本文以具有超載保護功能的USB供電 433.92 MHz RF 低雜訊放大器接收器：CN0555為例，說明實際運作的特點及效率。

國際電信聯(lián)盟（ITU）將433.92 MHz工業(yè)、科學和醫(yī)學（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。儘管最初目的在用於無線電通訊之外的應用，但多年來無線技術和標準的進步使得ISM頻段在短距離無線通訊系統(tǒng)中頗受歡迎。

ITU 1 區(qū)的營運業(yè)者無需為使用433.92 MHz頻段獲得許可，常見應用包括軟體定義無線電、醫(yī)療設備和重型機械的工業(yè)無線電控制系統(tǒng)。在美國，433.92 MHz頻段屬於70 cm業(yè)餘無線電頻段（頻率範圍420 MHz至450 MHz），由獲得許可的業(yè)餘無線電臺使用。此頻段也常用於低功耗、短距離應用，例如車庫門遙控開關、耳機、嬰兒監(jiān)視器，以及電源開關和燈光調(diào)節(jié)器。

圖一所示電路是一個雙級RF低雜訊放大器（LNA），其針對433.92 MHz ISM頻段中的接收器訊號鏈進行優(yōu)化。在中心頻率，電路產(chǎn)生大約40.5 dB的增益。RF輸入和輸出埠採用50 Ω阻抗匹配設計，支援電路與標準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雜訊係數(shù)，但輸出端配有SAW濾波器，會消減帶外干擾。

該電路中包含高速超載檢測器和關斷開關，用於保護連接至接收器系統(tǒng)的下游敏感設備。當RF功率水準下降到可接受範圍內(nèi)時，接收器系統(tǒng)也會自動恢復正常運行。RF輸入和輸出是標準的SMA連接器，整個設計由一個微型USB連接器供電。

圖一 : CN0555 簡化功能架構

電路描述

RF 放大器級

CN0555在其RF訊號路徑中使用兩個ADL5523低雜訊放大器。ADL5523為一款高性能砷化鎵（GaAs）假晶高電子遷移率電晶體（pHEMT） RF低雜訊放大器，提供高增益和低雜訊係數(shù)。圖二顯示該元件的典型S參數(shù)性能，在整個頻率範圍內(nèi)，其典型增益為21.5 dB，回波損耗高於10 dB。

ADL5523的典型雜訊係數(shù)為0.8 dB，1 dB壓縮點（P1dB）為21 dBm，三階截取點（OIP3）為34 dBm。將兩個ADL5523放大器串聯(lián)，以實現(xiàn)40 dB整體增益。

圖二 : ADL5523 典型 S-參數(shù)

阻抗匹配網(wǎng)路

ADL5523需要使用一個外部匹配網(wǎng)路，該網(wǎng)路的阻抗針對所需的頻段進行調(diào)諧，以實現(xiàn)優(yōu)化性能。輸入匹配網(wǎng)路包括與RFIN接腳串聯(lián)的電感和一個並聯(lián)電容。在輸出端，匹配網(wǎng)路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)路，以及將兩個ADL5523放大器串聯(lián)的實現(xiàn)方案。

圖三 : 用於串聯(lián) ADL5523 放大器的基本連接

這些元件的正確佈局對於輸入/輸出阻抗匹配也很重要；因此，CN0555遵循ADL5523產(chǎn)品手冊中針對500 MHz調(diào)諧頻段的推薦佈局和元件大小。

SAW 濾波器

CN0555的LNA輸出透過表面聲波（SAW）濾波器進行濾波，有助於消除不必要的頻外放大。選擇濾波器時，必須在頻段平坦度和頻外抑制之間取得平衡。SAW濾波器也是一個插入損耗源，其會降低訊號鏈的整體增益，選擇時需要仔細考慮。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包含一個纖薄、超小型的高性能3 dB 90°混合耦合器。該元件的工作頻率為400 MHz至900 MHz，輸入和輸出阻抗為50 Ω，433.92 MHz時的典型插入損耗為0.3 dB。

RF 開關

ADG901 是採用CMOS製程製成的寬頻RF開關，可以提供高隔離和低插入損耗。其是一種吸收式開關，具有50 Ω端接輸入和輸出。該開關允許使用者傳遞高達0.5 V的DC訊號，無需使用隔直電容。

