USB供電、915MHz ISM無(wú)線(xiàn)電頻段、具有過(guò)溫管理功能的1W功率放大器

電路功能與優(yōu)勢

國際電信聯(lián)盟(ITU)分配了免許可的915 MHz工業(yè)、科學(xué)和醫學(xué)(ISM)無(wú)線(xiàn)電頻段供區域2使用，該區域在地理上由美洲、格陵蘭島和一些東太平洋群島組成。在該區域內，多年來(lái)無(wú)線(xiàn)技術(shù)和標準的進(jìn)步使此頻段在短距離無(wú)線(xiàn)通信系統中頗受歡迎。該ISM頻段對應用和占空比沒(méi)有任何限制，常見(jiàn)用途包括業(yè)余無(wú)線(xiàn)電、監視控制與數據采集(SCADA)系統以及射頻識別(RFID)。

但是，無(wú)論何種應用，該頻段中的無(wú)線(xiàn)電傳輸都要求信號鏈電路之后有一個(gè)放大器模塊來(lái)驅動(dòng)天線(xiàn)。在美國，根據FCC的規定，對于使用直接序列擴頻(DSSS)或跳頻擴頻(FHSS)的50通道無(wú)線(xiàn)電系統，以及對于使用FHSS的少于50個(gè)通道的無(wú)線(xiàn)電系統，采用915 MHz ISM頻段的擴頻發(fā)射機的最大峰值輸出功率分別為36 dBm和30 dBm。

圖1 CN-0522簡(jiǎn)化功能框圖

電路描述

工作在915 MHz ISM頻段

電路的RF輸入信號必須通過(guò)表面聲波(SAW)濾波器，以將驅動(dòng)放大器的輸入限制為902 MHz至928 MHz頻段。選擇濾波器時(shí)，必須在帶內平坦度和帶外抑制之間取得平衡。在選擇過(guò)程中，應注意SAW濾波器也是插入損耗的來(lái)源，它會(huì )降低信號鏈的總增益。

該參考設計所用的SAW濾波器的典型最大插入損耗為2.9 dB，端接阻抗為50Ω。

放大器

ADI公司的兩級RF功率放大器 ADL5605 的工作頻率范圍為700 MHz至1 GHz，典型增益為23.0 dB，最小噪聲系數為4.7 dB，從881 MHz±13 MHz開(kāi)始的最小輸出三階交調截點(diǎn)(IP3)為43.4 dBm。

有源偏置已集成在A(yíng)DL5605中，只需將5 V電壓施加于VBIAS引腳并通過(guò)RF扼流電感(L1)施加于RFOUT引腳，便可設置兩個(gè)放大器級的最優(yōu)偏置點(diǎn)。建議使用18 nH的電感，因為這也會(huì )為915 MHz ISM頻段提供一定的輸出匹配。為了濾除電源線(xiàn)上的RF信號和高頻噪聲，ADL5605的輸出級偏置以及VCC和VBIAS引腳上均需要三個(gè)去耦電容。

圖2 ADL5605功能框圖

阻抗匹配

對于915 MHz ISM頻段，ADL5605的RFIN引腳上不需要外部匹配元件。同時(shí)，使用微帶線(xiàn)作為電感，并連接一個(gè)額外的串聯(lián)電感(L2)和一個(gè)并聯(lián)電容(COUT)，即可將其RFOUT引腳輕松匹配至50Ω。RFIN和RFOUT引腳均需要外部隔直流電容。 

圖3 ADL5605 RFOUT匹配參數

根據ADL5605數據手冊，當放大器的工作頻率高于868 MHz時(shí)，L2和C OUT的推薦值分別為1.6 nH和8.0 pF。這些元件的正確布局對于匹配至關(guān)重要。然而，在Keysight Advanced Design System (ADS)軟件中對該參考設計進(jìn)行仿真得到的建議元件間距值為：λ1 = 94.5 密耳，λ2 = 240 密耳（與925 MHz至961 MHz頻段相同，參見(jiàn)ADL5605數據手冊）。這些值是從元件中心測量到放大器的邊緣

小信號性能和相位噪聲

該設計產(chǎn)生的S參數和相位噪聲測量結果如圖4和圖5所示。在915 MHz的中心頻率，該電路實(shí)現了20 dB的增益，輸入和輸出回波損耗分別大于11 dB和6 dB。該系統的相位噪聲很低，在10 kHz和100 kHz的頻率偏移時(shí)，相位噪聲值低于-110 dBc/Hz；在1 MHz和10 MHz的頻率偏移時(shí)，相位噪聲值分別低于-130 dBc/Hz和-140 dBc/Hz。

