現(xiàn)代通信系統(tǒng)的差分電路設(shè)計與性能分析

通信系統(tǒng)設(shè)計的主要挑戰(zhàn)之一是以足夠的保真度成功捕獲信號。嚴格的標(biāo)準規(guī)范要求正確的接口拓撲選擇。用于蜂窩電話的通信標(biāo)準的部署，例如碼分多址(CDMA)和寬帶CDMA，需要高動態(tài)范圍，高輸入線性度和低噪聲，以避免阻塞，信號失真和靈敏度降低的影響。過去，由于實際應(yīng)用問題，全差分信號鏈的性能優(yōu)勢被單端選項所擊敗。然而，集成RF電路技術(shù)的最新進展和可用高性能差分RF構(gòu)建模塊的擴展允許差分架構(gòu)應(yīng)用于高性能接收器設(shè)計。

圖1：單端信號示例根據(jù)定義，單端信號是不平衡的，并且通過感興趣的信號與恒定參考點(通常為地)之間的差異來測量，該參考點用作信號的返回路徑。如果將誤差源引入單端信號，則可能遇到問題。由于接地參考不受注入誤差的影響，因此誤差通過信號傳遞。在單端配置中，引入所需信號的任何變化在移除時都是有問題的，而不涉及過于復(fù)雜的消除技術(shù)。因此，單端或非平衡信號更容易產(chǎn)生噪聲和干擾，例如電磁耦合干擾。另外，如下所示，不平衡配置比平衡電路具有更高的失真。

圖2：差分信號示例。

差分信號由圍繞參考移動的成對平衡信號組成指向相等但相反的幅度。復(fù)合差分信號對應(yīng)于正和負平衡信號之間的差異。例如，從兩個1 VP-P信號中，結(jié)果是2 VP-P的復(fù)合信號。在這種情況下，如果將誤差源引入差分信號路徑，則可能將其均等地添加到兩個平衡信號中的每一個。由于返回路徑不是恒定的參考點，一旦兩個平衡信號分量的差異抵消了誤差，差分信號將不受影響，誤差通常在每個信號轉(zhuǎn)換時的幅度相等。由于這個原因，平衡信號比不平衡信號更不容易產(chǎn)生噪聲和干擾。此外，正如將要討論的，平衡信號的失真低于單端電路。

圖3：傳統(tǒng)的接收器架構(gòu)。

這里顯示的是傳統(tǒng)的超外差接收器的框圖。無論拓撲結(jié)構(gòu)，單端還是差分，系統(tǒng)目標(biāo)都是成功地將所需信號傳送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字化。信號路徑由幾個RF模塊組成：天線，濾波器，低噪聲放大器(LNA)，混頻器，ADC驅(qū)動放大器和ADC。

天線之后的第一個模塊是LNA，其任務(wù)是放大信號高于熱噪聲。此階段的放大至關(guān)重要，因為它將決定系統(tǒng)的靈敏度，并確保LNA之后的后續(xù)混頻器和放大器不會顯著增加本底噪聲。在此過程中，有帶通濾波器可抑制任何帶外內(nèi)容，并減少接收器級可能沿信號路徑添加的失真或噪聲。下一個塊，即跟隨LNA的混頻器，頻率轉(zhuǎn)換感興趣的信號，將高頻RF信號下變頻到更低，更易管理的中頻(IF)。 ADC驅(qū)動放大器和抗混疊濾波器(AAF)準備由ADC進行數(shù)字化的信號。驅(qū)動器提供增益，AAF抑制ADC的第一個奈奎斯特區(qū)以外的任何區(qū)域，包括將傳遞到ADC輸入的噪聲，以及仍存在于信號路徑中的帶外雜散分量。最后，在模擬信號路徑的末端，ADC執(zhí)行數(shù)字化基帶信息的功能。