ADG901的工作頻率為DC至4.5 GHz，在4.5 GHz時的插入損耗為3 dB。在433.92 MHz中心頻率時，此元件在「導通狀態(tài)」下的典型插入損耗為0.4 dB，如圖四所示；在「關斷狀態(tài)」下的典型插入損耗約為70 dB，如圖五所示。

圖四 : ADG901 在導通狀態(tài)下的插入損耗性能

圖五 : ADG901 在關斷狀態(tài)下的隔離損耗性能

組合來自濾波器、耦合器和RF開關的插入損耗，在正常工作條件下，RF開關的輸出端產(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)、相位雜訊測量結果、無雜散動態(tài)範圍（SFDR）、雜訊係數(shù)和穩(wěn)定性測量值，如圖六所示。

在433.92 MHz中心頻率下，CN0555實現(xiàn)了40.5 dB的增益，輸入和輸出回波損耗大於10 dB。圖六顯示在其工作範圍內(nèi)的S參數(shù)值。

圖六 : EVAL-CN0555-EBZ S 參數(shù)與頻率的關係

圖七顯示在433.92 MHz時的單邊具有相位雜訊，在10 Hz、1 MHz和10 MHz偏置時分別約為-98 dBc/Hz、-131 dBc/Hz和-149 dBc/Hz。

圖七 : 433 MHz 時的單邊具有相位雜訊

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

圖九顯示頻率範圍內(nèi)相應的雜訊係數(shù)，在433.92 MHz中心頻率下約為0.8 dB。

圖九 : 雜訊係數(shù)與頻率的關係

系統(tǒng)在整個433.92 MHz ISM頻率頻寬保持穩(wěn)定，Rollet穩(wěn)定性因數(shù)（k）高於1，輔助穩(wěn)定性指標（B1）高於0，如圖十所示。這使得CN0555在任何源阻抗和負載阻抗組合下，都能絕對保持穩(wěn)定。

圖十 : 穩(wěn)定性因數(shù)和測量值與頻率的關係

超載保護

CN0555中整合了超載管理功能，當輸出功率達到預先設定的閾值時，該電路板的RF路徑會自動隔離。此功能使用ADL5904 RF功率檢波器來實現(xiàn)。

ADL5904 提供電阻可編程檢測閾值，將內(nèi)部包絡檢波器電壓與使用者定義的輸入電壓進行比較。當包絡檢波器電壓超過使用者定義的V_IN?接腳的閾值電壓時，內(nèi)部比較器獲取事件並將其鎖定在設定/復位（SR）觸發(fā)器中。圖十一顯示了CN0555的超載保護電路。

圖十一 : CN0555 超載保護電路

如圖十一所示，使用3 dB、90°混合耦合器對放大的RF輸入進行採樣。此功率傳輸至ADL5904的RFIN接腳，然後由內(nèi)部包絡檢波器進行採樣。ADL5904 V_IN-接腳上的閾值電壓位準由電阻分壓器網(wǎng)路設定得值。

CN0555的輸入閾值功率設置為0 dBm，以保護連接至接收器系統(tǒng)的下游敏感設備。如表一所示，當工作頻率為900 MHz時，0 dBm閾值功率對應V_IN-的241 mV電壓位準。

自動復位功能

CN0555還包含自動重定電路，當功率位準返回到可接受範圍內(nèi)時啟動。此功能由LTC6991可程式設計低頻率計時器執(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重定模式。發(fā)生超載事件時，LTC6991啟用，並且開始4 ms延遲。ADL5904在4 ms後復位，對功率位準重新採樣。如果超載狀態(tài)持續(xù)，ADL5904再次斷路，RF開關的控制訊號進入低位準狀態(tài)。此種訊號轉(zhuǎn)變會隔離ADG901開關的RF輸入和輸出。超載事件過去後，ADL5904開始重新採樣功率位準，然後返回正常工作狀態(tài)。

圖十二 : CN0555 自動重定電路

超載保護測試

圖十三顯示了用於測試CN0555的超載保護功能的設定。在該測試中，RF訊號產(chǎn)生器設定採用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行監(jiān)控，該元件顯示從發(fā)生超載事件到輸出功率被衰減的回應時間。

圖十三 : RF 超載響應測試設定

圖十四顯示超載保護回應時間。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的回應時間。圖十五顯示從超載狀態(tài)結束到功率位準返回接受範圍的恢復時間。該資料顯示，從衰減RF輸出到正常工作，期間存在7 ns延遲。