圖4 輸入回波損耗(S11)、反向隔離(S12)、正向增益(S21)、輸出回波損耗(S22)與頻率的關(guān)系

圖5 相位噪聲與頻率偏移的關(guān)系（915 MHz輸入）

設計的輸出功率(POUT)與輸入功率(PIN)的關(guān)系圖如圖6所示，確認在大約11 dBm的輸入電平下實(shí)現了1 W的最大輸出電平。

圖6 POUT與PIN的關(guān)系（915 MHz輸入）

此設計的RF輸入以SAW濾波器或放大器的最大額定值（以較低者為準）為限。使用默認板載SAW濾波器時(shí)，電路的最大輸入為15 dBm。ADL5605本身可以處理高達20 dBm的輸入。

過(guò)溫管理

利用ADI公司的 ADT6402 溫度開(kāi)關(guān)實(shí)現過(guò)溫管理功能以監視板溫度，在其達到設定的閾值時(shí)禁用放大器，從而讓EVAL-CN0522-EBZ冷卻。該溫度傳感器的精度很高，典型額定值為±0.5°C（最大值為+6°C，從-45°C到+ 115°C），在整個(gè)額定溫度范圍內都能保持高精度和線(xiàn)性度，無(wú)需用戶(hù)校準或校正。

圖7 ADT6402功能框圖

S0、S1和S2引腳的狀態(tài)選擇ADT6402的溫度斷路點(diǎn)和遲滯。CN-0522的引腳S2硬連線(xiàn)至VCC，而引腳S0和S1可利用焊接跳線(xiàn)JP1和JP2連接至VCC或GND（或保持浮空）。這些引腳配置將溫度斷路點(diǎn)和遲滯選項限制為表1所列的選項。

1 0 表示引腳接GND，1表示引腳接VCC，"浮空"表示引腳浮空。

由于A(yíng)DL5605的散熱特性良好，建議將斷路點(diǎn)設置為至少95°C。

ADT6402具有一個(gè)高電平有效推挽輸出(TOVER/TUNDER)，該輸出在溫度測量值超過(guò)斷路點(diǎn)時(shí)使能。TOVER/TUNDER通過(guò)緩沖門(mén)連接到ADL5605的DISABLE引腳，當溫度開(kāi)關(guān)跳閘時(shí)，放大器關(guān)斷，只有在系統冷卻到斷路點(diǎn)以下的溫度（加上遲滯）之后才再次開(kāi)啟。緩沖門(mén)確保放大器(ADL5605)的DISABLE引腳的5 V邏輯電平和1.4 mA電流要求得到滿(mǎn)足。

為了獲得最佳性能，必須使ADT6402的GND引腳和熱源的GND引腳的熱阻最小。因此，ADT6402安裝在EVAL-CN0522-EBZ的背面，靠近連接至ADL5605裸露焊盤(pán)的散熱通孔。

布局考慮

功率放大器在使用時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量熱量，因此必須特別注意電路的散熱。為了減輕功耗影響，EVAL-CN0522-EBZ設計有三層厚的接地層，并在A(yíng)DL5605周?chē)拖路讲贾昧硕鄠€(gè)散熱通孔。

在Cadence^? Sigrity? PowerDC?軟件中對CN-0522設計進(jìn)行的仿真表明，在正常工作期間，放大器周?chē)挠∷㈦娐钒?PCB)溫度接近85°C。為了實(shí)現較小尺寸，沒(méi)有在板上增加用于放置散熱器的條件。但是，CN-0522設計有過(guò)溫管理功能，可將EVAL-CN0522-EBZ溫度保持在系統性能最佳的水平。此特性還能防止ADL5605芯片達到其最高結溫。

圖8 CN-0522 PCB熱仿真（主面）

使用LTM8045進(jìn)行USB電源管理

CN-0522的電源通過(guò)microUSB端口供應，并由 LTM8045 μModule調節。這個(gè)小型、獨立的DC-DC轉換器簡(jiǎn)化了穩壓器電路設計，因為它已經(jīng)包括了電流模式控制器和用于低噪聲放大器電源的功率器件。

該設計在正常工作期間大約需要307 mA電流，主要由ADL5605消耗（ADT6402僅需要30μA）。但請注意，ADL5605在較高輸出電平下會(huì )消耗更多電源電流。例如，根據ADL5605數據手冊所述，輸出為30 dBm時(shí)，電流消耗大于560 mA。CN-0522中使用的所有有源器件僅需要5 V單直流電源。

配置為單端初級導體(SEPIC)時(shí)，LTM8045的輸出電壓由VOUT+和FB引腳之間的反饋電阻(RFB)的值設置，該電阻值通過(guò)公式1計算。

其中：

RFB 為反饋電阻，單位為kΩ。

VOUT 為期望輸出電壓，單位為V。

對于5 V的輸出電壓，該公式得出的RFB值為45.3kΩ，在CN-0522中實(shí)現為兩個(gè)并聯(lián)的60.4kΩ和182kΩ電阻，以提供兩條反饋路徑（參見(jiàn)圖9）。

