对于通信应用差分电路设计技术

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对于通信应用差分电路设计技术

其中一个在通信系统设计的主要挑战是提供足够的信号保真度成功攻克。严格的标准规范要求进行适当的接口拓扑结构选择。用于蜂窝电话的通信标准，诸如码分多址(CDMA)和宽带CDMA的部署，需要高动态范围，高输入线性和低噪声，以避免阻滞剂，信号失真，和灵敏度退化的影响。在过去，完全差分信号链的性能优势通过由于实际应用问题的单端选择很压倒。然而，在集成的RF电路技术的最新进展和可用高性能差分RF积木扩展允许差动结构被应用到高性能接收机设计。

图1：单端信号的例子。单端信号是不平衡的定义，是由感兴趣的信号和恒定参考点，通常地，作为对信号返回路径之间的差值测量。的问题可以，如果错误源被引入到单端信号会遇到。由于接地参考将不受注入的错误，错误结转通过信号。在单端配置中，引入到所期望的信号的任何变化将是有问题的，而不涉及过于复杂抵消技术除去。出于这个原因，单端信号或不平衡信号更容易产生的噪声和干扰，如电磁耦合干扰。此外，如稍后将示出的，不平衡的配置具有比均衡电路失真更高。

图2：差分信号的例子。差分信号是由对平衡信号走动以相等但相反的振幅的参考点的。该复合差分信号对应于正和负平衡信号之间的差。例如，从两个1 VP-P的信号，其结果是2 VP-P的复合信号。在这种情况下，如果错误源被引入到差分信号路径中，它可能会被添加到每两个平衡信号相等的。因为返回路径是不恒定的参考点，差动信号将不受影响一旦两个平衡信号分量的差异抵消了误差，这通常是相等的振幅在每个信号的过渡。由于这个原因，平衡信号是不易发生的噪声和干扰比不平衡信号会。而且，如将讨论的，均衡的信号具有失真比单端电路更低。

图3：传统接收器架构。这里展示的是一个传统的超外差接收机的方框图。不管拓扑，单端或差分，该系统的目标是成功提供一个希望的信号到模拟 - 数字转换器，用于数字化。信号路径包括几个射频块：天线，滤波器，低噪声放大器(LNA)，混频器，ADC驱动放大器，和ADC。天线之后的第一个块是任务是放大高于热噪声的信号在LNA。扩增在此阶段是关键的，因为这将决定该系统的灵敏度和将确保后续混频器和放大器的LNA后不显著本底噪声添加。沿途有带通滤波器来抑制带外的任何内容，并减少失真或噪声，接收器级可沿信号路径添加。下一个块，混频器，它遵循在LNA，频率转换感兴趣的信号，下转换高频RF信号到一个较低的，更容易管理的中频(IF)。 ADC驱动器放大器和抗混叠滤波器(AAF)准备信号以由ADC进行数字化。驾驶员提供增益和AAF抑制第一奈奎斯特区的ADC，包括将被递送到ADC输入噪声之外的任何内容，和具有不同波段的寄生分量仍然存在于信号路径中。最后，在模拟信号路径的末端时，ADC进行数字化的基带信息的功能。

图4：通信系统的考虑。为了对比单端至差分，也有必须遵守设计好整个系统的系统级性能指标。一些是流行在通信系统中的关键考虑因素已经被提到，但有一个完整的视图是很重要的。是什么让一个良好的射频设计?根据不同的应用程序和体系结构，性能规格会有所不同。然而，通常有一些中普遍存在的通信系统中很常见的考虑，如失真，噪声基底，和动态范围。此外，良好的灵敏度要求低本底噪声和低时钟相位噪声。高投入，三阶截取(IP3)和高1 dB压缩点(P1dB的)是输入信号电平处理能力是至关重要的。有很多的传输共享的风口浪尖。的鲁棒系统，需要用于处理期望信号，这是一般的小和中的其它干扰信号的存在，这可能是大的。因此，高灵敏度，输入线性，选择性好，和高抗干扰到附近的大信号都需要一个强大的系统设计。其他考虑因素包括低成本，低功耗(尤其是用于便携式设备)，和紧凑的尺寸。

图5：差分优点。有几个优点使用差分相对于单端信号链;这里审查是最常见的。差分信号链具有的优点相比单端链具有关于输出过渡。每个输出的较低的信号电压意味着更高的总体信号电压就可以实现。因此，相同的总的信号摆幅可以实现，相比于单端信号，以更低的功耗。由于可用的更大输出摆幅的结果：更高的总体信号摆幅可以达到;可以实现相同的总信号摆幅但略低于电源;和功耗可以被降低。也有以系统的线性度的好处。在非常低的失真的应用，相对于单端信号的电源的净空可提高两个因素。有差系统中偶次谐波的固有的取消，意味着该第二，第四，第六，等等谐波会相较于奇次谐波相当低。要注意的是一个完全消除无法实现这一点很重要，但有明显的优势。差分架构还允许一些预失真技术，以帮助减少奇次谐波。此外，还有典型地是大约6 dB的改进在输出1 dB压缩点(P1dB的)和OIP3对于相同的电源轨。最后，由于信号的返回路径不再通过地面，该信号将是地面的噪声和干扰，从而转化为具有改进的电源抑制比(PSRR)更好的共模抑制比(CMRR)较不敏感。此外，差分方法提供了改进的抗耦合的电磁干扰(EMI)。

