國際電信聯盟(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。盡管最初旨在用于無線電通信之外的應用，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信系統(tǒng)中頗受歡迎。

ITU 1 區(qū)的運營商無需為使用433.92 MHz頻段獲得許可，常見應用包括軟件定義無線電、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頻段屬于70 cm業(yè)余無線電頻段（頻率范圍420 MHz至450 MHz），由獲得許可的業(yè)余無線電臺使用。此頻段也常用于低功耗、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節(jié)器。

圖1所示電路是一個雙級RF低噪聲放大器(LNA)，針對433.92 MHz ISM頻段中的接收器信號鏈進行了優(yōu)化。在中心頻率，電路產生大約40.5 dB的增益。RF輸入和輸出端口采用50 Ω阻抗匹配設計，支持電路與標準50 Ω系統(tǒng)之間的直接連接。其輸入未經濾波，保持1.4 dB噪聲系數，但輸出端配有SAW濾波器，會消減帶外干擾。

該電路中包含高速過載檢測器和關斷開關，用于保護連接至接收器系統(tǒng)的下游敏感設備。當RF功率水平下降到可接受范圍內時，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1.CN0555簡化功能框圖

評估和設計支持

• 電路評估板
• CN0555電路評估板(EVAL-CN0555-EBZ)
• 設計和集成文件
• 原理圖、布局文件、物料清單

電路描述

RF放大器級

CN0555在其RF信號路徑中使用兩個ADL5523低噪聲放大器。ADL5523是一款高性能砷化鎵(GaAs)假晶高電子遷移率晶體管(pHEMT) RF低噪聲放大器，提供高增益和低噪聲系數。圖2顯示該器件的典型S參數性能，在整個頻率范圍內，其典型增益為21.5 dB，回波損耗高于10 dB。

ADL5523的典型噪聲系數為0.8 dB，1 dB壓縮點(P1dB)為21 dBm，三階交調點(OIP3)為34 dBm。將兩個ADL5523放大器級聯，以實現40 dB整體增益。

圖2.ADL5523典型S-參數

阻抗匹配網絡

ADL5523需要使用一個外部匹配網絡，該網絡的阻抗針對所需的頻段進行調諧，以實現優(yōu)化性能。輸入匹配網絡包括與RFIN引腳串聯的電感和一個并聯電容。在輸出端，匹配網絡以類似的方式在偏置線路上使用電感和電容。圖3展示完整的阻抗匹配網絡，以及將兩個ADL5523放大器級聯的實現方案。

圖3.用于級聯ADL5523放大器的基本連接

這些元件的正確布局對于輸入/輸出阻抗匹配也很重要；因此，CN0555遵循ADL5523數據手冊中針對500 MHz調諧頻帶的推薦布局和組件大小。

SAW濾波器

CN0555的LNA輸出通過表面聲波(SAW)濾波器進行濾波，有助于消除不必要的帶外放大。選擇濾波器時，必須在頻帶平坦度和帶外抑制之間取得平衡。SAW濾波器也是一個插入損耗源，它會降低信號鏈的整體增益，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。該器件的工作頻率為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是采用CMOS工藝制成的寬帶RF開關，可以提供高隔離和低插入損耗。它是一種吸收式開關，具有50 Ω端接輸入和輸出。該開關允許用戶傳遞高達0.5 V的DC信號，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，此器件在“導通狀態(tài)”下的典型插入損耗為0.4 dB，如圖4所示；在“關斷狀態(tài)”下的典型插入損耗約為70 dB，如圖5所示。

圖4.ADG901在導通狀態(tài)下的插入損耗性能

圖5.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開關的輸出端產生的總插入損耗約為2.7 dB。

RF性能

CN0555中得到的S參數、相位噪聲測量結果、無雜散動態(tài)范圍(SFDR)、噪聲系數和穩(wěn)定性測量值如下圖所示。

在433.92 MHz中心頻率下，CN0555實現了40.5 dB的增益，輸入和輸出回波損耗大于10 dB。圖6顯示在其工作范圍內的S參數值。

圖6.EVAL-CN0555-EBZ S參數與頻率的關系

圖7顯示在433.92 MHz時的單邊帶相位噪聲，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7.433 MHz時的單邊帶相位噪聲

