X-Amp™, un novo amplificador de ganancia variable (VGA) de 45 dB e 500 MHz simplifica os deseños de receptores adaptativos

Introdución O deseño de equipos de comunicacións sen fíos comeza normalmente coa definición e análise estratéxica da cadea de sinal. A figura de ruído (NF), a linealidade, a distorsión e o rango dinámico deben considerarse nunha fase inicial do ciclo de desenvolvemento do produto para identificar adecuadamente as especificacións dos compoñentes para cada elemento da ruta do sinal. A análise do orzamento da cadea de sinal permite aos deseñadores seleccionar rapidamente compoñentes, analizar e comparar o rendemento das arquitecturas de deseño que se están considerando. O reto é maior nos sistemas de comunicacións móbiles, onde se debe prestar especial atención aos mecanismos de selectividade espectral, linealidade e ruído asociados aos bloques de sinal de RF e IF. Os receptores pódense deseñar para proporcionar sensibilidade adaptativa á intensidade do sinal entrante empregando ganancia variable nas frecuencias IF máis baixas, onde é máis doado manipular o sinal de interese. A maioría da preparación espectral (formación de frecuencias e filtrado) tende a implementarse nas frecuencias de FI máis baixas onde os filtros de paso de banda moi estreita poden realizarse facilmente mediante o uso de dispositivos SAW, cristais e redes de filtros RLC de elementos agrupados pasivos. Despois da selección de canles precisa, pódense empregar circuítos de control de ganancia automáticos (AGC) para escalar o sinal recibido ata o nivel desexado. O uso de AGC produce un deseño de receptor cuxa sensibilidade varía, en función da intensidade do sinal recibido. A sensibilidade adaptativa reduce os efectos da distancia inherentes aos ambientes móbiles de canles en decoloración. Os amplificadores de ganancia variable de alto rendemento adoitan ser necesarios para proporcionar o rango dinámico e o rendemento de ruído necesarios. Antecedentes Os amplificadores de ganancia variable (VGA) utilizáronse nunha variedade de equipos de teledetección e comunicacións durante máis de medio século. Aplicacións que van desde ultrasóns, radares, lidar ata comunicacións sen fíos, e mesmo análise de voz, utilizaron a ganancia variable nun intento de mellorar o rendemento dinámico. Os primeiros deseños lograron a selección de ganancia ao conectar as etapas do amplificador de ganancia fixa para axustar a sensibilidade do receptor de forma binaria. Implementacións posteriores utilizaron atenuadores de pasos seguidos de amplificadores de ganancia fixa para conseguir un rango máis amplo de control de ganancia discreta. Os deseños modernos conseguen unha ganancia continua controlada por voltaxe, utilizando técnicas analóxicas, por medios como atenuadores de tensión variable (VVA), multiplicadores analóxicos e interpoladores de ganancia. Figura 1. Arquitecturas típicas de ganancia variable. Utilízanse habitualmente unha variedade de arquitecturas para proporcionar control de ganancia variable tanto continuo como discreto. Aplicacións como o control automático de ganancia a miúdo requiren un control de ganancia analóxico continuo. Os deseños máis sinxelos utilizan multiplicadores analóxicos seguidos de amplificadores de buffer de ganancia fixa. Estes deseños adoitan implicar unha función de control de ganancia non lineal que require calibración. Ademais, os núcleos multiplicadores sofren dependencias de temperatura e tensión de alimentación que poden producir unha precisión e estabilidade da lei de ganancia deficientes, así como variacións de ganancia de alta frecuencia inaceptables. Os deseños que usan arquitecturas de pre-amplificador/atenuador/post-amplificador poden proporcionar un funcionamento baixo ruído e un bo ancho de banda, pero tenden a ter unha intercepción de terceiro orde de entrada (IIP3) bastante baixa, o que limita a súa capacidade de funcionar en receptores de alto rango