關(guān)于集成RF混頻器與無(wú)源混頻器方案的性能比較

　　摘要：本應用筆記比較了集成RF混頻器與無(wú)源混頻器方案的整體性能，論述了兩種方案的主要特征，并指出集成方案相對于無(wú)源方案的主要優(yōu)點(diǎn)。

　　過(guò)去，RF研發(fā)人員在高性能接收器設計中使用無(wú)源下變頻混頻器取得了較好的整體線(xiàn)性指標和雜散指標。但在這些設計中使用分立的無(wú)源混頻器也存在一些缺點(diǎn)。

　　為了達到接收器整體噪聲系數的指標要求，需要在射頻(RF)增益級或中頻(IF)增益級補償無(wú)源混頻器的插入損耗。與集成混頻器相比，使用無(wú)源混頻器時(shí)，用戶(hù)不僅要考慮其輸入三階截點(diǎn)(IIP3)，還要考慮輸出三階截點(diǎn)(OIP3)。無(wú)源混頻器的二階線(xiàn)性指標一般都比集成平衡混頻器的差，而該指標在考慮接收器的半中頻雜散性能時(shí)非常重要。由于混頻器的線(xiàn)性度與本振驅動(dòng)電平直接相關(guān)，所以必須產(chǎn)生相當大的本振注入，然后通過(guò)PCB布線(xiàn)饋入無(wú)源混頻器的本振端口。此外，還需要外部RF放大級對這些信號進(jìn)行放大，使整個(gè)設計對本振輻射和干擾非常敏感。由于無(wú)源混頻器是一個(gè)全分立方案，成本更高、PCB尺寸更大，由于分立元件之間的偏差也會(huì )導致性能上的差異。

　　集成(或有源)混頻器設計可以獲得與無(wú)源混頻器相媲美的性能，因而備受歡迎。集成混頻器包含一個(gè)真正的平衡混頻器(Gilbert單元)或帶有中頻放大的無(wú)源混頻器，借助增益補償了損耗。由于集成混頻器具有增益級，不再像無(wú)源混頻器那樣需要外部中頻放大器補償損耗。對于噪聲系數指標非常好的集成混頻器，如Maxim的MAX9993、MAX9981和MAX9982，在混頻電路前端需要較小的RF增益，從而改善了接收器的整體線(xiàn)性指標。值得強調的是，如果通過(guò)在混頻器前端提高增益來(lái)改善串聯(lián)噪聲系數，也必須提高混頻器的線(xiàn)性度，以保持接收器的整體線(xiàn)性指標。Maxim的MAX9993、MAX9981和MAX9982混頻器還包括有本振(LO)驅動(dòng)電路。

　　Maxim的MAX9993高線(xiàn)性度下變頻混頻器具有圖1所示功能：

　　圖1. MAX9993等效電路

　　MAX9993在PCS和UMTS頻帶的指標如下：

　　變頻增益 = 8.5dB

　　噪聲系數 = 9.5dB

　　三階輸入截點(diǎn)(IIP3) = +23.5dBm

　　三階輸出截點(diǎn)(OIP3) = +32dBm

　　二階輸入截點(diǎn)(IIP2) = +60dBm

　　二階輸出截點(diǎn)(OIP2) = +68.5dBm

　　低本振驅動(dòng)電平：0到+6dBm

　　兩路開(kāi)關(guān)(SPDT)為GSM應用選擇LO輸入(本振開(kāi)關(guān)在無(wú)切換應用重，如cdma2000?，選擇固定本振信號)

　　圖2所示是一個(gè)無(wú)源混頻器、中頻放大器和LO放大器組成的分立方案。圖中使用了單端元件，其二階線(xiàn)性度與Maxim的集成混頻器相比較差。從集成RF混頻器的數據資料看，為了與Maxim的集成混頻器進(jìn)行比較，RF電路設計人員必須在無(wú)源設計中考慮各個(gè)分立元件的等效串聯(lián)特性。例如，設計人員不僅要注意無(wú)源混頻器的三階輸入截點(diǎn)，而且要考慮它的三階輸出截點(diǎn)和包括中頻放大級在內的整體系統響應。此外，設計者還必須計算無(wú)源混頻器方案的等效增益和噪聲系數，并將結果與集成混頻器參數進(jìn)行比較。