圖8顯示窄帶單音RF輸出，SFDR為58.38 dBFS。

圖8.窄帶單音RF輸出

圖9顯示頻率范圍內相應的噪聲系數，在433.92 MHz中心頻率下約為0.8 dB。

圖9.噪聲系數與頻率的關系

系統(tǒng)在整個433.92 MHz ISM頻率帶寬保持穩(wěn)定，Rollet穩(wěn)定性因子(k)高于1，輔助穩(wěn)定性指標(B1)高于0，如圖10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10.穩(wěn)定性因子和測量值與頻率的關系

過載保護

CN0555中集成了過載管理功能，當輸出功率達到預先設置的閾值時，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。

ADL5904提供電阻可編程檢測閾值，將內部包絡檢波器電壓與用戶定義的輸入電壓進行比較。當包絡檢波器電壓超過用戶定義的VIN?引腳的閾值電壓時，內部比較器捕獲事件并將其鎖定在設置/復位(SR)觸發(fā)器中。圖11顯示了CN0555的過載保護電路。

圖11.CN0555過載保護電路

如圖11所示，使用3 dB、90°混合耦合器對放大的RF輸入進行采樣。此功率傳輸至ADL5904的RFIN引腳，然后由內部包絡檢波器進行采樣。ADL5904 VIN-引腳上的閾值電壓電平由電阻分壓器網絡設置，該值可以使用公式1計算得出。

其中：

V_IN-是ADL5904的V_IN-引腳的電壓電平。

R₁₀是用戶定義的電阻值。

R₁₁是用戶定義的電阻值。

I_OS為輸入偏置電流。

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1所示，當工作頻率為900 MHz時，0 dBm閾值功率對應V_IN-的241 mV電壓電平。

表1.工作頻率未校準時，推薦的閾值電壓(VIN-)典型值

V_IN?的閾值電平由電阻分壓器設置。選擇R₁₀和R₁₁的絕對值，盡可能減少3.3 V電源軌上的負載，同時提供不受泄漏電流和偏置電流影響的輸出阻抗。將R10設置為13.7 kΩ，使R11的值為1.02 kΩ，這會產生可忽略不計的224 μA分壓器電流和991 Ω輸出阻抗。

V_IN- = 241 mVIBIAS = 20 μA

R₁₀ = 13.7 kΩ

R₁₁ = 991 Ω或1.02 kΩ（使用標準電阻值）

使用最接近的標準電阻值求解公式1，將V_IN-電壓電平設置為241.9 mV。當功率超過閾值時，發(fā)生過載事件，將隔離RF路徑。

ADL5904在其RF閾值功率上引入高達+2.5 dBm的誤差電平，該值因器件而異。如果需要準確的閾值功率，必須執(zhí)行簡單的校準程序，以補償器件與器件之間的差異。有關校準程序的更多信息，參見ADL5904數據手冊。

自動復位功能

CN0555還包含自動復位電路，當功率電平返回到可接受范圍內時激活。此功能由LTC6991可編程低頻率定時器執(zhí)行。

如圖12所示，ADL5904的 eq \s\up4(\f(,Q))輸出使LTC6991在正常工作期間保持在復位模式。發(fā)生過載事件時，LTC6991啟用，并且開始4 ms延遲。ADL5904在4 ms后復位，對功率電平重新采樣。如果過載狀態(tài)持續(xù)，ADL5904再次斷路，RF開關的控制信號進入低電平狀態(tài)。這種信號轉變會隔離ADG901開關的RF輸入和輸出。過載事件過去后，ADL5904開始重新采樣功率電平，然后返回正常工作狀態(tài)。

圖12.CN0555自動復位電路

過載保護測試

圖13顯示了用于測試CN0555的過載保護功能的設置。在該測試中，RF信號發(fā)生器設置采用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，該器件顯示從發(fā)生過載事件到輸出功率被衰減的響應時間。

圖13.RF過載響應測試設置

圖14顯示過載保護響應時間。根據該圖，從正常工作到RF輸出功率被衰減，CN0555擁有約9 ns的響應時間。圖15顯示從過載狀態(tài)結束到功率電平返回可接受范圍的恢復時間。該數據顯示，從衰減RF輸出到正常工作，期間存在7 ns延遲。