圖9 LTM8045配置為5 V SEPIC（V_OUT側）

為使LTM8045開(kāi)關(guān)瞬變引入的噪聲最小，穩壓輸出通過(guò)一個(gè)阻尼LC濾波器和一個(gè)鐵氧體磁珠。該濾波器用于抑制80 MHz至150 MHz的開(kāi)關(guān)噪聲。圖10顯示了LTspice^?中仿真的LTM8045輸出噪聲的FFT圖。

圖10 使用LTspice得到的LTM8045輸出噪聲FFT圖

LTM8045的開(kāi)關(guān)頻率由RT引腳和GND之間的外部電阻設置，電阻值通過(guò)公式2計算。

其中：

RT 為外部電阻，單位為kΩ。

fOSC為期望開(kāi)關(guān)頻率，單位為MHz。

對于5 V的輸入和輸出電壓電平，根據數據手冊所述，LTM8045的最佳開(kāi)關(guān)頻率為800 kHz。將此值代入公式2中的fOSC，可計算出外部電阻值為115 kΩ。對于該配置，推薦的輸入和輸出電容分別為4.7μF和100μF。

圖11 LTM8045配置為5 V SEPIC（V_IN側）

 為了限制啟動(dòng)期間 來(lái)自電源的浪涌電流，LTM8045設計有軟啟動(dòng)功能，該功能使用SS和GND之間的外部電容實(shí)現。要計算軟啟動(dòng)時(shí)間，請使用公式3。

其中：

tSS 為軟啟動(dòng)時(shí)間，單位為秒。

CSS為外部電容，單位為μF。

此設計使用兩個(gè)并聯(lián)連接的0.1μF電容作為軟啟動(dòng)電容，因此軟啟動(dòng)時(shí)間約為367 ms。

常見(jiàn)變化

如果不需要1 W的功率水平， HMC450 可以用作915 MHz ISM頻段的替代驅動(dòng)放大器。與ADL5605相比，HMC450具有更高的增益、噪聲系數和輸入回波損耗，但代價(jià)是輸出匹配要求更高，并且輸出IP3和輸出1 dB壓縮點(diǎn)(P1dB)較低。HMC450的飽和輸出電平僅為700 mW左右。

如果使用HMC450，則溫度開(kāi)關(guān)必須替換為 ADT6401 ，其與ADT6402引腳兼容且有相同的規格，但輸出為低電平有效輸出。

ADI公司還提供類(lèi)似的用于在2.45 GHz ISM頻段中進(jìn)行傳輸的放大器設計。

電路評估與測試

本節介紹用于測試CN-0522的S參數和相位噪聲的設置和步驟。

圖12 EVAL-CN0522-EBZ頂視圖

圖13 EVAL-CN0522-EBZ底視圖

設備要求

進(jìn)行測試需要如下設備：

●   EVAL-CN0522-EBZ

●   Keysight^? E5061B矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀

●   Rohde & Schwarz^? SMA100A信號發(fā)生器

●   Rohde & Schwarz FSUP信號源分析儀

●   5 V交流/直流USB電源適配器

●   USB A型轉microUSB電纜

●   SMA電纜

●   20 dB衰減器（選配），用于信號源分析儀的輸入保護

設置與測試

要測量S-參數，請執行以下步驟：

1.將矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀設置為所需的測量條件。頻率范圍必須設置為包括902 MHz至928 MHz頻段，而源電平必須設置為0 dBm。

2.使用校準套件對矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀執行完整的2端口校準。請注意，EVAL-CN0522-EBZ的RF輸入(J1)可以直接連到測試端口，因此測試設置僅需要一根測量電纜。

3.使用5 V電源適配器和microUSB電纜為EVAL-CN0522-EBZ供電。

4.使用校準的測試設置將EVAL-CN0522-EBZ連接在矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀的測試端口上。

5.將測量值設置為所需的S參數。

6.在矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀上執行自動(dòng)縮放功能。如果需要，隨后可調整比例。

圖14 S參數測量設置

要測量相位噪聲，請執行以下步驟：

1.將信號源分析儀設置為所需的測量配置。

2.將信號發(fā)生器的輸出設置為915 MHz的頻率和0 dBm的電平。

3.如果設備可以處理放大器輸出（0 dBm輸入時(shí)約為20 dBm），請參考信號源分析儀數據手冊上的最大輸入電平。如有必要，將衰減器連接到信號源分析儀的輸入。

4.使用5 V電源適配器和microUSB電纜為EVAL-CN0522-EBZ供電。

5.將信號發(fā)生器的輸出連接到EVAL-CN0522-EBZ的RF輸入(J1)。

6.將EVAL-CN0522-EBZ的RF輸出(J2)連接到信號源分析儀。

7.在信號源分析儀上執行測量運行。

圖15 相位噪聲測量設置