ADSLCO局端的设计和热阻

2006-05-07 15:50:04来源: 电子产品世界

在过去的几年里,对于高速进入国际互联网、内部局域网以及短距离数据通信的需求呈指数增长,并预计至2005年内将还会不断地增长。电话线路中诸如双绞线式的传输,可用于本地网络的数据端和计算机端的数据传输以及视频点播(VOD)应用中。与这些类似的技术还可能会被视频设计者采用,他们准备将成本较高的同轴电缆用更低价位的双绞线替代。这些应用都需要极快的速率和更高的集成化技术。

从过去到现在,采用纯技术数据传输的难题在于其占用的带宽远远超过了其数据率。针对于此,目前调制解调器技术正蓬勃地发展成一个由数字用户环路(DSL)型构成的家庭系列,这里我们统称为XDSL。在这些环路应用中,模拟技术的采用可在电话线路上实现数据率成百倍析增长。

数字用户环路(DSL)是一门新兴技术。由于采用电缆、光纤和卫星等方式进入英特网的大量需求,使它得以迅猛地发展。下面主要阐述ADSL局端CO(Central Office)系统驱动部分,有关技术上的分析和讨论适用于各款标准的DSL和所有驱动器的设计。

讨论了ADSL DMT CO线路驱动器的要求之后,我们会给出典型的线路驱动器的回路。由变压器的变比和热阻值还可计算出驱动器的输出电流和电压值。接着,我们会测试驱动器的线性度和功率消耗。由功耗我们还可计算所需的热阻值。最后,给出关于ADSL和HDSLII的不同的功率需求。

ADSL CO驱动器的关键指标如下:

线路峰值输出功率(peak output line power)为20dBm

电话线路阻抗(POTS line impedance)为100欧姆

ADSL DMT CO的波峰因数(crest factor)为14.5dB

由线路的输出功率和阻抗,我们可计算出线路输出的平均电压和电流值。

Pout=(Vout-rms)2 / Rline

Vout-rms=3.16V

线路的差分输出峰峰值由峰均值比(PAR)和相应的波峰因数(CF)计算出来。

CR=20log(PAR)=4.5dB,

PAR=5.3

Voutpp-diff=Vout-rms*PAR*2=33.52V

ADSL Co的输出电压峰峰值需为33.52V,峰值输出电流可由峰值输出电压除以100欧姆的线路阻抗得出,其值为167.6mA。

常用的差分收发电路中,驱动器由两个放大器组成,用来传输差分信号。接收器将返回的信号转换成单端信号。

图1给出了一个典型的差分驱动器的电路结构图。作为计算的初始条件,输出电压的峰峰值为32.52V,线路的峰值电流为167.6mA。驱动器的线路输出电压和电流由变压器的变化N和回路匹配电阻Rterm的值决定。差分式驱动器和接收器的总的关键指标在于要有:对称式的动态响应、较宽的频带宽度、低的相位和增益差、灵活的操作、大的输出电流和低的总谐波失真。

变压器的变比N是非常重要的参数,因为它决定着驱动器的输出电流、电压和功率消耗。例如,我们设定N为1.41(典型值),那么驱动器的峰值输出电流Iout-peak则为:

167.6mA*1.41=236.3mA

在变压器与驱动器相联的一侧的差分输出电压峰值(Vout peak to peak)为:

32.5V/1.41=23.1V

每个放大器的输出电压峰峰值为11.53V。

驱动器的输出值取决于匹配电阻的大小。匹配电阻用来匹配线路的阻抗和消除返回到信号源的反射功率。

当线路100%匹配时,电阻值为25欧姆,输出电压值为23.1V。在60%匹配时,电阻值则降低为15欧姆,输出电压为18.45V。这点较容易满足驱动器的输出需求,但是要允许有部分反射功率回到驱动放大器。因此,这类放大器的输出电路应针对此类反射而设计决定。

两个输出幅度电平的失真如图2所示。这些线性曲线为DSL驱动器EL1503的特性。失真从线性区急剧地上升。而在60%匹配时,输出电压为18.5V时,器件则工作在线性区。因此,仅简单地从失真的指标考虑,对于ADSL CO驱动器放大器的配置设计,60%的匹配是较好的。

线路的信号强度是由信噪比(SNR)来量化的。有许多因素决定了它,其中包括接收器的分辩率、线路的衰减以及系统的附加噪声。首先的干扰源为电话线路和设备产生的背景噪声,其次为单管多绞线间的信号串扰。这类多绞线间的串扰对音频无大碍,但对DSL的信号却很不利。由于衰减和串扰是由频率决定的,因而作为此二者所决定的信噪比(SNR)也受频率限制。信噪比决定了系统的线路驱动能力。

变压器的变化N为1.41,电阻值由匹配在60%时选择,功耗使可计算机出来。给出的电压Vs=+/-12V,选择为满功率模式[C0,C1为低],Rest选为1.5K欧姆,正端供电电流为12mA,负端为1lmA。现在可计算出静态的功率消耗。

Pd(静态)=Vs+*(Is+-7mA)+Vs-*(Is- -7mA)

(引处的7mA 是驱动得负载时流向输出的静态电流)

在这个等式中,静态功耗为108mW。输出级的功耗可由供电电压(减去输出电压的有效值)乘以输出电流来计算。总的功率消耗为1.023W。当功耗为1.023W和60%的匹配电阻时,效率为8.5%。最高的晶片温度设在150℃,最高环境温度假定为80℃,最大热阻指标为63.3℃/W。

图3中的电路给出了一个热阻的测试方法。内部的二极管用于测试晶片的1.76mV/℃的温度系数。驱动器为电流反馈的单位增益放大器,Vin+接地,反馈电阻为2k欧姆。测试线路板放置于一个封闭的环境中,以获得稳定的周边气流和温度条件。首先当U1和U2开关打开时,测量C0和C1间的二极管电压。接下来,接通U1和U2开关给晶片加电。5分钟后晶片的温度趋于稳定,这时可测得正负电流来计算出功率消耗:

Pd=[(Is+)+(Is-)]*12V

经过5分钟后,可测得C0与C1间的二极管电压来计算出温度的变化:

△Temp=[V(二极管接通)-V(二极管断开)]/1.67mV/C

一旦功耗和△T确定下来,热阻便可由△T除以功耗计算出来。

表1 其它的DSL指标

  ADSL C0 Full Rate ADSL C0 G.Lite ADSL CP HDSL Ⅱ
线路功率[dBm] 20 16.3 13 16.5
RMS线路功率[mW] 100 43 20 44.7
线路阻抗[ohm] 100 100 100 135
RMS线路电压[V] 3.1 2 1.4 2.46
RMS线路电流[mA] 31 21 15 18.2
波峰因数 5.3 5.3 5.3 3
峰-峰线路电压[V] 33 22 15.2 14.8
峰线路电流[mA] 170 110 76 54.7

表1列出了目前流行的DSL系统的一些关键的功率指法标。这对于其它的DSL系统的方案设计和所讨论的热阻是非常有用的。

关键字:设计  热阻

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