圖十四 : 典型的超載保護回應時間

圖十五 : 發(fā)生超載事件後的典型恢復時間

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。要滿足此項電源要求，需要使用兩個電源電壓。第一個電源為ADL5523低雜訊放大器、ADL5904 RF檢波器和LTC6991低頻率計時器提供3.3 V電源。第二個電源為ADG901 RF開關提供2.5 V電源。圖十六顯示CN0555的整個電源結構。

圖十六 : CN0555 電源架構

LT3042為一款高性能低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器，採用超低雜訊和超高電源抑制比（PSRR）架構，以便為雜訊敏感型射頻應用供電。LT3042設計用作後接高性能電壓緩衝器的精密電流基準，可輕鬆並聯(lián)以便進一步降低雜訊，增加輸出電流並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會產(chǎn)生一個基準電壓。該基準電壓是SET接腳電流100 μA和SET接腳電阻的乘積。

ADM7170-2.5 LDO穩(wěn)壓器用於產(chǎn)生ADG901 RF開關所需的電源電壓。該元件具有2.3 V至6.5 V的輸入電壓範圍和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 可以用於替代型低雜訊放大器，適用於使用433.92 MHz ISM頻段的應用。該元件提供略低的增益、更高的雜訊係數(shù)、OIP3和OP1dB。ADL5521採用與ADL5523相同的功率位準。兩個元件的尺寸非常類似。

ADG902 也可用於RF開關；此元件接腳相容，並具有與ADG901相同的規(guī)格，但其是一種反射開關，提供更低的隔離損耗。

ADI並提供類似的用於在5.8 GHz ISM頻段下工作的接收器放大器的參考設計。

電路評估與測試

本節(jié)介紹評估CN0555的評估設置和步驟。

設備要求

?EVAL-CN0555-EBZ電路評估板

?Rohde & Schwarz SMA100B訊號產(chǎn)生器

?Keysight E5052B訊號分析儀

?Keysight N5242A PNA-X向量網(wǎng)路分析儀

?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

設定和測試

圖十八顯示EVAL-CN0555-EBZ與向量網(wǎng)路分析儀的正確埠連接。

圖十八 : S 參數(shù)和雜訊係數(shù)測試設定

測量S參數(shù)和雜訊係數(shù)的步驟如下：

1.將向量網(wǎng)路分析儀設定為所需的測量條件，步驟如下：

a.將頻率掃描範圍設定為 400 MHz 至 500 Mhz

b.將頻率步長設定為 10 kHz。

c.功率位準必須小於或等於-45 dBm。

2.使用校準套件對向量網(wǎng)路分析儀執(zhí)行完整的 2 埠校準。請注意，EVAL-CN0555-EBZ 的 RF 輸入可以直接連到測試埠，因此測試設置僅需要一根測量電纜。

3.使用校準的測試設定將 EVAL-CN0555-EBZ 連接在向量網(wǎng)路分析儀的測試埠上。

4.使用 5 V 電源轉(zhuǎn)接器為 EVAL-CN0555-EBZ 供電。

5.設定向量網(wǎng)路分析儀，以顯示各個 S 參數(shù)和雜訊係數(shù)的跡線。

6.將測量值與期望值進行比較。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。對於增益和雜訊係數(shù)，數(shù)值分別應為約 40 dB 和 1.2 dB。

圖十九顯示執(zhí)行相位雜訊和 SFDR 測試時 EVALCN0555-EBZ與訊號分析儀和訊號產(chǎn)生器的正確連接。

圖十九 : 相位雜訊和 SFDR 測試設定

要執(zhí)行相同的測試，請遵循以下步驟：

1.按如下步驟設定訊號分析儀所需的測量配置：

a.為了執(zhí)行SFDR測量，設定中心頻率 = 433.92 MHz，頻率範圍 = 400 MHz 至 500 MHz，RF 幅值 = 10 dBm。

b.為了執(zhí)行相位雜訊測量，設定中心頻率 = 433.92 MHz，偏移頻率範圍 = 10 Hz 至 30 MHz。

2.將訊號產(chǎn)生器的功率位準設定在-50 dBm 至-40 dBm之間，中心頻率設定為 433.92 MHz。

3.將訊號產(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)接器的額定功率高於 500 mW。

6.在訊號分析儀上執(zhí)行測量運行。

7.使用訊號分析儀獲取相位雜訊值，並驗證在 10 kHz 頻偏下其值是否約為-125 dBc/Hz。

8.運行 SFDR 測試並比較讀數(shù)；期望值約為 60 dBc。