数字VGA可简化无线收发器设计

2008-03-15 17:37:18来源: 电子工程设计 关键字:增益控制  噪声系数  控制电压  DVGA  串行控制  串行输出  QFN  收发器  无线

  【提要】在高频无线通信中,信号放大是一个关键功能。许多最新的无线通讯系统在无线通信下变频电路中依靠保持稳定的幅度,即使是面对大范围的输入信号水平。

  正因为如此,在许多无线射频收发器中,可变增益放大器(VGA)已经成为基本的组成模块。传统的VGA通过改变DC电压来设定放大器的增益,尽管为了提供高精度的控制电压,需要额外的电路及印制电路板(PCB)面积来设计驱动电路。Hittite Microwave已研制出一种替代方案:数字VGA(DVGA)(图1)。其特点是具有传统模拟VGA的性能,简单的数字控制接口和宽带宽、需要极少的额外器件以及需要极少的PCB空间等其他优势。

  新的DVGA出现是由于市场需要在更宽的频率范围内精细控制增益的递增,并保持其稳定增加。重要设计要求包括具有高输出第三阶截距点(OIP3)低噪声系数的宽动态范围,而且还需要具有高分辨率步长的宽增益控制范围,在频率和不同增益水平范围内性能的一致性,以及在宽工作带宽内增益调整的单调性。所得到的HMC625LP5E、HMC626LP5E和HMC627LP5E 型DVGA(见表),是设计用于涵盖所有主要无线标准/频带,其中包括了全球移动通信系统(GSM)、码分多址访问(CDMA)手机、宽带CDMA(WCDMA)、通用移动通信服务(UMTS)、无线局域网(WLAN)以及WiMAX等应用。所有这三个可变增益放大器封装在微小的5×5mm塑料QFN无铅表面贴装封装中(所有型号也有LP5E含铅版),以便用户可以灵活地为特定系统的需求而互换器件。所有这三个DVGA提供了31.5dB的总增益控制范围,获得了信号衰减与正增益的结合。

  

  

  

  例如,HMC625LP5型在直流到6GHz内提供了最宽的带宽,从直流到3GHz的典型增益为18dB,从3至6GHz的最大增益设置为13dB。6-b DVGA提供了-13.5dB到18dB步长0.5dB的增益设置。当设定为最大增益时,HMC625LP5达到了极大的动态范围,从直流到6GHz只有6dB的噪声系数和+33dBm的OIP3。HMC625LP5E型还具有最值得夸耀的15dB的典型输入回波损耗和12dB的典型输出回波损耗。从直流到3GHz在1dB压缩的输出功率通常为+19dBm,而从3到6GHz通常为+16dBm。

  DVGA的数字控制特性既灵活又精确,允许串行或并行接口以及选择合适的上电状态。通常,在收发器前端达到特定的增益水平涉及到将多个放大器设置为高或低增益状态,然后将其级联起来实现增益变化的精确增加。可以采用一个DVGA来实现同样的增益控制水平和范围。

  对前端设计师而言,采用DVGA而不是采用模拟VGA,这样做具有一定显著的优势,这是因为它允许在恒定增益状态灵活的操作集成了放大器的DVGA,从而限制了它的非线性行为,与此同时在DVGA内采用其他电路控制了增益输出。因此,将集成放大器失真或OIP3的非线性贡献最小化,并扩展了可用动态范围的上限。动态范围的另一端,DVGA的噪声系数随频率变化是非常稳定的,还由于在恒定增益状态操作每个DVGA的集成放大器,并通过额外的电路来调整增益。相比之下,传统模拟VGA的噪音系数往往跨越不同频率并随增益设置而变化。

  在6GHz下的HMC625LP5型以及1GHz下的HMC627LP5型DVGA,其集成的数字控制功能包括了CMOS和TTL兼容的双模接口并接受三线串行接口(SPI)或6-b并行字。用户选择上电状态以及串行输出端口来为台式评估以及其他采用串行控制的级联设备提供额外的灵活性。

  

  

  图2表示了主要控制状态下HMC625LP5 DVGA的最大增益与频率的关系。在图3中,将主要增益状态与频率归一化作为最大增益状态的参考,来突出在6-GHz宽带宽范围内所有增益(和衰减)状态下性能的一致性。

  

  

  图3不仅表明了频率范围以上的相对状态均匀性,而且指出了可以实现的全部动态范围。图4给出了HMC625LP5 DVGA位误差数据与主要增益状态频率之间的关系。如图所示,位误差在频率和32-dB动态范围上从未产生超过+0.6dB幅度偏差。在6-GHz频率范围内其一般具有0.25dB的增益步长误差。

  

  为了应用在1GHz下对性能进行优化是最为重要的,低频型号HMC627LP5从直流到1GHz提供了通常具有+36dBm和仅仅4.3dB噪声系数的宽动态范围。在6-b数字控制下,它提供了31.5dB的增益控制范围,从直流到500MHz在最大增益设置下具有20dB的典型增益,而且从500到1000MHz在最大增益设置下通常为17.5dB。在整个频率范围内,在1dB压缩下输出功率一般为+20dBm。输入回波损耗一般是17dB,而输出回波损耗一般是12dB。HMC627LP5型在单一的+5V直流电源下电流为90mA。

  新DVGA系列中的其余器件HMC626LP5是三个高增益器件之一。它提供了其他型号两倍的增益,而且保持了6-b可控的32dB动态范围。与HMC627LP5一样,其涵盖直流至1GHz,能提供从8至42.5dB的增益且仅有2.8dB的噪音系数。HMC626LP5在整个频率范围内达到了+36dBm的OIP3且在1dB压缩下具有+20dBm的典型输出功率。正如它DVGA对应物一样,其保证每个数字增益设置增益精度在0.25dB内。它工作在单一的+5-VDC电源下仅需176mA电流。

  

  

  对大部分DVGA供应商而言,一个关键的设计挑战就是在整个频带内保持单调性(增益状态在频率上不重叠)和一致性(增益状态在频率上不能单独变得很大)状态关系的能力。图5表明,新的DVGA保持了具有数字增益设置的精确增益水平,并且对任何放大器模型在整个频率范围内具有从未超过+0.5dB最低有效位(LSB)的最高步长误差。这保证了不同增益状态之间的单调关系。在另一方面,保持一致性就是使得步长误差不超过大于LSB或-0.5dB的负水平。DVGA在其工作带宽内保持单调状态关系,否则增益状态将重叠并且数字逻辑输入可能不会导致预期的增益输出,这是极为重要的。正如图5所示,HMC625LP5 DVGA中,通用放大器在宽频率范围内表现出一致的性能

  

  

  

  图6表示了基站收发器的模块图,突出位置表示DVGA。三个DVGA采用了32引脚5×5mm的表面贴装技术(SMT)封装。采用使用简单的50Ω放大器,无需外部匹配元件。

 

关键字:增益控制  噪声系数  控制电压  DVGA  串行控制  串行输出  QFN  收发器  无线

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