AD831 — смеситель с низким уровнем искажений

AD831 — смеситель с низким уровнем искажений

ОПИСАНИЕ ПРОДУКТА
AD831 — это монолитный смеситель с низким уровнем искажений и широким динамическим диапазоном, предназначенный для использования в таких приложениях, как понижающее преобразование ВЧ в ПЧ в ВЧ-диапазоне и УКВ-приемники, второй смеситель в базовых станциях DMR, прямое преобразование в базовую полосу, квадратурная модуляция и демодуляция, а также обнаружение доплеровского сдвига в приложениях ультразвуковой визуализации. Смеситель включает в себя драйвер гетеродина и малошумящий выходной усилитель и обеспечивает как программируемое пользователем энергопотребление, так и точку пересечения третьего порядка.
AD831 обеспечивает точку пересечения третьего порядка +24 дБм для мощности гетеродина –10 дБм, тем самым улучшая производительность системы и снижая ее стоимость по сравнению с пассивными смесителями, за счет устранения необходимости в мощном драйвере гетеродина и связанных с этим проблем экранирования и изоляции.
ВЧ, ПЧ и гетеродин могут быть связаны постоянным или переменным током, когда смеситель работает от источников питания ±5 В, или переменным током, когда он работает от однополярного источника питания не менее 9 В. Смеситель работает с ВЧ и гетеродинными входами до 500 МГц.
Выход ПЧ смесителя может быть как дифференциальным токовым, так и однополярным выходным напряжением. Дифференциальный выход формируется из пары открытых коллекторов и может быть связан по переменному току через трансформатор или конденсатор для обеспечения полосы пропускания 250 МГц. В приложениях понижающего преобразования один конденсатор, подключенный параллельно этим выходам, реализует фильтр нижних частот для уменьшения гармоник непосредственно в ядре смесителя, упрощая фильтрацию выходного сигнала. При построении квадратурно-амплитудного модулятора или смесителя с подавлением зеркального канала дифференциальные токовые выходы двух AD831 могут быть суммированы путем их соединения.
Встроенный малошумящий усилитель обеспечивает однополярный выходной сигнал напряжения и может управлять такими низкоимпедансными нагрузками, как фильтры, входы усилителей 50 Ом и АЦП. Его полоса пропускания по малому сигналу превышает 200 МГц. Коэффициент усиления устанавливается одним резистором, подключенным между выводами OUT и FB. Низкое постоянное смещение усилителя позволяет использовать его в таких приложениях с прямой связью, как преобразование в основную полосу частот и квадратурно-амплитудная демодуляция.
Коэффициент шума SSB смесителя составляет 10,3 дБ на частоте 70 МГц при использовании выходного усилителя и оптимального импеданса источника. В отличие от пассивных смесителей, AD831 не имеет потерь на входе и не требует внешнего диплексера или пассивной оконечной нагрузки.
Функция программируемого смещения позволяет пользователю снизить энергопотребление, за счет уменьшения точки компрессии 1 дБ и пересечения третьего порядка. Это позволяет найти компромисс между динамическим диапазоном и энергопотреблением. Например, AD831 может использоваться в качестве второго смесителя в базовых станциях сотовой связи и двусторонней радиосвязи с пониженным энергопотреблением, обеспечивая при этом существенное улучшение характеристик по сравнению с пассивными решениями.
ХАРАКТЕРИСТИКИ

Выход гетеродина –10 дБм для выходного сигнала +24 дБм (приведенного к точке пересечения третьего порядка)
Однополярный выход напряжения
Высокая изоляция между портами
Отсутствие потерь на входе
Работа от одного или двух источников питания
Коэффициент шума 10,3 дБ
Двухбалансный смеситель
Низкий уровень искажений

+24 дБм точка пересечения третьего порядка (IP3)
+10 дБм точка компрессии 1 дБ

Требуется низкий уровень возбуждения гетеродина: –10 дБм
Полоса пропускания

Входная полоса пропускания ВЧ и гетеродина 500 МГц
Дифференциальный ток на выходе ПЧ 250 МГц
Выход ПЧ с постоянным током до >200 МГц с однополярным напряжением

Связь по постоянному току с использованием двух источников питания

Все порты могут быть связаны по постоянному току
Отсутствие нижнего предела частоты — работа от постоянного тока

Программируемое пользователем энергопотребление

ПРИМЕНЕНИЕ

Высокопроизводительный ВЧ/ПЧ смеситель
Прямое преобразование в полосу частот
Смесители с подавлением зеркального сигнала
I/Q модуляторы и демодуляторы

Технические характеристики AD831
(TA = +25°C и VS = 5 В, если не указано иное; все значения в дБм предполагают нагрузку 50 Ом.)
ТЕОРИЯ РАБОТЫ
Микросхема AD831 состоит из ядра смесителя, ограничивающего усилителя, малошумящего выходного усилителя и схемы смещения (рис. 1).