圖14.典型的過載保護響應時間

圖15.發(fā)生過載事件后的典型恢復時間

USB電源管理

CN0555通過微型USB適配器獲取電源，該適配器一般通過微型USB端口提供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。要滿足這項電源要求，需要使用兩個電源電壓。第一個電源為ADL5523低噪聲放大器、ADL5904 RF檢波器和LTC6991低頻率定時器提供3.3 V電源。第二個電源為ADG901 RF開關提供2.5 V電源。圖16顯示CN0555的整個電源結構。

圖16.CN0555電源架構

LT3042是一款高性能低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器，采用超低噪聲和超高電源抑制比(PSRR)架構，以便為噪聲敏感型射頻應用供電。LT3042設計用作后接高性能電壓緩沖器的精密電流基準，可輕松并聯以便進一步降低噪聲，增加輸出電流并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17所示。

圖17.LT3042提供3.3 V輸出所需的配置

LT3042在SET引腳上集成一個精密100 μA電流源，該引腳還連接到放大器的反相輸入。圖17顯示將電阻從SET引腳連接至GND會生成一個基準電壓。該基準電壓是SET引腳電流100 μA和SET引腳電阻的乘積，如公式2所示。

ADM7170-2.5 LDO穩(wěn)壓器用于生成ADG901 RF開關所需的電源電壓。該器件具有2.3 V至6.5 V的輸入電壓范圍和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可在其輸入和輸出引腳上使用4.7 μF小型解耦電容。

常見變化

ADL5521可以用作替代型低噪聲放大器，適用于使用433.92 MHz ISM頻帶的應用。該器件提供略低的增益、更高的噪聲系數、OIP3和OP1dB。ADL5521采用與ADL5523相同的功率電平。兩個器件的尺寸非常類似。

ADG902也可用作RF開關；此器件引腳兼容，并具有與ADG901相同的規(guī)格，但它是一種反射開關，提供更低的隔離損耗。

ADI公司還提供類似的用于在5.8 GHz ISM頻段下工作的接收器放大器的參考設計。欲了解更多信息，請參閱CN0534電路筆記。

電路評估與測試

本節(jié)介紹評估CN0555的評估設置和步驟。有關電路評估設置的完整信息，請參閱EVAL-CN0555-EBZ用戶指南。

設備要求

• EVAL-CN0555-EBZ電路評估板
• Rohde & Schwarz® SMA100B信號發(fā)生器
• Keysight® E5052B信號分析儀
• Keysight N5242A PNA-X矢量網絡分析儀
• 5 V micro USB電源適配器或micro USB轉USB電纜
• 一根SMA至SMA電纜

設置和測試

圖18顯示了EVAL-CN0555-EBZ與矢量網絡分析儀的正確端口連接。

圖18.S參數和噪聲系數測試設置

測量S參數和噪聲系數的步驟如下：

1. 將矢量網絡分析儀設置為所需的測量條件，步驟如下：

a. 將頻率掃描范圍設置為400 MHz至500 Mhz。

b. 將頻率步長設置為10 kHz。

c. 功率電平必須小于或等于-45 dBm。

2. 使用校準套件對矢量網絡分析儀執(zhí)行完整的2端口校準。請注意，EVAL-CN0555-EBZ的RF輸入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. 使用校準的測試設置將EVAL-CN0555-EBZ連接在矢量網絡分析儀的測試端口上。

4. 使用5 V電源適配器為EVAL-CN0555-EBZ供電。

5. 設置矢量網絡分析儀，以顯示各個S參數和噪聲系數的跡線。

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。對于增益和噪聲系數，數值分別應為約40 dB和1.2 dB。