　　圖2. 分立混頻器/中頻放大器

　　對每級電路都使用了以下符號：

　　G = 變頻功率增益

　　NF = 噪聲系數

　　IIP3 = 輸入三階截點(diǎn)

　　OIP3 = 輸出三階截點(diǎn)

　　實(shí)例

　　參照圖2，計算中頻放大器參數，得到與MAX9993增益、噪聲系數和三階截點(diǎn)性能相當的整體串聯(lián)響應。假定Mini-Circuits? HJK-19MH無(wú)源混頻器用于PCS和UMTS頻帶，給定參數為：

　　G1 = -7.5dB

　　NF1 = 7.5dB (假設)

　　IIP31 = +29dBm

　　OIP31 = IIP31 + G1 = +21.5dBm

　　將MAX9993的典型指標作為PCS和UMTS頻帶的典型參數：

　　Gsys = 系統總增益 = +8.5dB

　　NFsys = 系統噪聲系數 = 9.5dB

　　IIP3sys = 系統輸入三階截點(diǎn) = +23.5dBm

　　OIP3sys = 系統輸出三階截點(diǎn) = +32dBm

　　所需中頻放大器增益：

　　由下式確定中頻放大器的增益：

　　Gsys = 8.5dB

　　= G1 + G2由此解得G2，

　　G2 = Gsys - G1 = 8.5dB - (-7.5dB)

　　= 16dB

　　所需中頻放大器噪聲系數：

　　為了得到9.5dB的串聯(lián)噪聲系數，假定無(wú)源混頻器的噪聲系數等于7.5dB，使用通用的串聯(lián)噪聲系數方程可求得所要求的中頻放大器噪聲系數，其中，噪聲系數(以dB為單位)等于10 * log (噪聲系數)。

　　NFsys = 9.5dB

　　= 10 * log (系統噪聲系數)

　　= 10 * log (Fsys)

　　= 10 * log (F1 + (F2 - 1) / G1)

　　用下式求解NF2：

　　NF2 = 10 * log ((Fsys - F1) * G1 + 1)

　　= 10 * log ((10^(9.5 / 10) - 10^(7.5 / 10)) * (10^(-7.5 / 10)) + 1)

　　= 10 * log ((8.91 - 5.62) * 0.18 + 1)

　　= 10 * log (1.59)

　　= 2dB

　　所需中頻放大器三階截點(diǎn)：

　　使用串聯(lián)輸入截點(diǎn)方程確定中頻放大器的輸入三階截。

　　IIP3sys (dBm) = +23.5dBm

　　= 10 * log (IIP3值)

　　= 10 * log (1 / (1/10^(IIP31 / 10) + 10^(G1 / 10) / 10^(IIP32 / 10)))

　　求解 以確定中頻放大電路所要求的三階截點(diǎn)：

　　IIP32 (dBm) = 10 * log (10^(G1 / 10) * (1 / (1 / 10^(IIP3sys / 10) - 1 / 10^(IIP31 / 10))))

　　= 10 * log (10^(-7.5/10) * (1 / (1 / 10^(23.5 / 10) - 1 / 10^(29 / 10))))

　　= 17.5dBm

　　由可得到放大器的輸出三階截點(diǎn)如下：

　　OIP32 (dBm) = OIP32 + G2

　　= +17.5dBm + 16dB

　　= +33.5dBm

　　串聯(lián)結果

　　圖3總結了等效的串聯(lián)參數：

　　圖3. 無(wú)源混頻器與中頻放大器的串聯(lián)響應

　　由計算所得的中頻放大器參數可知，要找到一個(gè)具有16dB增益和2dB噪聲系數的中頻放大器非常困難，而且使用該分立方案不能達到MAX9993所具備的二階線(xiàn)性指標。另外，還至少需要一個(gè)或兩個(gè)外部本振放大器，以產(chǎn)生Mini-Circuits HJK-19MH混頻器所要求的+13dBm本振驅動(dòng)電平。

　　結論

　　設計接收機時(shí)，設計人員在選擇集成混頻器方案時(shí)會(huì )顧及到計算分立方案的等效串聯(lián)指標，而后將其與Maxim的集成混頻器比較。本文明確給出了集成混頻器方案與分立混頻器方案相比所具備的優(yōu)點(diǎn)。比較兩種方案時(shí)，必須考慮的重要參數包括：變頻增益、噪聲系數和線(xiàn)性度(主要是二階和三階)。本應用筆記也給出了計算串聯(lián)參數的正確方法。