Рисунок 1. Упрощенная принципиальная схема.
Входной ВЧ-сигнал смесителя преобразуется в дифференциальные токи высоколинейным преобразователем напряжения в ток класса А, образованным транзисторами Q1, Q2 и резисторами R1, R2. Полученные токи управляют дифференциальными парами Q3, Q4 и Q5, Q6. Вход гетеродина проходит через ограничивающий усилитель с высоким коэффициентом усиления и низким уровнем шума, который преобразует входной сигнал гетеродина –10 дБм в прямоугольную волну. Эта прямоугольная волна управляет дифференциальными парами Q3, Q4 и Q5, Q6 и формирует выходной сигнал высокого уровня на частотах IFP и IFN, состоящий из суммарной и разностной частот входного ВЧ-сигнала и гетеродина, а также ряд выходных сигналов более низкого уровня, вызванных смешиванием нечетных гармоник частоты гетеродина с входным ВЧ-сигналом.
Встроенная в микросхему сеть подает ток смещения на ВЧ и гетеродин, когда они связаны переменным током; эта сеть отключается, когда AD831 связан постоянным током.
При использовании интегрального выходного усилителя выводы IFN и IFP напрямую соединены с выводами AFN и AFP; встроенные нагрузочные резисторы преобразуют выходной ток в напряжение, управляющее выходным усилителем. Соотношение этих нагрузочных резисторов к резисторам R1, R2 обеспечивает номинальное единичное усиление (0 дБ) от ВЧ к ПЧ.
Низкочастотная фильтрация
Смеситель имеет два выхода с открытым коллектором (дифференциальные токи) на выводах IFN и IFP. Эти токи могут быть использованы для обеспечения номинального единичного усиления ВЧ-сигнала на ПЧ путем подключения трансформатора с центральным отводом (коэффициент трансформации 1:1) к выводам IFN и IFP, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Подключения трансформаторной связи к выходу ПЧ
Программирование тока смещения
Поскольку ВЧ-порт AD831 представляет собой схему класса А, максимальный входной ВЧ-сигнал пропорционален току смещения. Этот ток смещения может быть уменьшен путем подключения резистора от вывода BIAS к положительному источнику питания (рисунок 3). В нормальном режиме работы вывод BIAS остается неподключенным. Для минимального энергопотребления вывод BIAS подключается непосредственно к положительному источнику питания. Диапазон регулировки составляет от 100 мА в нормальном режиме работы до 45 мА общего тока при минимальном энергопотреблении.

Рисунок 3. Программирование тока покоя
Низкочастотная фильтрация
Простой низкочастотный фильтр можно добавить между смесителем и выходным усилителем, зашунтировав внутренние резистивные нагрузки (эквивалентное сопротивление около 14 Ом с допуском 20%) внешними конденсаторами; они ослабляют суммарную составляющую в приложениях понижающего преобразования (Рисунок 4). Частота среза этого однополюсного низкочастотного фильтра (f = (2 Ом RCF)–1) должна быть расположена примерно на октаву выше разностной частоты ПЧ. Таким образом, для ПЧ 70 МГц можно выбрать частоту –3 дБ 140 МГц, используя CF = (2 Ом 14 Ом 140 МГц)–1 = 82 пФ, ближайшее стандартное значение.

Рисунок 4. Фильтрация нижних частот с использованием внешних конденсаторов
Использование выходного усилителя
Выходной усилитель AD831 преобразует дифференциальный ток, выходящий из ядра смесителя, в однополярное напряжение и обеспечивает выходное напряжение до ±1 В пикового значения при нагрузке 50 В (+10 дБм). Для работы в режиме единичного усиления (Рисунок 5) входы AN и AP подключаются к выходам с открытым коллектором ядра смесителя, а OUT подключается к VFB.

Рисунок 5. Выходной усилитель, подключенный для работы в режиме единичного усиления
Для коэффициентов усиления, отличных от единицы, выход усилителя на выводе OUT подключается через аттенюатор к VFB; это определяет общий коэффициент усиления. Используя резисторы R1 и R2 (рисунок 6), выражение для установки коэффициента усиления выглядит следующим образом:

Рисунок 6. Схемы обратной связи выходного усилителя для увеличения коэффициента усиления
Управление фильтрами
Выходной усилитель может использоваться для управления нагрузками с обратным согласованием. Например, при управлении полосовым фильтром ПЧ (BPF) необходимо уделить должное внимание обеспечению оптимального согласования источника и нагрузки для достижения заданной характеристики фильтра. Широкополосный высоколинейный выходной усилитель AD831 предоставляет возможность увеличить коэффициент усиления ВЧ-ПЧ для компенсации потерь на входе и согласовании фильтра.
На рисунке 7 показано, как низкоимпедансный (источник напряжения) выходной сигнал выходного усилителя может управлять полосовым фильтром с двойным согласованием. Типичные потери в 10 дБ (4 дБ вносимых потерь и 6 дБ из-за обратного согласования) компенсируются включением цепи обратной связи, которая увеличивает коэффициент усиления усилителя на 10 дБ (в 3,162 раза). При построении цепи обратной связи путь сигнала между OUT и VFB должен быть как можно короче.