圖19顯示了執(zhí)行相位噪聲和SFDR測試時EVAL-CN0555-EBZ與信號分析儀和信號發(fā)生器的正確連接。

圖19.相位噪聲和SFDR測試設置

要執(zhí)行相同的測試，請遵循以下步驟：

1. 按如下步驟設置信號分析儀所需的測量配置：

a. 為了執(zhí)行SFDR測量，設置中心頻率 = 433.92 MHz，頻率范圍 = 400 MHz至500 MHz，RF幅值 = 10 dBm。

b. 為了執(zhí)行相位噪聲測量，設置中心頻率 = 433.92 MHz，偏移頻率范圍 = 10 Hz至30 MHz。

2. 將信號發(fā)生器的功率電平設置在-50 dBm至-40 dBm之間，中心頻率設置為433.92 MHz。

3. 將信號發(fā)生器輸出連接到EVAL-CN0555-EBZ的RF輸入。

4. 將EVAL-CN0555-EBZ的RF輸出連接到信號分析儀。

5. 使用5 V電源適配器為EVAL-CN0555-EBZ供電，該適配器的額定功率高于500 mW。

6. 在信號分析儀上執(zhí)行測量運行。

7. 使用信號分析儀獲取相位噪聲值，并驗證在10 kHz頻偏下其值是否約為-125 dBc/Hz。

8. 運行SFDR測試并比較讀數；期望值約為60 dBc。

更多資料

CN0555設計和集成文件

ADIsimRF? RF信號鏈計算工具

LTspice® SPICE仿真軟件

LTpowerCAD®設計工具

MT-031指南，“實現數據轉換器的接地并解開AGND和DGND的謎團”。ADI公司，

MT-073指南，“高速可變增益放大器(VGA)?！盇DI公司，

指南MT-101?！叭ヱ罴夹g”。ADI公司，

Whitlow，Dana?！艾F代通信系統(tǒng)中接收機用自動增益控制環(huán)路的設計與操作?！盋hapter 8.ADI公司無線研討會。2006.

數據手冊和評估板

CN0555評估板(EVAL-CN0555-EBZ)、ADL5523數據手冊、ADL5523評估板、ADG901數據手冊、ADG901評估板、ADL5904數據手冊、ADL5904評估板、LT3042數據手冊、LT3042評估板、ADM7170數據手冊、ADM7170評估板、LTC6991數據手冊、LTC6991評估板

ESD警告

ESD（靜電放電）敏感器件。帶電器件和電路板可能會在沒有察覺的情況下放電。盡管本產品具有專利或專有保護電路，但在遇到高能量ESD時，器件可能會損壞。因此，應當采取適當的ESD防范措施，以避免器件性能下降或功能喪失。

Circuits from the Lab®參考設計是經過測試的參考設計，有助于加速設計，同時簡化系統(tǒng)集成，幫助解決當今的模擬、混合信號和RF設計挑戰(zhàn)。如需更多信息和/或技術支持，請訪問：www.analog.com/CN0555。

連接/參考器件

ADL5523

400MHz至4000MHz低噪聲放大器

ADG901

0Hz至4.5GHz、40dB關斷隔離(1GHz)、17dBm P1dB (1GHz) SPST開關

ADL5904

提供包絡閾值檢測功能的DC至6GHz、45dB TruPower檢波器

LT3042

20V、200mA、超低噪聲、超高PSRR RF線性穩(wěn)壓器

ADM7170

6.5V、500mA、超低噪聲、高PSRR、快速瞬變響應CMOS LDO

LTC6991

TimerBlox：自恢復低頻率振蕩器

ADI公司的Circuits from the Lab?電路由ADI工程師設計構建。每個電路的設計和搭建都嚴格遵循標準工程規(guī)范，電路的功能和性能都在實驗室環(huán)境中在室溫條件下進行了測試和檢驗。不過，您需負責自行測試電路，并確定對您是否適用。因而，ADI公司將不對由任何原因、連接到任何所用參考電路上的任何物品所導致的直接、間接、特殊、偶然、必然或者懲罰性的損害負責。

Circuits from the Lab電路僅供與ADI公司產品一起使用，并且其知識產權歸ADI公司或其授權方所有。雖然您可以在產品設計中使用參考電路，但是并未默認授予其它許可，或是通過此參考電路的應用及使用而獲得任何專利或其它知識產權。ADI公司確信其所提供的信息是準確可靠的。不過，Circuits from the Lab電路是以“原樣”的方式提供的，并不具有任何性質的承諾，包括但不限于：明示、暗示或者法定承諾，任何適銷性、非侵權或者某特定用途實用性的暗示承諾，ADI公司無需為參考電路的使用承擔任何責任，也不對那些可能由于其使用而造成任何專利或其它第三方權利的侵權負責。ADI公司有權隨時修改任何參考電路，恕不另行通知。

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