dinámico. . Outra clase de solucións emprega atenuadores de tensión variable, seguidos de postamplificación de ganancia fixa. Os VVA poden proporcionar unha función de transferencia de atenuación precisa que é lineal en dB, pero moitas veces é necesario en cascada varios VVA para proporcionar un rango de atenuación adecuado. A cascada dá como resultado unha maior sensibilidade ás variacións da función de transferencia de atenuación. Ás veces é necesario preamplificar o sinal para amortiguar a fonte de sinal dos efectos de carga do VVA, así como para diminuír a influencia do atenuador na figura de ruído. A alta ganancia necesaria para producir unha baixa cifra de ruído ten como resultado unha intercepción de terceira orde de entrada diminuída. Figura 2. Arquitectura do AD8367 X-Amp VGA. O AD8367 X-AMP VGA con AGC A arquitectura X-AMP, orixinada hai dez anos cos Analog Devices AD600 e AD602, (Analog Dialogue 26-2, 1992), permite unha función de control de ganancia lineal en dB que é esencialmente independente da temperatura. Comprende unha rede de escaleiras resistivas, xunto cun amplificador altamente lineal e unha etapa de interpolación, para proporcionar unha función de control de ganancia continua lineal en dB. O AD8367 (Figura 2) é a última xeración de X-AMP VGA. O seu deseño está implementado nun novo proceso bipolar complementario extra-rápido (XFCB2.0) que proporciona unha ganancia moderada ata centos de MHz e unha linealidade mellorada a frecuencias máis altas que ata agora dispoñible co procesado de semicondutores convencional. Como mostra a Figura 2, o sinal de entrada aplícase a unha rede de escaleiras resistivas R-nR de 9 etapas con referencia a terra, deseñada para producir pasos de atenuación de 5 dB entre os puntos de toma. O control da ganancia suave conséguese detectando os puntos de toma con etapas de transcondutancia variable (gm). Dependendo da tensión de control de ganancia, un interpolador selecciona que etapas están activas. Por exemplo, se a primeira etapa está activa, detectase o punto de toma de 0 dB; se a última etapa está activa, detectase o punto de 45 dB. Os niveis de atenuación que se sitúan entre os puntos de toma conséguense tendo activas simultáneamente as etapas gm veciñas, creando unha media ponderada das atenuacións discretas dos puntos de toma. Deste xeito, sintetízase unha función de atenuación suave, monótona e lineal en dB cunha escala moi precisa. A función de transferencia lineal en dB ideal pódese expresar como: (1) onde MY é a escala de ganancia (pendente) expresada normalmente en dB/V, normalmente 50 dB/V (ou 20 mV/dB) BZ é a intercepción de ganancia en dB, normalmente –5 dB, a ganancia extrapolada para VGAIN = 0 V. VGAIN é a tensión de control de ganancia O esquema básico de conexión do AD8367, a función de transferencia de ganancia e o patrón típico de erro de ganancia móstrase na Figura 3, mostrando a pendente da función de transferencia de ganancia de 50 dB/V e interceptación de -5 dB sobre unha ganancia. rango de tensión de control de 50 mV ≤ VGAIN ≤ 950 mV. O dispositivo permite inverter a pendente de ganancia mediante unha simple correa do pin MODE. O modo de ganancia inversa é conveniente nas aplicacións de control automático de ganancia (AGC), onde a función de control de ganancia se deriva dun integrador de erros, que compara a potencia de saída detectada cun nivel de punto de consigna predeterminado. Un detector de lei cadrada e o integrador de erros, integrado no chip, permiten que o dispositivo se utilice como un subsistema AGC autónomo. Figura 3. Circuíto básico de aplicación VGA AD8367 e función de transferencia de control de ganancia, mostrando erros típicos a varias temperaturas. Na Figura 4 móstrase un circuíto AGC autónomo típico, xunto coa súa resposta no dominio do tempo a un paso de tensión de entrada de 10 dB. Neste exemplo, a entrada de sinal é unha sinusoide de 70 MHz, e a súa entrada está modulada por