Рисунок 7. Схемы подключения для управления полосовым фильтром с двойным согласованием
Более высокие коэффициенты усиления могут быть достигнуты с использованием различных соотношений резисторов, но с сопутствующим уменьшением полосы пропускания этого усилителя (Рисунок 8). Следует также отметить, что шум Джонсона этих резисторов, устанавливающих коэффициент усиления, а также шум согласованных резисторов полосового фильтра в конечном итоге отражаются обратно на вход смесителя; поэтому они должны быть как можно меньше, в соответствии с допустимой нагрузкой на выходе усилителя.

Рисунок 8. Точка компрессии 1 дБ выходного усилителя для коэффициентов усиления 1, 2 и 4
(коэффициенты усиления 0 дБ, 6 дБ и 12 дБ соответственно).

ПРИМЕНЕНИЯ
Для минимизации восприимчивости AD831 к помехам от радио- и телестанций и т. д. необходим тщательный выбор компонентов, компоновка схемы, связь источника питания с постоянным током и экранирование. При лабораторных испытаниях рекомендуется размещать все компоненты в экранированном корпусе и использовать проходные развязывающие цепи для напряжения питания.
Компоновка и конструкция схемы также имеют решающее значение, поскольку паразитные емкости и индуктивности выводов могут образовывать резонансные цепи и являются потенциальным источником пиковых значений, колебаний или того и другого.
Работа с двумя источниками питания
На рисунке 9 показаны схемы подключения для работы с двумя источниками питания. Напряжение питания может быть низким, до ±4,5 В, но не должно превышать ±5,5 В из-за рассеиваемой мощности.

Рисунок 9. Схема подключения для работы с двухполярным питанием ±5 В, показывающая согласующую
цепь импеданса и коэффициент усиления 2 для управления фильтром ПЧ с обратной оконечной нагрузкой.

Вход ВЧ-сигнала AD831 показан подключенным через согласующую цепь импеданса при предполагаемом импедансе источника 50 Ом. На рисунке TPC 15 показана зависимость входного импеданса AD831 от частоты. Входную цепь можно смоделировать как сопротивление, параллельное конденсатору. Конденсаторы 82 пФ (CF), подключенные от IFN и IFP к VP, обеспечивают фильтр нижних частот с частотой среза приблизительно 140 МГц в приложениях понижающего преобразования (подробнее см. раздел «Теория работы»).
Вход гетеродина подключен несимметрично, поскольку ограничивающий усилитель обеспечивает симметричное управление смесителем. Для минимизации интермодуляционных искажений соедините выводы OUT и VFB кратчайшим возможным путем. Показанные соединения предназначены для работы с единичным коэффициентом усиления.
На частотах гетеродина менее 100 МГц мощность гетеродина AD831 может составлять всего –20 дБм для обеспечения удовлетворительной работы. На частотах выше 100 МГц необходимо использовать заявленную мощность гетеродина –10 дБм.
Работа от одного источника питания
Рисунок 10 аналогичен схеме с двумя источниками питания на рисунке 9. Напряжение питания может быть всего 9 В, но не должно превышать 11 В из-за рассеиваемой мощности. Как и на рисунке 9, оба порта RF и LO работают в однополярном режиме и имеют оконечный резистор.

Рисунок 10. Схемы подключения для работы от одного источника питания +9 В
В режиме работы от одного источника питания вывод COM является опорным напряжением «земли» для выходного усилителя и должен быть смещен до половины напряжения питания, что достигается резисторами R1 и R2. Вывод OUT должен быть связан с нагрузкой.
Подключения для квадратурной демодуляции
Два смесителя AD831 могут иметь параллельно соединенные ВЧ-входы, при этом их гетеродинные входы могут работать в фазовой квадратуре (рис. 11) для получения демодулированных синфазных (I) и квадратурных (Q) выходов.
Входы смесителей могут быть соединены параллельно, и может использоваться один оконечный резистор, если смесители расположены близко друг к другу на печатной плате.

Рисунок 11. Подключения для квадратурной демодуляции

[ На главную ] [ В раздел ]