X-Amp™, un nuovo amplificatore a guadagno variabile (VGA) da 45 dB e 500 MHz semplifica i progetti di ricevitori adattivi

Introduzione La progettazione delle apparecchiature di comunicazione wireless di solito inizia con la definizione e l'analisi strategica della catena del segnale. La figura del rumore (NF), la linearità, la distorsione e la gamma dinamica devono essere considerati in una fase iniziale del ciclo di sviluppo del prodotto per identificare correttamente le specifiche dei componenti per ciascun elemento nel percorso del segnale. L'analisi del budget della catena del segnale consente ai progettisti di selezionare rapidamente i componenti, analizzare e confrontare le prestazioni delle architetture di progettazione considerate. La sfida è maggiore nei sistemi di comunicazione mobile, dove è necessario prestare particolare attenzione alla selettività spettrale, alla linearità e ai meccanismi di rumore associati ai blocchi di segnale RF e IF. I ricevitori possono essere progettati per fornire una sensibilità adattativa alla potenza del segnale in ingresso impiegando un guadagno variabile alle frequenze IF più basse, dove è più facile manipolare il segnale di interesse. La maggior parte del grooming spettrale (modulazione e filtraggio della frequenza) tende ad essere implementato alle frequenze IF più basse, dove i filtri passa banda molto stretti possono essere facilmente realizzati attraverso l'uso di dispositivi SAW, cristalli e reti di filtri RLC a elementi concentrati passivi. Dopo una precisa selezione del canale, è possibile utilizzare circuiti di controllo automatico del guadagno (AGC) per scalare il segnale ricevuto al livello desiderato. L'uso di AGC produce un design del ricevitore la cui sensibilità varia in base alla potenza del segnale ricevuto. La sensibilità adattiva riduce gli effetti della distanza insiti negli ambienti mobili con dissolvenza dei canali. Spesso sono necessari amplificatori a guadagno variabile ad alte prestazioni per fornire la gamma dinamica e le prestazioni di rumore necessarie. Background Gli amplificatori a guadagno variabile (VGA) sono stati utilizzati in una varietà di apparecchiature di telerilevamento e comunicazione per oltre mezzo secolo. Applicazioni che vanno dagli ultrasuoni, radar, lidar alle comunicazioni wireless e persino l'analisi del parlato hanno utilizzato il guadagno variabile nel tentativo di migliorare le prestazioni dinamiche. I primi progetti ottenevano la selezione del guadagno inserendo stadi amplificatori a guadagno fisso per regolare la sensibilità del ricevitore in modo binario. Le implementazioni successive hanno utilizzato attenuatori a gradino seguiti da amplificatori a guadagno fisso per ottenere una gamma più ampia di controllo del guadagno discreto. I progetti moderni ottengono un guadagno controllato in tensione continuo, utilizzando tecniche analogiche, con mezzi quali attenuatori a variazione di tensione (VVA), moltiplicatori analogici e interpolatori di guadagno. Immagine 1. Tipiche architetture a guadagno variabile. Una varietà di architetture viene comunemente utilizzata per fornire un controllo del guadagno variabile sia continuo che discreto. Applicazioni come il controllo automatico del guadagno spesso richiedono un controllo continuo del guadagno analogico. I progetti più semplici utilizzano moltiplicatori analogici seguiti da amplificatori buffer a guadagno fisso. Tali progetti spesso implicano una funzione di controllo del guadagno non lineare che richiede la calibrazione. Inoltre, i core del moltiplicatore soffrono di dipendenze dalla temperatura e dalla tensione di alimentazione che possono comportare una scarsa precisione e stabilità della legge di guadagno, nonché variazioni inaccettabili del guadagno ad alta frequenza. I progetti che utilizzano architetture preamplificatore/attenuatore/postamplificatore possono fornire un funzionamento a basso rumore e una buona larghezza di banda, ma tendono ad avere un'intercetta di terzo ordine (IIP3) di ingresso piuttosto bassa, limitando la loro capacità di funzionare in ricevitori ad alta gamma dinamica . Un'altra classe di soluzioni