,在正常工作條件下,RF衰減器輸出端的總插入損耗約為3 dB,在衰減模式下時,約為21.5 dB。


保護結果

使用圖9所示的設定測試過功率保護功能。RF訊號產生器的輸出頻率設定為5.8 GHz,CN0534的輸入功率從?30 dBm增加到?20 dBm。CN0534的輸出功率由ADL6010高速包絡檢波器監控,該檢波器提供從過功率事件到輸出功率衰減的回應時間的精準測量值。



圖9 : RF過功率響應測試的簡化框圖
圖9 : RF過功率響應測試的簡化框圖

一旦觸發,檢波器鎖存在250 Hz的頻率下重定,如果輸出功率下降到低於2.5 dBm,則輸出開關啟用。開關致能訊號被延遲,以確保其不會在過功率情況仍然存在時被確認。結果如圖10和圖11所示。



圖10 : 典型的過功率保護回應時間
圖10 : 典型的過功率保護回應時間

圖11 : 超載保護狀態後,典型的恢復時間
圖11 : 超載保護狀態後,典型的恢復時間

USB電源管理

升壓轉換器


圖12顯示EVAL-CN0534-EBZ功率樹,其透過微型USB介面,從5 V電源消耗1.1 W功率。



圖12 : CN0534系統功率架構
圖12 : CN0534系統功率架構

LT8335為一款電流模式DC/DC轉換器,能夠利用單一回饋接腳產生正或負輸出電壓。其可以配置為升壓、SEPIC或反相轉換器,消耗低至6μA靜態電流。在典型應用中,低漣波Burst Mode可在低輸出電流時保持高效率,同時使輸出漣波保持在15 mV以下。內部補償電流模式架構可在寬輸入和輸出電壓範圍內穩定工作。整合軟啟動和頻率折返功能可在啟動期間控制電感電流。若需配置LT8335提供5.6 V輸出,則所需的基本連接如圖13所示。


輸出電壓透過輸出端和FBX接腳之間的電阻分壓器進行編程。根據公式1選擇電阻值,以提供正輸出電壓:


R1=R2 x (Vout / 1.6 -1) (1)


超低雜訊線性穩壓器



圖13 :  LT8335 5.6V 輸出框圖
圖13 : LT8335 5.6V 輸出框圖

ADM7150為一款超低雜訊高PSSR RF線性穩壓器,使用5 V輸出盡量增大HMC717A的增益。


ADM7150為一款低壓差線性穩壓器,在固定輸出電壓選擇下,在100 Hz到100 kHz範圍內提供1.0 μV rms典型輸出雜訊,在10 kHz以上提供<1.7 nV/√Hz雜訊譜密度,如圖14所示。



圖14 : 不同旁路電容(CBYP)下的雜訊譜密度與頻率
圖14 : 不同旁路電容(CBYP)下的雜訊譜密度與頻率

ADP150 用於為功率檢波器和自動重試電路產生3.3 V電壓。如圖15所示,其為一個高性能低壓差線性穩壓器,具有超低雜訊和超高PSRR架構,用於為雜訊敏感型RF應用供電。



圖15 : ADP150 PSSR 與頻率的關係
圖15 : ADP150 PSSR 與頻率的關係

常見變化

為了實現更寬的工作頻寬,可以使用HMC8411取代RF LNA。HMC8411為一款低雜訊寬頻放大器,工作頻率範圍為0.01 GHz到10 GHz。其提供15.5 dB典型增益、1.7 dB典型雜訊係數和34 dBm典型輸出3階截取點功率(OIP3),採用5 V電源電壓時功耗僅為55 mA。HMC8411還具有內部匹配50 Ω的輸入和輸出,非常適合基於表面黏著技術(SMT)的高容量微波無線電應用。


HMC550A可用於取代RF開關。其為一款低成本單刀單擲(SPST)故障安全開關,用於需要低插入損耗和低電流消耗的應用。這些元件可控制頻率範圍為DC至6 GHz的訊號,尤其適合IF和RF應用,包括RFID、ISM、汽車和電池供電標籤和筆記型電腦。


ADL6010可以用於包絡檢波器替代元件,為一款快速回應、45 dB範圍、0.5 GHz至43.5 GHz包絡檢波器。ADL6010多功能微波頻譜寬頻包絡檢波器,採用簡單的6接腳封裝,提供極低的功耗(8 mW)。該元件輸出的基頻電壓與射頻(RF)輸入訊號的暫態幅度成正比。其RF輸入具有非常小的斜率變化,以便包絡從0.5 GHz到43.5 GHz的輸出轉換函數。