圖4：通信系統(tǒng)注意事項。

為了對比單端到差分，有一些系統(tǒng)級的性能指標(biāo)，必須遵守這些指標(biāo)才能設(shè)計出一個好的整體系統(tǒng)。已經(jīng)提到了通信系統(tǒng)中普遍存在的一些關(guān)鍵考慮因素，但重要的是要有一個完整的視圖。

什么是良好的無線電設(shè)計?根據(jù)應(yīng)用和架構(gòu)，性能規(guī)格會有所不同。然而，通常存在通信系統(tǒng)中普遍存在的常見考慮因素，例如失真，本底噪聲和動態(tài)范圍。此外，良好的靈敏度要求低本底噪聲和低時鐘相位噪聲。高輸入，三階截取(IP3)和高1 dB壓縮點(P1dB)對于輸入信號電平處理能力至關(guān)重要。

有很多傳輸共享空氣波。需要一個穩(wěn)健的系統(tǒng)來處理所需的信號，該信號通常很小并且存在可能很大的其他干擾信號。因此，在穩(wěn)健系統(tǒng)的設(shè)計中需要高靈敏度，輸入線性度，良好的選擇性以及對大附近信號的高抗噪性。其他考慮因素包括低成本，低功耗(特別是便攜式設(shè)備)和緊湊的尺寸。

圖5：差異優(yōu)勢。

使用差分信號鏈和單端信號鏈有幾個優(yōu)點;這里評論是最常見的。在輸出轉(zhuǎn)換方面，差分信號鏈與單端鏈相比具有優(yōu)勢。每個輸出上的較低信號電壓意味著可以實現(xiàn)更高的總信號電壓。因此，與單端信號相比，可以實現(xiàn)相同的整體信號擺幅，并且功耗更低。由于更大的可用輸出擺幅：可以實現(xiàn)更高的整體信號擺幅;可以實現(xiàn)相同的整體信號擺幅，但電源電壓較低;并且可以降低功耗。

系統(tǒng)線性度也有好處。在極低失真應(yīng)用中，與單端信號相比，電源的裕量可以增加兩倍。差分系統(tǒng)中偶次諧波的固有消除意味著與奇次諧波相比，第2，第4，第6等諧波將非常低。重要的是要注意，不能實現(xiàn)完美的取消，但有明顯的優(yōu)勢。差分架構(gòu)還允許一些預(yù)失真技術(shù)來幫助減少奇次諧波。此外，對于相同的電源軌，輸出1 dB壓縮點(P1dB)和OIP3通常會提高約6 dB。最后，由于信號的返回路徑不再通過接地，因此信號對接地噪聲和干擾的敏感度較低，從而轉(zhuǎn)換為具有改善的電源抑制比(PSRR)的更好的共模抑制比(CMRR)。此外，差分方法提供了對耦合電磁干擾(EMI)的更高抗擾度。

圖6：不平衡信號與平衡信號。

這里顯示的是兩個與單端和差別方法。第一個圖表示具有小的單側(cè)輸入信號的單端框圖。藍色信號說明了進入系統(tǒng)的任何類型的共模干擾。請注意，此藍色干擾信號也會在輸出端放大 - 它的放大程度與所需信號一樣多。很難將所需信號與干擾信號分開。

差分框圖顯示了由兩個極性相反的信號組成的所需信號，一個是正的，另一個是負的。在輸入處引入的任何干擾在兩個參考電平上都是相同的極性，如藍色所示。盡管在每個輸出處放大干擾信號，但是當(dāng)觀察復(fù)合信號時，兩個差分信號之間的差異，所需信號加倍，并且干擾已被消除。雖然單端方法容易受到共模噪聲，電源噪聲或EMI的影響，但差分模塊可以通過消除來抵抗這些干擾。

圖7：偶數(shù) - 除了共模干擾抗擾度之外，差分方法還具有偶次諧波的固有消除。這里顯示的是對單端方法的回顧。非線性器件，在這種情況下是單端放大器，由功率系列擴展傳遞函數(shù)描述，并在其輸入端提供正弦波。冪級數(shù)的擴展(底部的等式)揭示了一個常數(shù)與每個頻率倍數(shù)，偶數(shù)和奇數(shù)相關(guān)聯(lián)

