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LT5527型RF混頻器及其在3G無(wú)線(xiàn)基站接收器中的應(yīng)用

出處:pheavecn 發(fā)布于:2007-04-23 11:45:11

1 引言
凌特公司(Linear Technology)推出的LT5527型高線(xiàn)性度有源下變頻RF混頻器能大幅降低3G蜂窩基站的成本并簡(jiǎn)化其設(shè)計(jì)。LT5527 RF混頻器具有3.7 GHz的工作頻率。在1.9 GHz時(shí),LT5527具有23.5 dBm的IP3(輸入3階截取)線(xiàn)性度、2.3dB轉(zhuǎn)換增益和12.5 dB噪聲指標(biāo),符合3G蜂窩基站和其他高性能無(wú)線(xiàn)基站接收器的動(dòng)態(tài)范圍要求。LT5527的本機(jī)振蕩器(LO)和RF輸入以單端方式工作,具有內(nèi)置50Ω阻抗,只需很少外部匹配器件,可降低基站成本和縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。此外.LT5527內(nèi)包含1個(gè)低噪聲LO緩沖器,允許工作于-3 dBm LO驅(qū)動(dòng)功率,解決了RF隔離難題,無(wú)需外部濾波電路。
LT5527工作于400 MHz-3.7 GHz的寬頻率范圍,該范圍覆蓋850 MHz蜂窩頻帶、1.9 GHz-2.1GHz W-CDMA及UMTS頻帶。也覆蓋了工作于450MHz、2.4 GHz和3.5 GHz頻帶的其他高性能無(wú)線(xiàn)設(shè)備。LT5527在RF和LO輸入端都有片上RF變壓器。這些變壓器方便了50Ω阻抗匹配,并使輸入能以單端方式工作。

2 LT5527的主要特性及引腳功能

2.1 LT5527的主要特性
LT5527采用單5 V工作電源。典型工作電流為78 mA。它可用EN引腳關(guān)斷。關(guān)斷時(shí),消耗100μA靜態(tài)電流。LT5527采用16引腳4 mmx4mm QFN封裝。LT5527的主要特性如下:

50Ω單端式的RF和LO:
高輸入IP3:0.9 GHz時(shí)的輸入IP3為+24.5dBm,1.9 GHz時(shí)的輸入IP3為+23.5 dBm:
0.9 GHz時(shí)的轉(zhuǎn)換增益為3.2 dB,1.9 GHz時(shí)的轉(zhuǎn)換增益為2.3 dB;
低噪聲:0.9 GHz時(shí)的噪聲指標(biāo)為11.6 dB。1.9 GHz時(shí)的噪聲指標(biāo)為12.5 dB;
高LO-RF及LO-IF隔離;
LO至RF泄漏為-44 dBm;
工作電壓范圍為4.5 V~5.25 V。

2.2 LT5527的引腳功能
LT5527由高線(xiàn)性雙平衡混頻器、RF緩沖放大器、高速限幅LO緩沖器及偏置/使能電路構(gòu)成,RF和LO輸入以單端方式工作,IF輸出是差分輸出,低端LO和高端LO注入均可用。LT5527的外引腳排列如圖1所示,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示,各引腳的功能如下所述。


NC(1,2,4,8,13,14,16):這些引腳內(nèi)部不連接,與電路板的地相接,以改善LO至RF及LO至IF之間的隔離。
RF(3):RF信號(hào)輸入端,該引腳內(nèi)部與RF輸入變壓器的初級(jí)相連。若RF信號(hào)源不被DC阻隔.則需串聯(lián)一耦合電容器。在1.7 GHz-3 GHz之間。RF輸入由內(nèi)部匹配。400 MHz,3 700 MHz都需外部匹配。
EN(5):使能端,當(dāng)輸入使能電壓超過(guò)3 V時(shí),混頻器電路通過(guò)6、7、10和11啟動(dòng)。當(dāng)輸入電壓低于0.3 V時(shí),所有的電路都不工作。EN=5 V時(shí)的典型輸入電流為50 mA,EN=0 V時(shí),電流為0μA。即使在啟動(dòng)時(shí),EN端的電壓也不應(yīng)超過(guò)Vcc0.3V。
Vcc2(6):偏置電路的電源輸入端,電流消耗為2.8 mA。該端外部接至Vcc1端,并接1 000 pF及1μF的耦合電容器。
Vcc1(7):LO緩沖器的電源端,電流消耗為23.2mA。該端外部接至Vcc2端,并接1 000pF及1μF的耦合電容器。
GND(9,12):地端,該端和底板地相連以增強(qiáng)隔離度,也是電路板上的RF地。
IF-,IF+(10,11):IF信號(hào)差分輸出,需進(jìn)行阻抗變換以實(shí)現(xiàn)輸出匹配。這些端子通過(guò)阻抗匹配電感器、RF扼流圈或變壓器中心抽頭與Vcc相連。
LO(15):本地振蕩器的單端輸入,該端內(nèi)部與LO變壓器的初級(jí)相連。在1.2 GHz~5 GHz之間,LO輸入可內(nèi)部匹配。在380 MHz以下工作時(shí)需簡(jiǎn)單的外部匹配。
Exposed Pad(17):整個(gè)電路地的返回端,必須焊接至印刷電路板的接地面。

