具備超載保護(hù)USB 供電ISM無線通信
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國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）將433.92 MHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)（ISM）射頻頻段分配給1區(qū)使用，該區(qū)域在地理上由歐洲、非洲、俄羅斯、蒙古和阿拉伯半島組成。盡管最初目的在用于無線電通訊之外的應(yīng)用，但多年來無線技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步使得ISM頻段在短距離無線通信系統(tǒng)中頗受歡迎。
ITU 1 區(qū)的營(yíng)運(yùn)業(yè)者無需為使用433.92 MHz頻段獲得許可，常見應(yīng)用包括軟件定義無線電、醫(yī)療設(shè)備和重型機(jī)械的工業(yè)無線電控制系統(tǒng)。在美國(guó)，433.92 MHz頻段屬于70 cm業(yè)余無線電頻段（頻率范圍420 MHz至450 MHz），由獲得許可的業(yè)余無線電臺(tái)使用。此頻段也常用于低功耗、短距離應(yīng)用，例如車庫門遙控開關(guān)、耳機(jī)、嬰兒監(jiān)視器，以及電源開關(guān)和燈光調(diào)節(jié)器。
圖一所示電路是一個(gè)雙級(jí)RF低噪聲放大器（LNA），其針對(duì)433.92 MHz ISM頻段中的接收器訊號(hào)鏈進(jìn)行優(yōu)化。在中心頻率，電路產(chǎn)生大約40.5 dB的增益。RF輸入和輸出埠采用50 Ω阻抗匹配設(shè)計(jì)，支持電路與標(biāo)準(zhǔn)50 Ω系統(tǒng)之間的直接連接。其輸入未經(jīng)濾波，保持1.4 dB噪聲系數(shù)，但輸出端配有SAW濾波器，會(huì)消減帶外干擾。
該電路中包含高速超載檢測(cè)器和關(guān)斷開關(guān)，用于保護(hù)連接至接收器系統(tǒng)的下游敏感設(shè)備。當(dāng)RF功率水平下降到可接受范圍內(nèi)時(shí)，接收器系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行。RF輸入和輸出是標(biāo)準(zhǔn)的SMA連接器，整個(gè)設(shè)計(jì)由一個(gè)微型USB連接器供電。
圖一 : CN0555 簡(jiǎn)化功能架構(gòu)
電路描述
RF 放大器級(jí)
CN0555在其RF訊號(hào)路徑中使用兩個(gè)ADL5523低噪聲放大器。ADL5523為一款高性能砷化鎵（GaAs）假晶高電子遷移率晶體管（pHEMT） RF低噪聲放大器，提供高增益和低噪聲系數(shù)。圖二顯示該組件的典型S參數(shù)性能，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，其典型增益為21.5 dB，回波損耗高于10 dB。
ADL5523的典型噪聲系數(shù)為0.8 dB，1 dB壓縮點(diǎn)（P1dB）為21 dBm，三階截取點(diǎn)（OIP3）為34 dBm。將兩個(gè)ADL5523放大器串聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)40 dB整體增益。
圖二 : ADL5523 典型 S-參數(shù)
阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)
ADL5523需要使用一個(gè)外部匹配網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的阻抗針對(duì)所需的頻段進(jìn)行調(diào)諧，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化性能。輸入匹配網(wǎng)絡(luò)包括與RFIN接腳串聯(lián)的電感和一個(gè)并聯(lián)電容。在輸出端，匹配網(wǎng)絡(luò)以類似的方式在偏置線路上使用電感和電容。圖三展示完整的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，以及將兩個(gè)ADL5523放大器串聯(lián)的實(shí)現(xiàn)方案。
圖三 : 用于串聯(lián) ADL5523 放大器的基本連接
這些組件的正確布局對(duì)于輸入/輸出阻抗匹配也很重要；因此，CN0555遵循ADL5523產(chǎn)品手冊(cè)中針對(duì)500 MHz調(diào)諧頻段的推薦布局和組件大小。
SAW 濾波器
CN0555的LNA輸出透過表面聲波（SAW）濾波器進(jìn)行濾波，有助于消除不必要的頻外放大。選擇濾波器時(shí)，必須在頻段平坦度和頻外抑制之間取得平衡。SAW濾波器也是一個(gè)插入損耗源，其會(huì)降低訊號(hào)鏈的整體增益，選擇時(shí)需要仔細(xì)考慮。CN0555使用的SAW濾波器具有2 dB典型插入損耗和50 Ω端接阻抗。
RF 定向耦合器
CN0555包含一個(gè)纖薄、超小型的高性能3 dB 90°混合耦合器。該組件的工作頻率為400 MHz至900 MHz，輸入和輸出阻抗為50 Ω，433.92 MHz時(shí)的典型插入損耗為0.3 dB。
RF 開關(guān)
ADG901 是采用CMOS制程制成的寬帶RF開關(guān)，可以提供高隔離和低插入損耗。其是一種吸收式開關(guān)，具有50 Ω端接輸入和輸出。該開關(guān)允許使用者傳遞高達(dá)0.5 V的DC訊號(hào)，無需使用隔直電容。
ADG901的工作頻率為DC至4.5 GHz，在4.5 GHz時(shí)的插入損耗為3 dB。在433.92 MHz中心頻率時(shí)，此組件在「導(dǎo)通狀態(tài)」下的典型插入損耗為0.4 dB，如圖四所示；在「關(guān)斷狀態(tài)」下的典型插入損耗約為70 dB，如圖五所示。
圖四 : ADG901 在導(dǎo)通狀態(tài)下的插入損耗性能
圖五 : ADG901 在關(guān)斷狀態(tài)下的隔離損耗性能
組合來自濾波器、耦合器和RF開關(guān)的插入損耗，在正常工作條件下，RF開關(guān)的輸出端產(chǎn)生的總插入損耗約為2.7 dB。
RF 性能
CN0555中得到的S參數(shù)、相位噪聲測(cè)量結(jié)果、無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）、噪聲系數(shù)和穩(wěn)定性測(cè)量值，如圖六所示。
在433.92 MHz中心頻率下，CN0555實(shí)現(xiàn)了40.5 dB的增益，輸入和輸出回波損耗大于10 dB。圖六顯示在其工作范圍內(nèi)的S參數(shù)值。
圖六 : EVAL-CN0555-EBZ S 參數(shù)與頻率的關(guān)系
圖七顯示在433.92 MHz時(shí)的單邊具有相位噪聲，在10 Hz、1 MHz和10 MHz偏置時(shí)分別約為-98 dBc/Hz、-131 dBc/Hz和-149 dBc/Hz。
圖七 : 433 MHz 時(shí)的單邊具有相位噪聲
圖八顯示窄頻單音RF輸出，SFDR為58.38 dBFS。
圖八 : 窄帶單音 RF 輸出
圖九顯示頻率范圍內(nèi)相應(yīng)的噪聲系數(shù)，在433.92 MHz中心頻率下約為0.8 dB。
圖九 : 噪聲系數(shù)與頻率的關(guān)系
系統(tǒng)在整個(gè)433.92 MHz ISM頻率帶寬保持穩(wěn)定，Rollet穩(wěn)定性因子（k）高于1，輔助穩(wěn)定性指標(biāo)（B1）高于0，如圖十所示。這使得CN0555在任何源阻抗和負(fù)載阻抗組合下，都能絕對(duì)保持穩(wěn)定。
圖十 : 穩(wěn)定性因子和測(cè)量值與頻率的關(guān)系
超載保護(hù)
CN0555中整合了超載管理功能，當(dāng)輸出功率達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，該電路板的RF路徑會(huì)自動(dòng)隔離。此功能使用ADL5904 RF功率檢波器來實(shí)現(xiàn)。
ADL5904 提供電阻可編程檢測(cè)閾值，將內(nèi)部包絡(luò)檢波器電壓與用戶定義的輸入電壓進(jìn)行比較。當(dāng)包絡(luò)檢波器電壓超過用戶定義的VIN?接腳的閾值電壓時(shí)，內(nèi)部比較器獲取事件并將其鎖定在設(shè)定/復(fù)位（SR）觸發(fā)器中。圖十一顯示了CN0555的超載保護(hù)電路。
圖十一 : CN0555 超載保護(hù)電路
如圖十一所示，使用3 dB、90°混合耦合器對(duì)放大的RF輸入進(jìn)行采樣。此功率傳輸至ADL5904的RFIN接腳，然后由內(nèi)部包絡(luò)檢波器進(jìn)行采樣。ADL5904 VIN-接腳上的閾值電壓位準(zhǔn)由電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)設(shè)定得值。
CN0555的輸入閾值功率設(shè)置為0 dBm，以保護(hù)連接至接收器系統(tǒng)的下游敏感設(shè)備。如表一所示，當(dāng)工作頻率為900 MHz時(shí)，0 dBm閾值功率對(duì)應(yīng)VIN-的241 mV電壓位準(zhǔn)。
表一：工作頻率未校準(zhǔn)時(shí)，推薦的閾值電壓（VIN-）典型值
本文引用地址：http://cafeforensic.com/article/202403/456475.htm輸入閾值功率（dBm） | 閾值電壓（mV） | ||
100 MHz | 900 MHz | 1900 MHz | |
-2.0 | 193 | 193 | 192 |
-1.0 | 216 | 216 | 215 |
0 | 239 | 241 | 241 |
1.0 | 268 | 272 | 270 |
2.0 | 300 | 304 | 303 |
自動(dòng)復(fù)位功能
CN0555還包含自動(dòng)復(fù)位電路，當(dāng)功率位準(zhǔn)返回到可接受范圍內(nèi)時(shí)啟動(dòng)。此功能由LTC6991可程序設(shè)計(jì)低頻率定時(shí)器執(zhí)行。
如圖十二所示，ADL5904的Q輸出使LTC6991在正常工作期間保持在復(fù)位狀態(tài)。發(fā)生超載事件時(shí)，LTC6991啟用，并且開始4 ms延遲。ADL5904在4 ms后復(fù)位，對(duì)功率位準(zhǔn)重新采樣。如果超載狀態(tài)持續(xù)，ADL5904再次斷路，RF開關(guān)的控制訊號(hào)進(jìn)入低位準(zhǔn)狀態(tài)。此種訊號(hào)轉(zhuǎn)變會(huì)隔離ADG901開關(guān)的RF輸入和輸出。超載事件過去后，ADL5904開始重新采樣功率位準(zhǔn)，然后返回正常工作狀態(tài)。
圖十二 : CN0555 自動(dòng)復(fù)位電路
超載保護(hù)測(cè)試
圖十三顯示了用于測(cè)試CN0555的超載保護(hù)功能的設(shè)定。在該測(cè)試中，RF訊號(hào)產(chǎn)生器設(shè)定采用433.92 MHz中心頻率，輸入功率從-50 dBm爬升至-40 dBm。CN0555輸出功率由高速示波器進(jìn)行監(jiān)控，該組件顯示從發(fā)生超載事件到輸出功率被衰減的響應(yīng)時(shí)間。
圖十三 : RF 超載響應(yīng)測(cè)試設(shè)定
圖十四顯示超載保護(hù)響應(yīng)時(shí)間。根據(jù)該圖，從正常工作到RF輸出功率被衰減，CN0555擁有約9 ns的響應(yīng)時(shí)間。圖十五顯示從超載狀態(tài)結(jié)束到功率位準(zhǔn)返回接受范圍的恢復(fù)時(shí)間。該數(shù)據(jù)顯示，從衰減RF輸出到正常工作，期間存在7 ns延遲。
圖十四 : 典型的超載保護(hù)響應(yīng)時(shí)間
圖十五 : 發(fā)生超載事件后的典型恢復(fù)時(shí)間
USB 電源管理
CN0555透過微型USB轉(zhuǎn)接器獲取電源，該轉(zhuǎn)接器一般透過微型USB埠提供5 V、1 A電源。此電路要求在正常工作期間獲取約113.61 mA電流。要滿足此項(xiàng)電源要求，需要使用兩個(gè)電源電壓。第一個(gè)電源為ADL5523低噪聲放大器、ADL5904 RF檢波器和LTC6991低頻率定時(shí)器提供3.3 V電源。第二個(gè)電源為ADG901 RF開關(guān)提供2.5 V電源。圖十六顯示CN0555的整個(gè)電源結(jié)構(gòu)。
圖十六 : CN0555 電源架構(gòu)
LT3042為一款高性能低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器，采用超低噪聲和超高電源抑制比（PSRR）架構(gòu)，以便為噪聲敏感型射頻應(yīng)用供電。LT3042設(shè)計(jì)用作后接高性能電壓緩沖器的精密電流基準(zhǔn)，可輕松并聯(lián)以便進(jìn)一步降低噪聲，增加輸出電流并在印刷電路板上散熱。要配置LT3042提供3.3 V輸出，所需的基本配置如圖十七所示。
圖十七 : LT3042 提供 3.3 V 輸出所需的配置
LT3042在SET接腳上整合一個(gè)精密100 μA電流源，該接腳還連接到放大器的反相輸入。圖十七顯示將電阻從SET接腳連接至GND會(huì)產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電壓。該基準(zhǔn)電壓是SET接腳電流100 μA和SET接腳電阻的乘積。
ADM7170-2.5 LDO穩(wěn)壓器用于產(chǎn)生ADG901 RF開關(guān)所需的電源電壓。該組件具有2.3 V至6.5 V的輸入電壓范圍和2.5 V固定輸出電壓。ADM7170-2.5只需要輸入電容和輸出電容即可正常工作。特別是，ADM7170-2.5可在其輸入和輸出接腳上使用4.7 μF小型解耦電容。
常見變化
ADL5521 可以用于替代型低噪聲放大器，適用于使用433.92 MHz ISM頻段的應(yīng)用。該組件提供略低的增益、更高的噪聲系數(shù)、OIP3和OP1dB。ADL5521采用與ADL5523相同的功率位準(zhǔn)。兩個(gè)組件的尺寸非常類似。
ADG902 也可用于RF開關(guān)；此組件接腳兼容，并具有與ADG901相同的規(guī)格，但其是一種反射開關(guān)，提供更低的隔離損耗。
ADI并提供類似的用于在5.8 GHz ISM頻段下工作的接收器放大器的參考設(shè)計(jì)。
電路評(píng)估與測(cè)試
本節(jié)介紹評(píng)估CN0555的評(píng)估設(shè)置和步驟。
設(shè)備要求
?EVAL-CN0555-EBZ電路評(píng)估板
?Rohde & Schwarz SMA100B訊號(hào)產(chǎn)生器
?Keysight E5052B訊號(hào)分析儀
?Keysight N5242A PNA-X向量網(wǎng)絡(luò)分析儀
?5 V micro USB電源轉(zhuǎn)接器或micro USB轉(zhuǎn)USB電纜
? 一根SMA至SMA電纜
設(shè)定和測(cè)試
圖十八顯示EVAL-CN0555-EBZ與向量網(wǎng)絡(luò)分析儀的正確端口連接。
圖十八 : S 參數(shù)和噪聲系數(shù)測(cè)試設(shè)定
測(cè)量S參數(shù)和噪聲系數(shù)的步驟如下：
1.將向量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)定為所需的測(cè)量條件，步驟如下：
a.將頻率掃描范圍設(shè)定為 400 MHz 至 500 Mhz
b.將頻率步長(zhǎng)設(shè)定為 10 kHz。
c.功率位準(zhǔn)必須小于或等于-45 dBm。
2.使用校準(zhǔn)套件對(duì)向量網(wǎng)絡(luò)分析儀執(zhí)行完整的 2 埠校準(zhǔn)。請(qǐng)注意，EVAL-CN0555-EBZ 的 RF 輸入可以直接連到測(cè)試埠，因此測(cè)試設(shè)置僅需要一根測(cè)量電纜。
3.使用校準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)定將 EVAL-CN0555-EBZ 連接在向量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試端口上。
4.使用 5 V 電源轉(zhuǎn)接器為 EVAL-CN0555-EBZ 供電。
5.設(shè)定向量網(wǎng)絡(luò)分析儀，以顯示各個(gè) S 參數(shù)和噪聲系數(shù)的跡線。
6.將測(cè)量值與期望值進(jìn)行比較。在 433.92 MHz 中心頻率下，輸入和輸出回波損耗值分別約為 16 dB 和 20.4 dB。對(duì)于增益和噪聲系數(shù)，數(shù)值分別應(yīng)為約 40 dB 和 1.2 dB。
圖十九顯示執(zhí)行相位噪聲和 SFDR 測(cè)試時(shí) EVALCN0555-EBZ與訊號(hào)分析儀和訊號(hào)產(chǎn)生器的正確連接。
圖十九 : 相位噪聲和 SFDR 測(cè)試設(shè)定
要執(zhí)行相同的測(cè)試，請(qǐng)遵循以下步驟：
1.按如下步驟設(shè)定訊號(hào)分析儀所需的測(cè)量配置：
a.為了執(zhí)行SFDR測(cè)量，設(shè)定中心頻率 = 433.92 MHz，頻率范圍 = 400 MHz 至 500 MHz，RF 幅值 = 10 dBm。
b.為了執(zhí)行相位噪聲測(cè)量，設(shè)定中心頻率 = 433.92 MHz，偏移頻率范圍 = 10 Hz 至 30 MHz。
2.將訊號(hào)產(chǎn)生器的功率位準(zhǔn)設(shè)定在-50 dBm 至-40 dBm之間，中心頻率設(shè)定為 433.92 MHz。
3.將訊號(hào)產(chǎn)生器輸出連接到 EVAL-CN0555-EBZ 的 RF輸入。
4.將 EVAL-CN0555-EBZ 的 RF 輸出連接到訊號(hào)分析儀。
5.使用 5 V 電源轉(zhuǎn)接器為 EVAL-CN0555-EBZ 供電，該轉(zhuǎn)接器的額定功率高于 500 mW。
6.在訊號(hào)分析儀上執(zhí)行測(cè)量運(yùn)行。
7.使用訊號(hào)分析儀獲取相位噪聲值，并驗(yàn)證在 10 kHz 頻偏下其值是否約為-125 dBc/Hz。
8.運(yùn)行 SFDR 測(cè)試并比較讀數(shù)；期望值約為 60 dBc。
評(píng)論