圖8：輸出光譜圖。

說明此等式可以更容易地顯示其各種組件。表示基本信號的等式部分以灰色突出顯示。表示二次和三次諧波的部分分別以粉色和綠色突出顯示。功率系列的擴展表明，非零常數(shù)與每個頻率倍數(shù)相關(guān)，偶數(shù)和奇數(shù)。很明顯，單端非線性器件已經(jīng)在整個頻譜中產(chǎn)生了諧波，正如預(yù)期的那樣。

圖9：差分塊的消除效應(yīng)。

采取相同的方法觀察差分方法的數(shù)學(xué)方法可以看出偶次諧波的固有消除，這種益處類似于前面討論的共模干擾抗擾度。同樣，非線性器件，在這種情況下是差分放大器模塊，由功率系列擴展傳遞函數(shù)描述，并提供有一對極性相反的正弦波 - 這些表示器件輸入端的差分信號。通過擴展，顯示了差分塊的消除效果。

圖10：非線性器件的輸出頻譜。再次，說明這個等式可以更容易地顯示其各種元件。功率系列的擴展表明，該系列中的所有偶次諧波都被相反幅度的對應(yīng)物抵消。只有以灰色突出顯示的基本信號和以綠色突出顯示的三階諧波具有非零貢獻。在現(xiàn)實生活中，非理想器件無法實現(xiàn)完美的消除，但它們確實受益于較低的偶次諧波。

圖11：驅(qū)動ADC的挑戰(zhàn)。

通信系統(tǒng)設(shè)計的主要挑戰(zhàn)之一是成功地將所需信號驅(qū)動到模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。此處顯示的示例有助于說明差分信號鏈與單端信號鏈的優(yōu)勢。這里顯示的三個主要模塊是驅(qū)動放大器，抗混疊濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。足夠的信號檢測保真度需要適當(dāng)?shù)脑x擇和接口的實現(xiàn)。

這里(圖11)是兩個例子，一個單端和一個差分。目標(biāo)是捕獲左側(cè)信號傳輸?shù)乃{色部分。在存在其他較大的干擾信號時，它是一個小信號。要捕獲它，有必要考慮噪聲，動態(tài)范圍和ADC要求特定的其他因素。這對于僅提取感興趣的信號并將其傳遞給ADC來說都是必需的。該接收器信號如右圖所示;它已被放大并且阻塞器已被移除，僅留下信號的所需部分，以藍色顯示。

圖12：通信的單端和差分信號鏈性能比較圖12比較了通信系統(tǒng)接收器端的實際例子中的單端和差分信號鏈性能。第一個例子是單端方法，首先是單端IF驅(qū)動放大器，然后是單端抗混疊濾波器，然后由ADC輸入端的變壓器轉(zhuǎn)換為差分信號。請注意，在許多情況下，單端方法被認為是被動方法，因為變壓器用于將信號轉(zhuǎn)換為差分ADC。

差分示例以變壓器輸出端的差分信號開始，差分ADC驅(qū)動放大器，后面是差分抗混疊濾波器，以及ADC的輸入。差分方法稱為有效，因為可以使用放大器進行轉(zhuǎn)換。列出了每個組件的性能指標(biāo)，但下圖使用具有這些相同指標(biāo)的信號鏈性能表來幫助分析級聯(lián)系統(tǒng)性能并比較單端和差分方法。

