通信系統(tǒng)設(shè)計的主要挑戰(zhàn)之一是如何成功捕獲高保真度信號。

為了避免強(qiáng)干擾效應(yīng)、信號失真和靈敏度降低，蜂窩通信系統(tǒng)必須滿足蜂窩標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求，比如具有高動態(tài)范圍、高輸入線性度和低噪聲的碼分多址(CDMA)和寬帶CDMA(W-CDMA)。

過去，一些實(shí)踐性問題常導(dǎo)致完全差分信號鏈的性能優(yōu)勢被單端信號鏈所掩蓋，但隨著集成射頻電路技術(shù)和高性能差分射頻構(gòu)建模塊的不斷發(fā)展，如今差分架構(gòu)已能應(yīng)用于高性能接收機(jī)設(shè)計中。本文將討論差分信號鏈在3G和4G無線應(yīng)用中的性能和優(yōu)點(diǎn)。

接收機(jī)信號鏈

圖1是傳統(tǒng)超外差接收機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它很好地描述了差分信號鏈相對單端信號鏈的優(yōu)勢。不管采用什么拓?fù)?，我們的目?biāo)就是將所需信號成功發(fā)送到ADC端進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化。信號路徑由以下幾個射頻模塊組成：天線、濾波器、低噪聲放大器(LNA)、混頻器、ADC驅(qū)動放大器和ADC。

圖1：接收機(jī)在不斷發(fā)展，越來越多的接收機(jī)將使用差分元件。這個趨勢開始于ADC，并將逐漸向信號鏈上游移動。先進(jìn)的集成射頻電路技術(shù)和差分射頻構(gòu)建模塊的擴(kuò)充允許差分架構(gòu)應(yīng)用于高性能接收機(jī)設(shè)計。

LNA是天線之后的第一個模塊，用于放大熱噪聲之上的信號。這級電路中的噪聲非常重要，因?yàn)樗鼘Q定系統(tǒng)靈敏度，而放大可以確保隨后的混頻器和放大器不會增加顯著的噪聲。沿信號路徑往后是帶通濾波器，用于抑制帶外信號，減少由其它電路級引起的失真和噪聲。

跟隨LNA之后，混頻器頻率轉(zhuǎn)換感興趣的信號，將高頻射頻信號下變頻至頻率更低、更易于管理的中頻信號(IF)。ADC驅(qū)動放大器和抗混濾波器(AAF)對將要數(shù)字化的信號進(jìn)行預(yù)處理。驅(qū)動器提供增益，AAF抑制第一奈奎斯特區(qū)外的信號，包括將會發(fā)送給ADC的噪聲和帶外雜散分量。在模擬信號路徑末端，由ADC完成基帶信息的數(shù)字轉(zhuǎn)換。

理想情況下，只有感興趣的信號(圖1左邊的藍(lán)色圖形)才會被傳送到數(shù)字域。需要使用一個魯棒系統(tǒng)來處理這個可能很小的目標(biāo)信號，同時抑制可能較大的干擾信號。魯棒系統(tǒng)的設(shè)計，需要具有高靈敏度、輸入線性、選擇性和抗噪聲性能。根據(jù)具體的應(yīng)用和架構(gòu)，性能指標(biāo)可能有所變化，但在大多數(shù)通信系統(tǒng)中，像失真、本底噪聲和動態(tài)范圍等都是通常要考慮的要素。輸入三階截取點(diǎn)(IP3)和1dB壓縮點(diǎn)(P1dB)必須高。其它需要考慮的因素還包括低成本、低功耗和小尺寸。

差分優(yōu)勢

圖2比較了單端信號和差分信號之間的基本區(qū)別。這里使用了一個通用增益模塊，但相同的概念可應(yīng)用于信號鏈中的混頻器和其它器件。在比較單端和差分信號時，要將系統(tǒng)級性能評估標(biāo)準(zhǔn)牢記在心，以實(shí)現(xiàn)良好的總體接收機(jī)設(shè)計。

圖2：差分信號固有的抵消優(yōu)勢可抵抗噪聲和干擾，同時提供偶次諧波的抵消作用。

根據(jù)定義，單端信號是一種不平衡信號，通過感興趣信號與固定參考點(diǎn)之間的差值來進(jìn)行衡量。這個參考點(diǎn)通常是地，用作信號的返回路徑。如果有誤差源被引入信號路徑，就會產(chǎn)生問題。因?yàn)榈貐⒖际遣皇茏⑷胝`差的影響，因此誤差將通過信號向前傳送。如果不使用極度復(fù)雜的抵消技術(shù)，在單端配置中引入的任何信號變化都很難消除。因此，單端信號很容易受噪聲和電磁耦合干擾的影響。

另一方面，差分信號由成對的平衡信號組成，這些信號以參考點(diǎn)中心，幅度相同，相位相反。正和負(fù)平衡信號之間的差值對應(yīng)于復(fù)合差分信號。如果誤差被引入差分系統(tǒng)路徑，它將以相同的幅度同時增加到兩個平衡信號上。因?yàn)榉祷芈窂讲⒉皇且粋€固定的參考點(diǎn)，誤差將在差分信號中抵消。因此差分信號鏈不易受噪聲和干擾的影響。這種固有的誤差抵消功能還可以提供更好的共模抑制比(CMRR)和電源抑制比(PSSR)。

差分信號鏈還有一個單端信號鏈不具備的優(yōu)勢，即在相同電源電壓下復(fù)合信號擺幅可以達(dá)到單端擺幅的兩倍，從而增加了信噪比。換句話說，在相同電源電壓下增加了放大器余量，降低了失真；或者可以用更低的電源電壓提供相同的信號擺幅，從而降低功耗。

圖2顯示了差分系統(tǒng)中固有的偶次諧波抵消。非線性器件，如本例中的單端和差分放大器，可以用給定正弦輸入信號時的冪級數(shù)擴(kuò)展傳遞函數(shù)來描述。在單端方案中，輸出的每個倍頻分量都有一個常數(shù)，包括偶次和奇次頻率。在差分模塊中，偶次非線性在復(fù)合輸出響應(yīng)中被抵消。雖然實(shí)際器件不能實(shí)現(xiàn)完美的抵消功能，但它們確實(shí)可以因偶次諧波降低而受益。

圖3顯示了針對驅(qū)動高速8位至16位ADC而優(yōu)化的超低失真、低噪聲差分放大器的諧波失真情況。圖中顯示了ADC器件被配置為單端和差分拓?fù)鋾r的二次和三次諧波。雖然單端模式下的失真非常低，100MHz時的HD2值為82dBc，但采用差分操作時的偶次性能更好，在相同頻率點(diǎn)HD2值低于100dBc。因此在相同電源軌條件下，采用差分拓?fù)涞恼麄€信號鏈的P1dB和IP3有望提高約6dB。

圖3：雖然單端模式中的失真性能很低，但差分操作對偶次性能來說確實(shí)有明顯的好處。在相同電源軌條件下，差分拓?fù)涞妮敵觯眃B壓縮點(diǎn)和IP3有望提高約６dB。