На склад поступили жидко-кристаллические индикаторы и дисплеи от KSE
РадиоЛоцман - Все об электронике

Управление питанием радиочастотных микросхем. Часть 1

Analog Devices ADL5380 ADP121 ADP151 ADP2370 ADP7104 ADRF6720 ADRF6820

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2015

Qui Luu, Analog Devices

Analog Dialogue

Сравнительное тестирование аккумуляторов EVE Energy и Samsung типоразмера 18650

По мере увеличения сложности радиочастотных интегральных схем (ИС) возрастает и количество шумовых связей между их блоками, что требует еще более внимательного отношения к вопросам управления питанием. В этой статье рассказывается, каким образом шумы источников питания влияют на характеристики радиочастотных ИС. Квадратурный демодулятор ADRF6820, в который интегрированы схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и генератор, управляемый напряжением (ГУН), будет рассматриваться лишь в качестве примера, однако результаты применимы к широкому кругу других радиочастотных микросхем.

Шум источника питания может ухудшить линейность из-за появления побочных продуктов преобразования в демодуляторе, а также увеличить фазовые шумы в ФАПЧ и ГУН. Проведенный ниже детальный анализ будет подкреплен рекомендациями по конструированию источников питания с использованием LDO регуляторов и импульсных преобразователей.

Прекрасным примером для дальнейшего обсуждения может служить радиочастотная микросхема ADRF6820 с высокой степенью интеграции и двумя напряжениями питания. В ней используется ядро активного смесителя, похожее на ядро микросхемы ADL5380, и блоки ФАПЧ/ГУН, идентичные блокам квадратурного демодулятора ADRF6720, поэтому все сказанное ниже будет относиться и к этим компонентам. Кроме того, рекомендации по конструированию источников питания могут быть отнесены и к любым другим схемам, требующим напряжения питания 3.3 В или 5 В и сходным по потреблению мощности.

Рисунок 1. Упрощенная блок-схема синтезатора ADRF6820.

Показанный на Рисунке 1 квадратурный демодулятор и синтезатор ADRF6820 идеально подходит для коммуникационных систем следующего поколения. В этом многофункциональном устройстве содержатся высоколинейный широкополосный I/Q-демодулятор, ФАПЧ с дробным коэффициентом деления и многоядерный ГУН с низким уровнем фазовых шумов. Кроме того, в микросхему интегрированы высокочастотный мультиплексор 2:1, перестраиваемый радиочастотный симметрирующий трансформатор, программируемый ВЧ аттенюатор и два LDO регулятора. Микросхема выпускается в корпусе LFCSP размером 6 × 6 мм.

Чувствительность источников питания

В наибольшей степени влиянию шумов источника питания подвержены ядро смесителя и синтезатор. Шумы, проникающие в ядро синтезатора, создают побочные составляющие в спектре сигнала, ухудшающие линейность и динамический диапазон. Это особенно важно для квадратурных детекторов, поскольку низкочастотные продукты преобразования попадают в интересующую полосу частот. Аналогичным образом шумы источника питания могут увеличить фазовые шумы узлов ФАПЧ и ГУН. Эффект возникновения побочных продуктов преобразования и роста фазовых шумов является общим для большинства смесителей и синтезаторов, но конкретная степень ухудшения их параметров определяется архитектурой и топологией кристалла. Понимание влияния этих шумов позволит конструировать более надежные источники питания, оптимизирующие характеристики и эффективность.

Чувствительность квадратурного демодулятора

В микросхеме ADRF6820 используется ядро двойного балансного смесителя, основанное на ячейке Гильберта, изображенное на Рисунке 2. «Двойной балансный» означает, что как вход гетеродина, так и сигнальный порт управляются дифференциально.

,
Рисунок 2. Ячейка Гилберта, используемая в двойном
балансном активном смесителе.

После того, как гармоники высших порядков будут обрезаны фильтром, на выходах смесителя останутся сумма и разность частот сигналов на входах ВЧ и гетеродина. Разность, называемая также промежуточной частотой (ПЧ), лежит внутри интересующей полосы частот и является полезным сигналом. Сумма находится вне этой полосы и подлежит фильтрации.

Рисунок 3. Пример спектра выходного сигнала смесителя
при проникновении шумов в шину питания.

В идеале, в ядре смесителя должны присутствовать только полезные сигналы высокой частоты и гетеродина, но такое бывает редко. Шумы источника питания могут проникать на входы смесителя и проявлять себя в форме паразитных составляющих спектра. В зависимости от источника проникающих шумов, относительные амплитуды этих составляющих могут различаться. На Рисунке 3 изображен пример спектра выходного сигнала смесителя, в котором могут присутствовать продукты преобразования, обусловленные проникновением шумов источника питания. На этом и последующем рисунках, а также ниже в тексте, будут использоваться обозначения:

  • CW – непрерывный сигнал или синусоидальный сигнал, проникающий на шину питания;
  • IF – промежуточная частота;
  • LO – сигнал гетеродина;
  • RF – входной радиочастотный сигнал.