圖13 ：信號鏈性能表。

對于單端拓撲，使用級聯(lián)噪聲系數(shù)和IIP3的公式，可以計算輸入?yún)⒖糝F性能。對于此示例，輸入?yún)⒖糏IP3為18.8 dBm，噪聲系數(shù)(NF)為11.4 dB。這導(dǎo)致5 MHz分析帶寬的SFDR(無雜散動態(tài)范圍)為76 dB。級聯(lián)功率增益為14.7 dB，輸入?yún)⒖紳M量程為-10.7 dBm使用相同的公式來計算差分方法的輸入?yún)⒖糝F性能，結(jié)果如下：輸入?yún)⒖糏IP3為21.5 dBm，噪聲系數(shù)為13.7 dB。這導(dǎo)致5 MHz分析帶寬的SFDR為76.5 dB，級聯(lián)功率增益為14 dB，輸入?yún)⒖紳M量程為-10 dBm。兩種方法的數(shù)字非常相似。然而，有源差分方法具有更高的失真性能，噪聲系數(shù)略高。此外，有源配置的無雜散動態(tài)范圍更高。請記住，沒有IF放大器，單端方法的輸入?yún)⒖紳M量程僅為6 dBm。還應(yīng)注意，差分抗混疊濾波器將需要兩倍于單端方法的串聯(lián)元件。盡管如此，無源接口通常需要更多的電阻填充并且需要來自上游驅(qū)動器的更高輸出功率，這通常意味著更高的電源電流。還要考慮單端驅(qū)動放大器往往具有更差的偶階失真和CMRR和PSRR。因此，通過消除ADC驅(qū)動器，放大需求正在向上游移動。差分方法將是基于整體性能的邏輯選擇。

圖14：ADL5562的主要規(guī)格和功能。

ADL5562是利用偶數(shù)階的器件示例取消差分方法以減少失真。它是一款高性能差分放大器，針對RF和IF應(yīng)用進行了優(yōu)化。該放大器具有2.1 nV/√Hz的低噪聲和寬頻率范圍內(nèi)的低失真性能，是高速8位至16位ADC的理想驅(qū)動器。 ADL5562通過引腳可綁定配置提供3 dB增益級別，分別為6 dB，12 dB和15.5 dB。如果在單端輸入配置中使用，增益將降至5.6 dB，11.1 dB和14.1 dB。該器件針對寬帶，低失真性能進行了優(yōu)化。這些屬性及其可調(diào)增益能力使其成為低失真，低噪聲和低功耗至關(guān)重要的通用IF和寬帶應(yīng)用的理想選擇。 ADL5562還針對壓擺速度，帶寬和寬帶失真的良好組合進行了優(yōu)化，可以驅(qū)動各種ADC，非常適合驅(qū)動混頻器，pin二極管衰減器，SAW濾波器和多元件分立器件。 。

圖15：ADL5562諧波失真圖。

圖15中的曲線圖顯示了ADL5562配置為單端和差分拓撲時產(chǎn)生的二次和三次諧波。雖然單端模式下的失真性能非常低，但在差分運算的偶數(shù)階性能方面具有明顯的優(yōu)勢。在單端模式下，ADL5562在100 MHz時具有-82 dBc的二階諧波值。在差分操作中，器件具有較低的二階諧波值，在相同頻率下小于-100 dBc。此外，相同電源軌上的差分拓撲結(jié)構(gòu)可以預(yù)期輸出1 dB壓縮點和OIP3的性能提高約6 dB。

圖16：ADI公司的差分放大器產(chǎn)品組合。 》ADL5562是ADI公司廣泛的差分放大器產(chǎn)品系列中的眾多產(chǎn)品之一。無論是驅(qū)動差分輸入ADC，還是通過長電纜長度發(fā)送和接收信號，ADI都有一個差分放大器來滿足需求。放大器具有固定增益或三種基本類型的增益控制：電阻設(shè)置增益，串行和并行數(shù)字控制或引腳可綁定增益選擇。

圖17：AD8375/6的主要規(guī)格和AD8375是一款數(shù)字控制，可變增益寬帶寬放大器，可提供精確的增益控制，高OIP3和低噪聲系數(shù)。 AD8376是AD8375的雙通道版本;兩個VGA采用5 mm x 5 mm單封裝。兩者都具有出色的失真性能和高信號帶寬，使其成為各種接收器應(yīng)用的理想增益控制器件。這些VGA提供寬泛的24 dB增益范圍，分辨率為1 dB。 AD8376采用先進的高速SiGe工藝，并采用專有的失真消除技術(shù)，在200 MHz時可實現(xiàn)50 dBm輸出OIP3。

圖18：不斷發(fā)展的差分接收器架構(gòu)。

接收器不斷發(fā)展，越來越多地使用差分組件。這種演變始于ADC，并逐漸向信號鏈上升。過去，信號應(yīng)用問題和有限的高性能差分RF構(gòu)建模塊可用性導(dǎo)致單端或部分差分信號鏈。如前所述，部分差分信號鏈的一個示例是設(shè)計人員選擇省略差分ADC驅(qū)動器，并使用單端器件直至ADC的變壓器。雖然這提供了一個簡單的解決方案，但性能需求只是向上游推動。除了消耗更高功率之外，單端驅(qū)動放大器解決方案往往具有更差的偶次失真，CMRR和PSRR。

此處所示的接收器信號鏈是一種常用于具有單端RF輸入和差分的接收器的架構(gòu)輸出。單端和差分操作之間的分界線似乎已經(jīng)在混頻器中得到了解決，其中諸如LNA的RF組件仍然作為單端組件提供。大多數(shù)SAW濾波器和混頻器內(nèi)核也是自然差分電路，但由于應(yīng)用限制，它們會轉(zhuǎn)換為單端。多年來，由于其高線性性能，已經(jīng)采用雙平衡混頻器拓撲結(jié)構(gòu)用于蜂窩應(yīng)用。遺憾的是，傳統(tǒng)的變壓器網(wǎng)絡(luò)用于將信號耦合到混頻內(nèi)核，以保持系統(tǒng)差分，消耗相當(dāng)大的電路板空間并為設(shè)計增加了大量成本。

圖19：ADL5355的主要規(guī)格和特點。結(jié)果集成RF電路技術(shù)的最新進展使得易于使用的RF模塊的設(shè)計具有單端RF輸入到差分IF輸出。 ADI公司的ADL5355混頻器是將單端RF輸入混合到差分IF輸出的器件示例。它允許在頑固的單端世界中保持固有的差異優(yōu)勢。 ADL5355框圖顯示所有三個內(nèi)部混頻器端口均為差分端口。為了便于使用，RF和LO端口使用變壓器連接到外部世界，允許單端接口。相比之下，包括驅(qū)動放大器的IF輸出端口是差分的，輸出阻抗為200歐姆，以便于連接到差分SAW濾波器。 LO和RF平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器(平衡到非平衡變壓器)的集成限制了器件的工作頻率范圍，需要一系列指定用于在蜂窩頻率范圍內(nèi)工作的器件。結(jié)果，該器件的輸入頻率范圍被限制在1200MHz至2500MHz的范圍內(nèi)，具有低側(cè)LO;也就是說，LO頻率始終小于RF頻率。

圖20：ADI公司高線性度接收器產(chǎn)品組合。

由于平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器的集成限制了混頻器的工作頻率，ADI提供覆蓋流行頻率的大型設(shè)備系列。請注意，圖20表中的某些設(shè)備具有非常寬的頻率范圍。這些器件確實具有寬頻率范圍，但它們的LO和RF端口需要外部平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器才能獲得最佳性能。

圖21：無線電設(shè)計要求和差分優(yōu)勢?？傊罘中阅軆?yōu)勢是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的必需品，其嚴格的標(biāo)準規(guī)范要求在阻塞，信號失真和靈敏度降低的情況下實現(xiàn)無與倫比的性能。為了滿足這一需求，不斷發(fā)展的差分信號路徑提供了高動態(tài)范圍，高輸入線性度和低噪聲等優(yōu)點。 ADI公司提供廣泛的差分RF元件產(chǎn)品組合，這些產(chǎn)品是集成RF電路技術(shù)的進步所帶來的。高性能差分RF構(gòu)建模塊的可用性越來越高，允許在最嚴格的無線蜂窩應(yīng)用中將差分架構(gòu)應(yīng)用于高性能接收器設(shè)計。