3 LT5527的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)
圖3示出由混合變壓器構(gòu)成的IF匹配電路。以達(dá)到LO-IF泄漏和寬的IF帶寬。圖4示出由1個(gè)離散的IF不平衡變壓器代替IF變壓器的電路,以降低成本和縮小尺寸。盡管離散的IF不平衡變壓器也有較理想的噪聲系數(shù)、線(xiàn)性度及較高的轉(zhuǎn)換增益,但是LO-IF泄漏降低,IF的帶寬減小。


3.1 RF輸入端的設(shè)計(jì)
RF輸入端由1個(gè)集成變壓器和一個(gè)高線(xiàn)性差分放大器組成,變壓器的初級(jí)與RF輸入端(引腳3)和地連接。變壓器的次級(jí)內(nèi)部與差分放大器輸入端連接。
變壓器初級(jí)的一端內(nèi)部和地連接,如果RF源有DC電壓,則在其輸入端接入耦合電容器。在1.7GHz-3 GHz之間,RF輸入可由內(nèi)部匹配,在這個(gè)頻率范圍不需要外部匹配。頻帶邊沿輸入回波損耗的典型值為10 dB。
在低頻帶邊沿的輸入匹配電路中,串聯(lián)的電容器的值是2.7 pF(引腳3),以改善1.7 GHz的回波損耗(>20 dB);同樣,為改善2.7 GHz的回波損耗(>30dB),其匹配串聯(lián)的電感器感值是1.5 nH。同時(shí),串聯(lián)1.5nH/2.7 pF匹配網(wǎng)絡(luò)使頻帶的邊沿更理想,并將RF的輸入帶寬擴(kuò)大至1.1 GHz~3.3 GHz。
在400 MHz低頻處或3.7 GHz處,RF輸入匹配網(wǎng)絡(luò)在原有基礎(chǔ)上增加并聯(lián)電容器C5,如果450MHz下的輸入匹配電容器C5的容值為12 pF,在評(píng)估板的50 Ω輸入傳輸線(xiàn)上,位于距離引腳34.5 mm的位置;900 MHz下的輸入匹配電容C5=3.9 pF,位于距離引腳31.3 mm的位置;3.5 GHz下的輸入匹配電容器C5=0.5 pF。位于距離引腳34.5mm的位置。這種串聯(lián)傳輸線(xiàn)/并聯(lián)電容器匹配拓?fù)涫沟肔T5527可用于倍頻標(biāo)準(zhǔn),而不需要修正電路板的設(shè)計(jì)。串聯(lián)傳輸線(xiàn)可用串聯(lián)的片式電感器代替,以使布局更簡(jiǎn)單。
RF輸入阻抗和S11與頻率的關(guān)系(沒(méi)有外部匹配)列于表1。S11數(shù)據(jù)用于微波電路模擬設(shè)計(jì)自定義匹配網(wǎng)絡(luò)。模擬和RF輸入濾波器的接口連接。

3.2 LO輸入端的設(shè)計(jì)
LO輸入端由1個(gè)集成變壓器和1個(gè)高速限幅差分放大器組成,其中。放大器驅(qū)動(dòng)混頻器.得到的線(xiàn)性和的噪聲.1只內(nèi)部耦合電容器和變壓器的初級(jí)串聯(lián)。無(wú)需連接外部耦合電容器。盡管內(nèi)部放大器將有效頻率限制在3.5 GHz。但在1.2 GHz~5 GHz范圍內(nèi),LO輸入由內(nèi)部匹配。當(dāng)然輸入匹配可以變換,在低頻(750 MHz)處,給引腳15并聯(lián)1只電容器(C4),850MHz~1.2 GHz匹配中,C4=2.7 pF。
750MHz以下的LO輸入匹配要求串聯(lián)電感L4/并聯(lián)電容C4,在650 MHz~830 MHz,其匹配網(wǎng)絡(luò)的L4=3.9 nH,C4=5.6 pF;在540 MHz~640MHz,其匹配網(wǎng)絡(luò)的L4=6.8 nH,C4=10 pF。評(píng)估板不包含L4的焊盤(pán).因此可切斷近處的引腳15以便插入L4。L4是低功耗多層片式電感器。

頻率大于1.2 GHz時(shí),盡管放大器提供的功率有幾個(gè)dB.但LO驅(qū)動(dòng)功率只有-3 dBm(LO輸入功率變化,混頻器性能不變);在頻率低于1.2GHz的情況下,盡管-3 dBm的LO驅(qū)動(dòng)功率仍然提供高轉(zhuǎn)化增益和線(xiàn)性。但是為了得到噪聲,LO驅(qū)動(dòng)功率為0 dBm。自定義匹配網(wǎng)絡(luò)的阻抗數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,并參考LO端沒(méi)有匹配時(shí)的情況。