Сигналом CW может быть, например, частота переключения 600 кГц или 1.2 МГц импульсного преобразователя напряжения. Шум источника питания может стать причиной возникновения двух различных проблем. Если шум проникает на выходы смесителя, сигнал с частотой CW появится на выходе без преобразования частоты. Если же шум пропадет в смеситель со стороны его входов, CW будет модулировать сигналы RF и LO, создавая продукты с частотами IF ± CW.

Эти продукты преобразования могут оказаться ближе к требуемой промежуточной частоте, что делает их фильтрацию затруднительной и неизбежно приводит к потерям динамического диапазона. Сказанное особенно справедливо для квадратурных демодуляторов, поскольку их спектр модулирующего сигнала сложен и сосредоточен вокруг нулевой частоты. Полоса демодуляции ADRF6820 занимает область от постоянного тока до 600 МГц. Если для питания ядра смесителя используется импульсный стабилизатор напряжения с частотой переключения 1.2 МГц, нежелательные продукты преобразования будет располагаться на частотах IF ± 1.2 МГц.

Чувствительность синтезаторов частоты

Исчерпывающую информацию о влиянии шумов источников питания на встроенные узлы ФАПЧ и ГУН можно найти по ссылкам, приведенным в конце статьи ([1], [2]). Изложенные там соображения применимы и к другим конструкциям аналогичной архитектуры, но в каждом случая нужна индивидуальная оценка необходимой мощности и способа ее обеспечения. Например, устойчивость к шумам встроенного ГУН микросхемы ADRF6820 за счет использования внутреннего LDO регулятора выше, чем у цепи ФАПЧ, питание которой не может быть подключено к интегрированному LDO регулятору.

Источник питания для ADRF6820 и ток потребления

Для разработки системы управления питанием, прежде всего, необходимо, рассматривая радиочастотную ИС как совокупность блоков, потребляющих электрическую энергию, определить, какие требования предъявляются к питанию каждого из них, каково их потребление и как на него влияют режимы работы микросхемы, а также для каждого блока оценить уровень подавления пульсаций питания. Но основе этой информации можно собрать данные о чувствительности радиочастотной микросхемы.

Каждый из основных функциональных блоков ADRF6820 имеет собственный внутренний вывод питания. Два блока питаются напряжением 5 В. Вывод VPMX предназначен для питания ядра смесителя, а напряжение VPRF поступает на цепи обработки радиосигнала и входные коммутаторы. Для остальных блоков требуется напряжение питания 3.3 В. Напряжение VPOS_DIG стабилизируется встроенным LDO регулятором на уровне 2.5 В и используется для питания интерфейса SPI, Σ-Δ модулятора схемы ФАПЧ и делителей синтезатора частот. Напряжение VPOS_PLL поступает на схему ФАПЧ, в том числе, на источник входной опорной частоты (REFIN), фазочастотный детектор и зарядовый насос. VPOS_LO1 и VPOS_LO2 обеспечивают питанием путь прохождения сигнала гетеродина, включая усилитель и опорный источник постоянного смещения. Вывод VPOS_VCO связан с еще одним встроенным LDO регулятором, выходное напряжение 2.8 В которого потребляется многоядерным ГУН. Использование LDO регуляторов важно для снижения чувствительности к шумам источника питания.

Микросхему ADRF6820 можно сконфигурировать для работы в нескольких режимах. В обычном режиме при частоте гетеродина 2850 МГц она потребляет менее 1.5 мВт. Уменьшение тока смещения снижает как потребление мощности, так и функциональные характеристики. Увеличение тока смещения смесителя делает его ядро более линейным и улучшает параметр IIP3 (входная точка пересечения интермодуляции третьего порядка), но ухудшает коэффициент шума и увеличивает расход энергии. Если первостепенное значение имеет коэффициент шума, ток смещения смесителя можно уменьшить, выиграв как в шумовых характеристиках ядра смесителя, так и в энергопотреблении. Точно так же можно управлять выходным током усилителей, увеличивая его для низкоимпедансных выходных нагрузок, и, соответственно, увеличивая потребляемую мощность. В справочных данных приводятся таблицы с данными о потреблении мощности для каждого режима работы.