pasos de –17 a –7 dBm (referido a 200 ohmios). A potencia do sinal de saída mídese como unha tensión polo detector interno de lei cadrada e compárase cunha referencia interna de 354 mV rms. A saída do detector é unha corrente, que se integra mediante un capacitor externo, CAGC. A tensión que se desenvolve a través do condensador CAGC acciona o pin GAIN para reducir ou aumentar a ganancia. O bucle estabilizarase cando o valor eficaz do nivel de sinal de saída se fai igual á referencia interna de 354 mV. Cando o sinal de entrada é inferior a 354 mV rms, o pin DETO afunde corrente o que reduce a tensión no pin GAIN. A medida que o sinal de entrada aumenta por riba dos 354 mV rms, o pin DETO orixina corrente que fai que aumente a tensión no pin GAIN. O modo de ganancia inversa é necesario nesta aplicación para garantir que a ganancia diminúe cando o valor eficaz do sinal de entrada supera a referencia interna. A tensión resultante aplicada ao pin GAIN, VAGC, pódese usar como unha indicación da intensidade do sinal recibido (RSSI), que representa a intensidade do sinal de entrada en comparación cunha referencia de 354 mV rms. Para unha forma de onda sinusoidal, isto dá como resultado un sinal de saída de 1 V pp para unha carga de 200 ohmios. Figura 4. Circuíto básico de aplicación AD8367 AGC e resposta no dominio do tempo a 70 MHz. Análise da cadea de sinais Na figura 5 represéntase unha moderna arquitectura superheterodina. O AD8367 úsase na ruta de recepción (Rx) para axustar de forma adaptativa a ganancia global do receptor a medida que cambia o nivel de sinal de RF. No camiño de transmisión (Tx), o AD8367 úsase xunto cun detector de potencia de RF para manter o nivel de potencia de saída desexado. Figura 5. Arquitectura superheterodina usando VGA para control de nivel de FI. Os VGA úsanse nas etapas de frecuencia intermedia para axustar a sensibilidade global do receptor de forma adaptativa e controlar os niveis de potencia transmitida. Considerando o camiño de recepción, a sensibilidade global e o rango dinámico pódense avaliar mediante a análise do orzamento do camiño do sinal. Para este exemplo seleccionouse un sinal PCS-CDMA, usando un ancho de banda de ruído de 1 MHz. Traballando cara atrás desde a saída do AD8367 IF VGA, pódese analizar a sensibilidade de entrada e o rango dinámico. A Figura 6 representa unha análise detallada do orzamento desde a entrada do receptor ata a saída do IF VGA. Figura 6. Análise do orzamento da ruta de Rx para CDMA de 1900 MHz cun IF de 70 MHz. No exemplo anterior, o AD8367 controla os niveis de sinal recibidos antes do demodulador I&Q. O AD8367 é un exemplo de VGA que usa atenuación variable seguido dun amplificador de post-ganancia. Este estilo de VGA mostrará esencialmente un OIP3 constante e unha cifra de ruído que varía coa configuración da ganancia. O AD8367 proporciona unha cifra de ruído mínima na ganancia máxima e unha entrada máxima de terceira orde de intercepción na ganancia mínima. Esta combinación única permite o control dinámico da sensibilidade e da linealidade de entrada dun receptor, en función da intensidade do sinal recibido. O AD8367 (faga clic nesta ligazón para ver as fichas técnicas e máis información) caracterízase por sobretemperaturas de -40 a +85 °C e está empaquetado nun paquete de contorno fino (TSSOP) de 14 derivacións. Funciona cunha única fonte de 3 a 5 voltios. O dispositivo ten un ancho de banda operativo de –3 dB de 500 MHz; e a súa folla de datos proporciona especificacións detalladas nas frecuencias de FI comúns, como 70 MHz, 140 MHz, 190 MHz e 240 MHz. Se estás lendo o PDF ou a versión impresa deste artigo, visita www.analog.com para descargar a folla de datos ou solicitar mostras. O AD8367 normalmente está dispoñible en stock e tamén está dispoñible unha tarxeta de avaliación. Agradecementos O innovador AD8367 foi deseñado por Barrie Gilbert e John Cowles.

Deixar unha mensaxe 

Lista de mensaxes