utilizza attenuatori a tensione variabile, seguiti da post-amplificazione a guadagno fisso. I VVA possono fornire un'accurata funzione di trasferimento dell'attenuazione lineare in dB, ma spesso è necessario collegare più VVA in cascata per fornire un intervallo di attenuazione adeguato. La cascata determina una maggiore sensibilità alle variazioni della funzione di trasferimento dell'attenuazione. A volte è necessario preamplificare il segnale per tamponare la sorgente del segnale dagli effetti di carico del VVA, nonché per diminuire l'influenza dell'attenuatore sulla figura di rumore. L'alto guadagno richiesto per produrre una figura di rumore bassa si traduce in una diminuzione dell'intercettazione del terzo ordine in ingresso. Immagine 2. Architettura dell'X-Amp VGA AD8367. AD8367 X-AMP VGA con AGC L'architettura X-AMP, nata dieci anni fa con gli Analog Devices AD600 e AD602, (Analog Dialogue 26-2, 1992), consente una funzione di controllo del guadagno lineare in dB essenzialmente indipendente dalla temperatura. Comprende una rete ladder resistiva, insieme a un amplificatore altamente lineare e uno stadio interpolatore, per fornire una funzione di controllo del guadagno lineare in dB continua. L'AD8367 (Figura 2) è l'ultima generazione di X-AMP VGA. Il suo design è implementato su un nuovo processo bipolare complementare extra-veloce (XFCB2.0) che fornisce un guadagno moderato fino a centinaia di MHz e una linearità migliorata a frequenze più elevate rispetto a quelle finora disponibili con l'elaborazione convenzionale dei semiconduttori. Come mostra la Figura 2, il segnale di ingresso viene applicato a una rete ladder resistiva R-nR a 9 stadi con riferimento a terra, progettata per produrre passi di attenuazione di 5 dB tra i punti di presa. Il controllo uniforme del guadagno si ottiene rilevando i punti di presa con stadi a transconduttanza variabile (gm). A seconda della tensione di controllo del guadagno, un interpolatore seleziona quali stadi sono attivi. Ad esempio, se è attivo il primo stadio, viene rilevato il punto di presa 0-dB; se è attivo l'ultimo stadio, viene rilevato il punto a 45 dB. I livelli di attenuazione che cadono tra i punti di presa si ottengono avendo gli stadi gm vicini attivi contemporaneamente, creando una media pesata delle attenuazioni discrete dei punti di presa. In questo modo viene sintetizzata una funzione di attenuazione uniforme, monotona, lineare in dB con una scalatura molto precisa. La funzione di trasferimento lineare in dB ideale può essere espressa come: (1) dove MY è la scala di guadagno (pendenza) solitamente espressa in dB/V, tipicamente 50 dB/V (o 20 mV/dB) BZ è l'intercetta di guadagno in dB, tipicamente –5 dB, il guadagno estrapolato per VGAIN = 0 V. VGAIN è la tensione di controllo del guadagno Lo schema di connessione di base dell'AD8367, la funzione di trasferimento del guadagno e il tipico schema di errore di guadagno sono illustrati nella Figura 3, che mostra la pendenza della funzione di trasferimento del guadagno di 50 dB/V e l'intercetta di -5 dB su un gamma di tensione di controllo di 50 mV ≤ VGAIN ≤ 950 mV. Il dispositivo permette di invertire la pendenza del guadagno con un semplice pin-strap del pin MODE. La modalità di guadagno inverso è utile nelle applicazioni di controllo automatico del guadagno (AGC), in cui la funzione di controllo del guadagno è derivata da un integratore di errore, che confronta la potenza di uscita rilevata con un livello di setpoint predeterminato. Un rivelatore a legge quadrata e l'integratore di errori, integrato nel chip, consentono di utilizzare il dispositivo come un sottosistema AGC autonomo. Immagine 3. Circuito applicativo VGA AD8367 di base e funzione di trasferimento del controllo del guadagno, che mostra errori tipici a varie temperature. Un tipico circuito AGC autonomo è mostrato nella Figura 4, insieme alla sua risposta nel dominio del tempo a un passo di tensione di ingresso di 10 dB. In questo esempio l'ingresso del segnale è una sinusoide da 70 MHz, e il suo ingresso è modulato a passi da –17 a –7 dBm (riferito a 200 ohm). La potenza del segnale di uscita viene misurata come tensione dal rilevatore interno a legge quadratica e confrontata con un riferimento interno di 354 mV rms. L'uscita del rivelatore è una corrente, che è integrata mediante un condensatore esterno, CAGC. La tensione che si sviluppa attraverso il condensatore CAGC guida il pin GAIN per ridurre o aumentare il guadagno. Il loop si stabilizza quando il valore efficace del livello del segnale di uscita diventa uguale al riferimento interno a 354 mV. Quando il segnale di ingresso è inferiore a 354 mV rms, il pin DETO assorbe corrente che riduce la tensione al pin GAIN. Quando il segnale di ingresso aumenta al di sopra di 354 mV rms, il pin DETO genera corrente causando un aumento della tensione sul pin GAIN. La modalità di guadagno inverso è necessaria in questa applicazione per garantire che il guadagno diminuisca quando il valore efficace del segnale di ingresso supera il riferimento interno. La tensione risultante applicata al pin GAIN, VAGC, può essere utilizzata come indicazione della potenza del segnale ricevuto (RSSI), che rappresenta la potenza del segnale in ingresso rispetto a un riferimento di 354 mV rms. Per una forma d'onda sinusoidale, ciò si traduce in un segnale di uscita di 1 V pp per un carico di 200 ohm. Immagine 4. Circuito applicativo AGC AD8367 di base e risposta nel dominio del tempo a 70 MHz. Analisi della catena del segnale Nella Figura 5 è illustrata una moderna architettura supereterodina. L'AD8367 viene utilizzato nel percorso di ricezione (Rx) per regolare in modo adattivo il guadagno complessivo del ricevitore al variare del livello del segnale RF. Nel percorso di trasmissione (Tx), l'AD8367 viene utilizzato insieme a un rilevatore di potenza RF per mantenere il livello di potenza di uscita desiderato. Immagine 5. Architettura supereterodina che utilizza VGA per il controllo del livello IF. I VGA vengono utilizzati negli stadi di frequenza intermedia per regolare la sensibilità complessiva del ricevitore in modo adattivo e per controllare i livelli di potenza trasmessa. Considerando il percorso di ricezione, la sensibilità complessiva e l'intervallo dinamico possono essere valutati utilizzando l'analisi del budget del percorso del segnale. Per questo esempio è stato selezionato un segnale PCS-CDMA, utilizzando una larghezza di banda di rumore di 1 MHz. Lavorando a ritroso dall'uscita dell'AD8367 IF VGA, è possibile analizzare la sensibilità di ingresso e la gamma dinamica. La Figura 6 rappresenta un'analisi dettagliata del budget dall'ingresso del ricevitore all'uscita dell'IF VGA. Immagine 6. Analisi del budget del percorso Rx per CDMA a 1900 MHz con IF a 70 MHz. Nell'esempio sopra, l'AD8367 controlla i livelli del segnale ricevuto prima del demodulatore I&Q. L'AD8367 è un esempio di VGA che utilizza un'attenuazione variabile seguita da un amplificatore post-guadagno. Questo stile di VGA mostrerà essenzialmente un OIP3 costante e una figura di rumore che varia con l'impostazione del guadagno. L'AD8367 fornisce una figura di rumore minima al guadagno massimo e l'intercettazione del terzo ordine di ingresso massima al guadagno minimo. Questa combinazione unica consente il controllo dinamico della sensibilità e della linearità di ingresso di un ricevitore, in base alla potenza del segnale ricevuto. AD8367 (fare clic su questo collegamento per schede tecniche e ulteriori informazioni) è caratterizzato da sovratemperatura da -40 a +85° C ed è confezionato in una confezione a profilo ridotto a 14 conduttori (TSSOP). Funziona con una singola alimentazione da 3 a 5 volt. Il dispositivo ha una larghezza di banda operativa di –3 dB di 500 MHz; e la sua scheda tecnica fornisce specifiche dettagliate alle frequenze IF comuni, come 70 MHz, 140 MHz, 190 MHz e 240 MHz. Se stai leggendo il PDF o la versione stampata di questo articolo, visita www.analog.com per scaricare la scheda tecnica o per richiedere campioni. L'AD8367 è normalmente disponibile a magazzino ed è disponibile anche una scheda di valutazione. Ringraziamenti L'innovativo AD8367 è stato progettato da Barrie Gilbert e John Cowles.

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