Процедура и результаты измерений

Проникающий в шины питания шум приводит к появлению паразитных составляющих спектра с частотами CW и IF ± CW. Для имитации такой шумовой связи подайте сигнал CW на каждый вывод питания и измерьте амплитуду результирующего продукта преобразования относительно входного уровня CW. Запишите результат как коэффициент подавления пульсаций питания (PSRR) в дБ. PSRR зависит от частоты, поэтому включите в генераторе качание частоты CW от 30 кГц до 1 ГГц. Измерение коэффициента подавления пульсаций питания во всей рабочей полосе частот позволит определить, требуются ли в схеме дополнительные элементы фильтрации. PSRR вычисляется как:

  • CW PSRR [дБ] = входная амплитуда CW [дБм] – измеренное проникание CW на выход I/Q [дБм];
     
  • (IF ± CW) PSRR [дБ] = входная амплитуда CW [дБм] – измеренное проникание IF ± CW на выход I/Q [дБм];
     
  • (IF + CW) [дБм] = (IF – CW) [дБм], поскольку боковые гармоники несущей частоты, модулированной CW, имеют равные амплитуды.

Лабораторная установка

На Рисунке 4 показана схема лабораторной испытательной установки. Подключите источник напряжения постоянного тока 3.3 В или 5 В к анализатору цепей, чтобы получить свипируемый синусоидальный сигнал, смещенный на 3.3 или 5 В. Подайте этот сигнал на каждую из шин питания радиочастотной ИС. Два генератора будут заменять входной сигнал смесителя (RF) и сигнал гетеродина (LO). Измерьте параметры выходного сигнала анализатором спектра.

Рисунок 4. Лабораторная установка для измерения коэффициента подавления
пульсаций питания микросхемы ADRF6820.

Процедура измерений

Амплитуда паразитных продуктов преобразования зависит от способности микросхемы подавлять пульсации напряжения питания, а также от размеров и расположения развязывающих конденсаторов на демонстрационной плате. На Рисунке 5 показана зависимость амплитуды суммарной частоты (IF + CW) от частоты проникающего сигнала CW с уровнем 0 дБ, инжектированного в вывод питания. При отсутствии развязывающих конденсаторов амплитуда нежелательных составляющих находится в пределах диапазона –70 дБн … –80 дБн. В справочных данных рекомендуется устанавливать конденсатор 100 пФ вблизи устройства на верхней стороне платы и конденсатор 0.1 мкФ с обратной стороны. На графиках хорошо видны резонансы этих внешних конденсаторов. Провал в районе 16 МГц обусловлен конденсатором 0.1 мкФ с паразитной индуктивностью 1 нГн. Пик на частоте 356 МГц связан с параллельным резонансом конденсатора 100 пФ и суммарной паразитной индуктивности 2 нГн обоих конденсаторов. На частоте 500 МГц можно наблюдать резонанс конденсатора 100 пФ и паразитной индуктивности 1 нГн.

Рисунок 5. Влияние резонанса развязывающего конденсатора
на амплитуду IF ± CW.

Результаты

Амплитуды мешающего сигнала (CW) на шине питания и модулированных сигналов (IF ± CW) измерялись на соответствующих выходах микросхемы. Шум подмешивался в проверяемые шины питания, в то время как остальные шины оставлялись чистыми от помех. На Рисунке 6 показана амплитуда составляющей (IF ± CW), когда на вход питания вводится синусоидальный сигнал с уровнем 0 дБ и свипируется в диапазоне от 30 кГц до 1 ГГц. Рисунок 7 иллюстрирует прохождение сигнала частоты CW на выходы микросхемы.

Рисунок 6. Коэффициент подавления пульсаций питания
на частотах IF ± CW.
 
Рисунок 7. Подавление сигнала CW.

Ссылки

  1. Circuit Note CN0147. Powering a Fractional-N Voltage-Controlled Oscillator (VCO) with Low Noise LDO Regulators for Reduced Phase Noise. Analog Devices, Inc., 2010.
  2. Collins, Ian. Integrated PLLs and VCOs [Part 2]. Radio-Electronics.com, Nov 2010.

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices ADL5380
  2. Datasheet Analog Devices ADP121
  3. Datasheet Analog Devices ADP151
  4. Datasheet Analog Devices ADP2370
  5. Datasheet Analog Devices ADP7104
  6. Datasheet Analog Devices ADRF6720
  7. Datasheet Analog Devices ADRF6820

Окончание

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Power Management for Integrated RF ICs. Part 1

30 предложений от 20 поставщиков
Радиочастотные средства разработки Evaluation Board
AliExpress
Весь мир
ADL5390ACPZ ADL5801ACPZ ADL5380ACPZ ADL5382ACPZ ADL5802ACPZ ADL5201ACPZ ADL5365ACPZ IC
324 ₽
Триема
Россия
ADL5380ACPZ-WP
657 ₽
AiPCBA
Весь мир
ADL5380ACPZ-R7
Maxim
896 ₽
Кремний
Россия и страны СНГ
ADL5380ACPZ
по запросу
Электронные компоненты. Бесплатная доставка по России
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя