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對于通信應用差分電路設計技術(shù)

其中一個在通信系統(tǒng)設計的主要挑戰(zhàn)是提供足夠的信號保真度成功攻克。嚴格的標準規(guī)范要求進行適當?shù)慕涌谕負浣Y(jié)構(gòu)選擇。用于蜂窩電話的通信標準，諸如碼分多址(CDMA)和寬帶CDMA的部署，需要高動態(tài)范圍，高輸入線性和低噪聲，以避免阻滯劑，信號失真，和靈敏度退化的影響。在過去，完全差分信​​號鏈的性能優(yōu)勢通過由于實際應用問題的單端選擇很壓倒。然而，在集成的RF電路技術(shù)的最新進展和可用高性能差分RF積木擴展允許差動結(jié)構(gòu)被應用到高性能接收機設計。

圖1：單端信號的例子。單端信號是不平衡的定義，是由感興趣的信號和恒定參考點，通常地，作為對信號返回路徑之間的差值測量。的問題可以，如果錯誤源被引入到單端信號會遇到。由于接地參考將不受注入的錯誤，錯誤結(jié)轉(zhuǎn)通過信號。在單端配置中，引入到所期望的信號的任何變化將是有問題的，而不涉及過于復雜抵消技術(shù)除去。出于這個原因，單端信號或不平衡信號更容易產(chǎn)生的噪聲和干擾，如電磁耦合干擾。此外，如稍后將示出的，不平衡的配置具有比均衡電路失真更高。

圖2：差分信號的例子。差分信號是由對平衡信號走動以相等但相反的振幅的參考點的。該復合差分信號對應于正和負平衡信號之間的差。例如，從兩個1 VP-P的信號，其結(jié)果是2 VP-P的復合信號。在這種情況下，如果錯誤源被引入到差分信號路徑中，它可能會被添加到每兩個平衡信號相等的。因為返回路徑是不恒定的參考點，差動信號將不受影響一旦兩個平衡信號分量的差異抵消了誤差，這通常是相等的振幅在每個信號的過渡。由于這個原因，平衡信號是不易發(fā)生的噪聲和干擾比不平衡信號會。而且，如將討論的，均衡的信號具有失真比單端電路更低。

圖3：傳統(tǒng)接收器架構(gòu)。這里展示的是一個傳統(tǒng)的超外差接收機的方框圖。不管拓撲，單端或差分，該系統(tǒng)的目標是成功提供一個希望的信號到模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于數(shù)字化。信號路徑包括幾個射頻塊：天線，濾波器，低噪聲放大器(LNA)，混頻器，ADC驅(qū)動放大器，和ADC。天線之后的第一個塊是任務是放大高于熱噪聲的信號在LNA。擴增在此階段是關(guān)鍵的，因為這將決定該系統(tǒng)的靈敏度和將確保后續(xù)混頻器和放大器的LNA后不顯著本底噪聲添加。沿途有帶通濾波器來抑制帶外的任何內(nèi)容，并減少失真或噪聲，接收器級可沿信號路徑添加。下一個塊，混頻器，它遵循在LNA，頻率轉(zhuǎn)換感興趣的信號，下轉(zhuǎn)換高頻RF信號到一個較低的，更容易管理的中頻(IF)。 ADC驅(qū)動器放大器和抗混疊濾波器(AAF)準備信號以由ADC進行數(shù)字化。駕駛員提供增益和AAF抑制第一奈奎斯特區(qū)的ADC，包括將被遞送到ADC輸入噪聲之外的任何內(nèi)容，和具有不同波段的寄生分量仍然存在于信號路徑中。最后，在模擬信號路徑的末端時，ADC進行數(shù)字化的基帶信息的功能。

圖4：通信系統(tǒng)的考慮。為了對比單端至差分，也有必須遵守設計好整個系統(tǒng)的系統(tǒng)級性能指標。一些是流行在通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵考慮因素已經(jīng)被提到，但有一個完整的視圖是很重要的。是什么讓一個良好的射頻設計?根據(jù)不同的應用程序和體系結(jié)構(gòu)，性能規(guī)格會有所不同。然而，通常有一些中普遍存在的通信系統(tǒng)中很常見的考慮，如失真，噪聲基底，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。高投入，三階截取(IP3)和高1 dB壓縮點(P1dB的)是輸入信號電平處理能力是至關(guān)重要的。有很多的傳輸共享的風口浪尖。的魯棒系統(tǒng)，需要用于處理期望信號，這是一般的小和中的其它干擾信號的存在，這可能是大的。因此，高靈敏度，輸入線性，選擇性好，和高抗干擾到附近的大信號都需要一個強大的系統(tǒng)設計。其他考慮因素包括低成本，低功耗(尤其是用于便攜式設備)，和緊湊的尺寸。

圖5：差分優(yōu)點。有幾個優(yōu)點使用差分相對于單端信號鏈;這里審查是最常見的。差分信號鏈具有的優(yōu)點相比單端鏈具有關(guān)于輸出過渡。每個輸出的較低的信號電壓意味著更高的總體信號電壓就可以實現(xiàn)。因此，相同的總的信號擺幅可以實現(xiàn)，相比于單端信號，以更低的功耗。由于可用的更大輸出擺幅的結(jié)果：更高的總體信號擺幅可以達到;可以實現(xiàn)相同的總信號擺幅但略低于電源;和功耗可以被降低。也有以系統(tǒng)的線性度的好處。在非常低的失真的應用，相對于單端信號的電源的凈空可提高兩個因素。有差系統(tǒng)中偶次諧波的固有的取消，意味著該第二，第四，第六，等等諧波會相較于奇次諧波相當?shù)?。要注意的是一個完全消除無法實現(xiàn)這一點很重要，但有明顯的優(yōu)勢。差分架構(gòu)還允許一些預失真技術(shù)，以幫助減少奇次諧波。此外，還有典型地是大約6 dB的改進在輸出1 dB壓縮點(P1dB的)和OIP3對于相同的電源軌。最后，由于信號的返回路徑不再通過地面，該信號將是地面的噪聲和干擾，從而轉(zhuǎn)化為具有改進的電源抑制比(PSRR)更好的共模抑制比(CMRR)較不敏感。此外，差分方法提供了改進的抗耦合的電磁干擾(EMI)。

圖6：不平衡與平衡信號。這里展示的是兩個框圖對比單端和差分方法。第一個圖表表示具有體積小，片面的輸入信號的單端框圖。藍色信號示出任何類型的進入系統(tǒng)的共模干擾。請注意，此藍色干擾信號也被放大在輸出 - 被放大一樣多的需要的信號。是困難的所需信號從干擾信號中分離出來。差動方框圖顯示由極性相反的兩個信號所需要的信號，一種是積極的，另一種是消極的。在輸入端引入的任何干擾將是對兩個參考電平相同的極性，如圖藍色。雖然干擾信號在每個輸出進行放大，當看該復合信號，所述兩個差分信號之間的差，所希望的信號被加倍，并且干擾已被移除。而單端的方法是容易受到共模噪聲，電源噪聲，或電磁干擾，差分塊具有由憑借取消的免疫力的那些干擾。

圖7：偶數(shù)訂單取消。除了共模干擾免疫，差分方法也有偶次諧波的固有的取消。這里展示的是單端的方式進行審查。甲非線性器件，在這種情況下，一個單端放大器，是由一個冪級數(shù)展開傳遞函數(shù)描述并在其輸入端提供的正弦曲線。冪級數(shù)(方程式在底部)的膨脹表明，一個恒定綁定到每個頻率倍數(shù)，偶數(shù)和奇數(shù)。

圖8：輸出光譜圖。示這個等式可以更容易地可視化及其各種部件。表示基本信號的方程的部分以灰色突出顯示。表示第二和第三諧波部分被在紅色和綠色，高亮分別。冪級數(shù)的膨脹表明非零常數(shù)是綁每個頻率倍數(shù)，偶數(shù)和奇數(shù)。很顯然，單端，非線性裝置已在整個光譜創(chuàng)建諧波，正如所預期的。

圖9：差分塊的取消效應。采取同樣的數(shù)學方法來看待差分方法可看到的固有消除偶次諧波，類似于先前討論的共模干擾免疫是有利的。再次，一個非線性器件，在這種情況下，差分放大器塊，是由冪級數(shù)展開傳遞函數(shù)描述，并有一對相反極性的正弦曲線的供給 - 這些表示在該裝置的輸入端的差分信號。通過膨脹，示出了差動塊的消除效果。

圖10：非線性元件的輸出光譜。再次，示出了該方程可以更容易地可視化及其各種部件。冪級數(shù)的擴大表明，該系列的所有偶次諧波是由他們的同行相對幅度的取消。只用基本信號，以灰色突出顯示，并且第三次諧波，以綠色突出，具有一個非零貢獻。在現(xiàn)實生活中，非理想的設備將不會達到完美的注銷，但他們從較低的偶次諧波中受益。

圖11：驅(qū)動ADC的挑戰(zhàn)。一種在通信系統(tǒng)的設計的主要挑戰(zhàn)是成功的驅(qū)動所需要的信號到模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器。此處示出的例子有助于說明差動信號鏈與單端信號鏈的好處。這里所示的三個主要塊是驅(qū)動放大器，該抗混疊濾波器，以及模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器。充足的保真度信號檢測需要適當?shù)脑x擇和接口的實現(xiàn)。這里(圖11)的評價是兩個例子，一個單端和一個差分。的目標是獲取在信號傳輸?shù)乃{色部分上的左側(cè)。它是在其他較大，干擾信號的存在的小信號。捕捉到它，有必要考慮噪聲，動態(tài)范圍，以及其他因素的具體到ADC要求。這是所有必要的提取只有感興趣的信號，并將其交付給ADC。這個接收器信號顯示在右側(cè);它已被放大，并且阻斷劑已被除去，留下的信號的唯一的期望部分，以藍色顯示。

圖12：通信系統(tǒng)的單端和差分信號鏈的性能比較。圖12比較，在接收機的通信系統(tǒng)端的真實世界的例子中，單端和差分信號鏈的性能。第一個例子是，開始于單端方法的單端IF驅(qū)動放大器，隨后是單端的抗混疊濾波器，然后被轉(zhuǎn)換成差分信號由變壓器在輸入到ADC。注意，在許多情況下，單端方法被認為是被動的方法，因為該變壓器用于轉(zhuǎn)換的信號給差分ADC。差動例開始時的差分信號在一個變壓器的輸出，差動ADC驅(qū)動放大器，后接一個差分抗混疊濾波器，以及輸入到ADC。差分方式稱為有源因為一個放大器可被用于進行轉(zhuǎn)換。每個組件的性能度量被列出，但是下圖使用與這些相同的度量的信號鏈性能表以幫助分析級聯(lián)系統(tǒng)性能，并比較所述單端和差分的方法。[!--empirenews.page--]

圖13：信號鏈性能表。對于單端拓撲，使用方程級聯(lián)噪聲系數(shù)和IIP3，也能夠計算輸入稱為RF性能。對于本例的輸入?yún)⒖糏IP3為18.8 dBm的和噪聲系數(shù)(NF)是11.4分貝。這導致在76分貝的SFDR(無雜散動態(tài)范圍)，用于5MHz的帶寬分析。級聯(lián)功率增益為14.7分貝的輸入?yún)⒖嫉?10.7 dBm的滿量程。使用相同的公式計算的差分方法的結(jié)果在以下的輸入?yún)⒖糝F性能：輸入?yún)⒖糏IP3為21.5 dBm的13.7 dB的噪聲系數(shù)。這導致76.5 dB的無雜散動態(tài)范圍為5 MHz分析帶寬，級聯(lián)的功率增益14分貝，以及輸入?yún)⒖紳M刻度為-10 dBm的。對于這兩種方法中的數(shù)字是非常相似的。然而，主動，差分方法具有較高的失真性能，具有噪聲系數(shù)稍高。此外，無雜散動態(tài)范圍與積極配置高。請記住，輸入?yún)⒖紳M量程為單端方式將只有6 dBm的不IF放大器。還應當指出的是，差的抗混疊濾波器將需要兩倍的系列元件作為單端的方法。盡管如此，被動接口往往需要更多的阻性填充和從上游驅(qū)動器，這通常意味著更高的電源電流需要更高的輸出功率。同時認為，單端驅(qū)動放大器往往有更壞的偶次諧波失真和CMRR和PSRR。因此，通過消除ADC驅(qū)動器，放大的需求正在移動的上游。鑒別的方法是基于對整體性能的合理選擇。

圖14：ADL5562主要規(guī)格和功能。所述ADL5562是一個裝置，它采用了偶次消除差分的方法的優(yōu)勢，以減少失真的一個例子。它是用于RF和IF應用優(yōu)化的高性能差分放大器。該放大器提供了2.1納伏/√Hz的低噪聲和低失真性能在很寬的頻率范圍，使其成為理想的驅(qū)動高速8位至16位ADC。該ADL5562提供6 dB，12個分貝，15.5分貝三個增益電平通過引腳strappable配置。如果在單端輸入配置所使用的，增益被降低到5.6 dB時，11.1分貝，14.1分貝。該設備進行了優(yōu)化，寬帶，低失真性能。這些屬性，其可調(diào)增益功能一起，使這對通用IF和寬帶應用中的低失真，低噪聲，低功耗是至關(guān)重要的一個不錯的選擇。所述ADL5562也為回轉(zhuǎn)速度，帶寬和寬帶失真的良好組合，使其能夠驅(qū)動各種模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并使其適合于驅(qū)動混頻器，PIN二極管衰減器，SAW過濾器，和多元件分立設備進行優(yōu)化。

圖15：ADL5562諧波失真曲線圖。在圖15中的曲線圖顯示所產(chǎn)生的第二和第三次諧波時，ADL5562配置為單端和差分拓撲結(jié)構(gòu)。雖然在單端模式的失真性能非常低，有與差分操作偶次性能具有明顯的優(yōu)勢。在單端模式下，ADL5562具有二階-82 dBc的諧波值在100MHz。在差分操作中，該裝置具有較低的第二次諧波的值，小于-100 dBc的以相同的頻率。另外，改進對輸出1 dB壓縮點和OIP3大約6 dB的可以從同一電源軌的差分拓撲可以預期的。

圖16：ADI公司的差分放大器產(chǎn)品系列。該ADL5562是許多差分放大器的ADI公司廣泛的產(chǎn)品組合之一。是否要求是驅(qū)動差分輸入的ADC，或者發(fā)送和接收的信號在長距離電纜長度，ADI具有差分放大器，以滿足需要。該放大器采用固定增益，或增益控制的三種基本類型：電阻設置增益，串行和并行數(shù)字控制，或針strappable增益選擇。

圖17：AD8375 / 6鍵規(guī)格和功能。該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)。該AD8376是AD8375的雙通道版本; 2的VGA的單5 x 5毫米封裝。都提供優(yōu)異的失真性能和高帶寬信號，使之成為一個良好的增益控制裝置，適用于各種接收器應用。這些可變增益放大器提供1 dB的分辨率廣泛24分貝增益范圍。采用先進的高速SiGe工藝，集成專有失真消除技術(shù)，在AD8376達到50 dBm的OIP3輸出在200兆赫。

圖18：進化差分接收器架構(gòu)。接收器的不斷發(fā)展，越來越多地使用差分元件。這種演變開始在ADC，并逐漸向上移動的信號鏈。在過去，信號應用程序問題和有限的高性能差動RF積木可用性導致單端的或部分差分信號鏈。正如前面所討論的，一個偏微分信號鏈的一個實例是設計者的選擇以省略一個差分ADC驅(qū)動，并使用單端設備到一個變壓器到ADC。雖然這提供了一個簡單的解決方案，對性能的需求被簡單地推向上游。除了消耗更高的功率，單端驅(qū)動放大器解決方案往往有更壞的偶數(shù)階失真，CMRR和PSRR。此處示出的接收器信號鏈是通常用于接收單端RF輸入和差分輸出的架構(gòu)。單端和差分操作之間的分界線似乎已經(jīng)定居在混頻器，射頻部件，如仍然提供作為單端組件LNA。最SAW濾波器和混頻器核心也是天然差動電路，但是它們被轉(zhuǎn)換為單端由于應用局限性。多年來，雙平衡混頻器拓撲結(jié)構(gòu)一直采用蜂窩應用，由于其高線性度性能。不幸的是，用于連接信號的混合核心，以保持系統(tǒng)差的傳統(tǒng)變壓器網(wǎng)絡，消耗大量的電路板空間，并添加顯著設計成本。

圖19：ADL5355主要規(guī)格和功能。在集成RF電路技術(shù)的最新進展已經(jīng)允許用單端RF輸入易于使用射頻塊設計差分IF輸出。在ADI ADL5355混合器是混合了單端RF輸入到一個差分IF輸出的裝置的一個例子。它允許以保持在一個固執(zhí)的單端世界固有的差異化優(yōu)勢。該ADL5355框圖顯示，所有三個內(nèi)部混頻器端口差分。為了便于使用，在RF和LO端口正在使用的變壓器連接到外界，允許一個單端接口。相比之下，IF輸出端口，它包括一個驅(qū)動放大器是差分的，為200歐姆的輸出阻抗，以便于連接到差動SAW濾波器。 LO和RF巴倫的整合(平衡至不平衡變壓器)限制了裝置的工作頻率范圍內(nèi)，需要家庭在蜂窩頻率范圍操作中指定的設備。其結(jié)果是，該裝置的輸入頻率范圍被限制為1200兆赫至2500兆赫的低邊LO的范圍內(nèi);即，LO頻率其總是小于RF頻率。

圖20：ADI公司的高線性接收器組合。因為平衡 - 不平衡變換器的集成限制混頻器的工作頻率，ADI提供一個大家族，涵蓋流行頻率設備。注意到某些在圖20表中的設備具有非常寬的頻率范圍。這些設備確實有寬的頻率范圍內(nèi)，但他們要求在其LO和RF端口以獲得最佳性能的外部不平衡變壓器。

圖21：無線電設計要求和級差收益?？傊?，差分性能優(yōu)勢是一個必要的現(xiàn)代通信系統(tǒng)，其嚴格的標準規(guī)范要求在阻斷的面完善的性能，信號失真，和靈敏度退化。為了滿足這種需求，不斷變化的差分信號通路提供了高動態(tài)范圍，高輸入線性和低噪聲，在其他好處。 ADI公司提供的差分RF元件的廣泛產(chǎn)品組合帶來了由進步集成射頻電路技術(shù)。高性能差分射頻構(gòu)建模塊的供應量增加使得在最嚴苛的無線蜂窩應用可應用于高性能接收機設計的差分架構(gòu)。