電路評估與測試

以下部分概述評估 CN0534 性能的一般設定。


設備要求

‧ EVAL-CN0534-EBZ參考設計板


‧ 一個RF訊號源(R&S SMA100B)


‧ 一個訊號源分析儀(Keysight E5052B SSA)


‧ 一個網路分析儀(Keysight N5242A PNA-X)


‧ 一根SMA至SMA電纜


‧ 一根micro USB至USB電纜


‧ 5 V交流/直流USB電源轉接器


測試設定


圖16 : 相位雜訊和 SFDR 測試設定框圖
圖16 : 相位雜訊和 SFDR 測試設定框圖

要測量圖16所示的相位雜訊和SFDR,請執行以下步驟:


1.按如下步驟設定訊號源的測量配置:


--為了執行SFDR測量,設定中心頻率 = 5.8 Ghz,頻率範圍 = 5.79 GHz至5.81 GHz,RF幅值 = 10 dBm。


--為了執行相位雜訊測量,設定中心頻率 = 5.8 Ghz,偏移頻率範圍 = 10 Hz至30 MHz。如果設備可以處理放大器輸出(0 dBm輸入時約為20 dBm),請參考訊號源分析儀產品手冊上的最大輸入位準。如有必要,將衰減器連接到訊號源分析儀的輸入。


2.將訊號源產生器的功率位準設定為 0 dBm,中心頻率設定為 5.8 GHz。


3.使用 micro USB 電纜和額定功率大於 500 mW 的 5V 電源轉接器為 EVAL-CN0534-EBZ 供電。


4.將訊號產生器的輸出連接到 EVAL-CN0534- EBZ 的 RF 輸入(J2)。


5.將 EVAL-CN0534-EBZ 的 RF 輸出(J1)連接到訊號源分析儀。


6.在訊號源分析儀上執行測量運作。



圖17 : S 參數和雜訊係數測試設置框圖
圖17 : S 參數和雜訊係數測試設置框圖

要測量圖17所示的S參數和雜訊係數,請執行以下步驟:


1.將向量網路分析儀設定為所需的測量條件,採用以下設定:


--為了執行S參數測量,設定頻率範圍 = 4.8 GHz至6.8 GHz。


--為了執行相位雜訊測量,設定頻率範圍 = 5.3 GHz至6.8 GHz。


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-CN0534-EBZ 的 RF輸入(J2)可以直接連到測試埠,因此測試設定僅需要一根測量電纜。


3.使用 5 V 電源轉接器和 microUSB 電纜為EVAL-CN0534-EBZ 供電。


4.使用校準的測試設定將 EVAL-CN0534-EBZ 連接在向量網路分析儀的測試埠上。


5.將測量值設定為所需的 S 參數。


6.在向量網路分析儀上執行自動縮放功能。如果需要可調整比例。


RF性能

EVAL-CN0534-EBZ在5.8 GHz中心頻率下,將RF訊號輸入放大約+23 dB增益,回波損耗為?15 dB。圖18和圖19顯示EVAL-CN0534-EBZ的增益和回波損耗。



圖18 : EVAL-CN0534-EBZ 增益與頻率的關係
圖18 : EVAL-CN0534-EBZ 增益與頻率的關係

圖19 : EVAL-CN0534-EBZ 輸入回波損耗與頻率的關係
圖19 : EVAL-CN0534-EBZ 輸入回波損耗與頻率的關係

5.8 GHz時的單側帶相位雜訊,如圖20所示。



圖20 : EVAL-CN0534-EBZ在5.8 GHz下的單側帶相位雜訊與偏移頻率的關係
圖20 : EVAL-CN0534-EBZ在5.8 GHz下的單側帶相位雜訊與偏移頻率的關係

圖21顯示窄頻單音RF輸出,SFDR約為78 dBFS。



圖21 : EVAL-CN0534-EBZ在5.8 GHz時的窄頻單音RF輸出
圖21 : EVAL-CN0534-EBZ在5.8 GHz時的窄頻單音RF輸出

圖22顯示相應的雜訊值與頻率的關係,在5.8 GHz中心頻率下約為2 dB。



圖22 : EVAL-CN0534-EBZ 雜訊係數與頻率的關係
圖22 : EVAL-CN0534-EBZ 雜訊係數與頻率的關係
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