3.3IF輸出端的設(shè)計(jì)
IF輸出端(IF+和IF-)和晶體管混頻開(kāi)關(guān)的集電極連接,如圖5。IF+和IF-分別有電壓偏置,主要通過(guò)變壓器中心抽頭或匹配電感取得。每個(gè)IF端從總電流(52 mA)中分出26 mA的電流。為了得到單端工作性能,這些差分輸出需通過(guò)1個(gè)IF變壓器或1個(gè)離散的IF不平衡變壓器與外部電路結(jié)合。圖3所示的電路包含1個(gè)用于阻抗變換和差分單端轉(zhuǎn)換的IF變壓器。圖4所示的電路由1個(gè)離散的IF不平衡變壓器實(shí)現(xiàn)同樣的功能。低頻時(shí)IF輸出阻抗可等效415 Ω并聯(lián)2.5 pF的電容器。頻率與IF差分輸出阻抗的關(guān)系如表3所示。這些數(shù)據(jù)參考封裝引腳(沒(méi)有外部元件),包含了IC和封裝寄生效應(yīng)的影響。對(duì)于IF頻率為幾千赫茲的低頻或600MHz的高頻??善ヅ漭敵鯥F。


差分單端IF匹配的方法有以下三種:
(1)直接8:1 IF變壓器匹配
IF頻率低于100 MHz時(shí),簡(jiǎn)單的匹配設(shè)計(jì)是將1個(gè)8:1變壓器連接到IF端,變壓器將進(jìn)行阻抗變換并提供單端50 Ω輸出。在圖3所示電路中.這種匹配通過(guò)短接L1、L2、用8:l變壓器(不設(shè)置C3)代替4:1變頻器即可實(shí)現(xiàn)。
(2)低通濾波器+4:1 IF變壓器匹配
實(shí)現(xiàn)的LO-IF泄漏和較寬的IF帶寬很簡(jiǎn)單.如圖5所示為由3個(gè)元件構(gòu)成低通濾波匹配網(wǎng)絡(luò)。匹配元件C3、L1和L2結(jié)合內(nèi)部2.5 pF電容器形成1個(gè)400 Ω~200 Ω低通濾波匹配網(wǎng)絡(luò),該匹配網(wǎng)絡(luò)諧振于所期望的IF頻率。這里4:1變壓器將200 Ω差分輸出變換成50 Ω的單端輸出。


該匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)40 MHz以上(包括40 MHz)的IF為合適。對(duì)于40 MHz以下的IF頻率。若串聯(lián)電感器(L1、L2)的電感值取得過(guò)高,用這樣的電感和寄生效應(yīng)將影響穩(wěn)定性,因此,8:1變壓器適合于低IF頻率。適用于IF頻率的低通濾波的匹配元件值如表4所示。高Q值線(xiàn)繞片式電感器(L1、L2)大大改善了混頻器的轉(zhuǎn)換增益,但對(duì)線(xiàn)性度還是有點(diǎn)影響。


(3)離散IF不平衡變壓器匹配
在許多應(yīng)用中,可以用離散IF不平衡變壓器代替IF變壓器,如圖4所示。L1、L2、C6和C7的值可用式(1)、式(2)計(jì)算,在IF頻率期望值上得到180°相移,并提供50 Ω的單端輸出。電感器L3的值也可計(jì)算,但L3抵消內(nèi)部2.5pF的電容器,L3也為IF+端提供偏置電壓。低功耗多層片式電感適合L1、L2,為了得到轉(zhuǎn)換增益以及為IF+端提供DC電壓,L3選用高Q值線(xiàn)繞片式電感器,C3是DC的隔離電容器。

與低通濾波4:1變壓器匹配技術(shù)相比.這種網(wǎng)絡(luò)提供約為0.8 dB的高轉(zhuǎn)換增益(忽略IF變壓器上的損耗),較好的噪聲系數(shù)和IP3。IF中心頻率偏移±15%,轉(zhuǎn)換增益和噪聲下降約1 dB。超過(guò)±15%以上,轉(zhuǎn)換增益逐漸減少,但噪聲迅速增大。IP3對(duì)帶寬不太敏感,與低通濾波4:1變壓器匹配相比仍可實(shí)現(xiàn)以性能,除了IF帶寬,的差別是LO-IF泄漏,減少約-38 dBm。

通用IF頻率下離散IF不平衡變壓器的元件值如表5所示。由于電路板和寄生效應(yīng)的影響,表5中的值與計(jì)算值略有差別。

對(duì)整個(gè)差分IF結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),還可以從另一個(gè)角度考慮,不用IF變壓器,如圖6所示,這里,混頻器的IF輸出匹配直接通過(guò)1個(gè)SAW濾波器,混頻器IF端的電源由IF匹配網(wǎng)絡(luò)中的電感器提供。計(jì)算L1、L2和C3的值,使之在期望的IF頻率上諧振,并獲得高品質(zhì)因數(shù)和理想帶寬。調(diào)整L和C值,以消除混頻器內(nèi)部2.5 pF電容和SAW濾波器輸入電容的影響。在這種情況下,由于帶通網(wǎng)絡(luò)不變換阻抗,其差分IF輸出阻抗是400 Ω。若SAW濾波器的輸入阻抗大于或小于400 Ω,就需要附加匹配元件。



  
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