图6：不平衡与平衡信号。这里展示的是两个框图对比单端和差分方法。第一个图表表示具有体积小，片面的输入信号的单端框图。蓝色信号示出任何类型的进入系统的共模干扰。请注意，此蓝色干扰信号也被放大在输出 - 被放大一样多的需要的信号。是困难的所需信号从干扰信号中分离出来。差动方框图显示由极性相反的两个信号所需要的信号，一种是积极的，另一种是消极的。在输入端引入的任何干扰将是对两个参考电平相同的极性，如图蓝色。虽然干扰信号在每个输出进行放大，当看该复合信号，所述两个差分信号之间的差，所希望的信号被加倍，并且干扰已被移除。而单端的方法是容易受到共模噪声，电源噪声，或电磁干扰，差分块具有由凭借取消的免疫力的那些干扰。

图7：偶数订单取消。除了共模干扰免疫，差分方法也有偶次谐波的固有的取消。这里展示的是单端的方式进行审查。甲非线性器件，在这种情况下，一个单端放大器，是由一个幂级数展开传递函数描述并在其输入端提供的正弦曲线。幂级数(方程式在底部)的膨胀表明，一个恒定绑定到每个频率倍数，偶数和奇数。

图8：输出光谱图。示这个等式可以更容易地可视化及其各种部件。表示基本信号的方程的部分以灰色突出显示。表示第二和第三谐波部分被在红色和绿色，高亮分别。幂级数的膨胀表明非零常数是绑每个频率倍数，偶数和奇数。很显然，单端，非线性装置已在整个光谱创建谐波，正如所预期的。

图9：差分块的取消效应。采取同样的数学方法来看待差分方法可看到的固有消除偶次谐波，类似于先前讨论的共模干扰免疫是有利的。再次，一个非线性器件，在这种情况下，差分放大器块，是由幂级数展开传递函数描述，并有一对相反极性的正弦曲线的供给 - 这些表示在该装置的输入端的差分信号。通过膨胀，示出了差动块的消除效果。

图10：非线性元件的输出光谱。再次，示出了该方程可以更容易地可视化及其各种部件。幂级数的扩大表明，该系列的所有偶次谐波是由他们的同行相对幅度的取消。只用基本信号，以灰色突出显示，并且第三次谐波，以绿色突出，具有一个非零贡献。在现实生活中，非理想的设备将不会达到完美的注销，但他们从较低的偶次谐波中受益。

图11：驱动ADC的挑战。一种在通信系统的设计的主要挑战是成功的驱动所需要的信号到模拟 - 数字转换器。此处示出的例子有助于说明差动信号链与单端信号链的好处。这里所示的三个主要块是驱动放大器，该抗混叠滤波器，以及模拟 - 数字转换器。充足的保真度信号检测需要适当的元件选择和接口的实现。这里(图11)的评价是两个例子，一个单端和一个差分。的目标是获取在信号传输的蓝色部分上的左侧。它是在其他较大，干扰信号的存在的小信号。捕捉到它，有必要考虑噪声，动态范围，以及其他因素的具体到ADC要求。这是所有必要的提取只有感兴趣的信号，并将其交付给ADC。这个接收器信号显示在右侧;它已被放大，并且阻断剂已被除去，留下的信号的唯一的期望部分，以蓝色显示。

图12：通信系统的单端和差分信号链的性能比较。图12比较，在接收机的通信系统端的真实世界的例子中，单端和差分信号链的性能。第一个例子是，开始于单端方法的单端IF驱动放大器，随后是单端的抗混叠滤波器，然后被转换成差分信号由变压器在输入到ADC。注意，在许多情况下，单端方法被认为是被动的方法，因为该变压器用于转换的信号给差分ADC。差动例开始时的差分信号在一个变压器的输出，差动ADC驱动放大器，后接一个差分抗混叠滤波器，以及输入到ADC。差分方式称为有源因为一个放大器可被用于进行转换。每个组件的性能度量被列出，但是下图使用与这些相同的度量的信号链性能表以帮助分析级联系统性能，并比较所述单端和差分的方法。

图13：信号链性能表。对于单端拓扑，使用方程级联噪声系数和IIP3，也能够计算输入称为RF性能。对于本例的输入参考IIP3为18.8 dBm的和噪声系数(NF)是11.4分贝。这导致在76分贝的SFDR(无杂散动态范围)，用于5MHz的带宽分析。级联功率增益为14.7分贝的输入参考的-10.7 dBm的满量程。使用相同的公式计算的差分方法的结果在以下的输入参考RF性能：输入参考IIP3为21.5 dBm的13.7 dB的噪声系数。这导致76.5 dB的无杂散动态范围为5 MHz分析带宽，级联的功率增益14分贝，以及输入参考满刻度为-10 dBm的。对于这两种方法中的数字是非常相似的。然而，主动，差分方法具有较高的失真性能，具有噪声系数稍高。此外，无杂散动态范围与积极配置高。请记住，输入参考满量程为单端方式将只有6 dBm的不IF放大器。还应当指出的是，差的抗混叠滤波器将需要两倍的系列元件作为单端的方法。尽管如此，被动接口往往需要更多的阻性填充和从上游驱动器，这通常意味着更高的电源电流需要更高的输出功率。同时认为，单端驱动放大器往往有更坏的偶次谐波失真和CMRR和PSRR。因此，通过消除ADC驱动器，放大的需求正在移动的上游。鉴别的方法是基于对整体性能的合理选择。

图14：ADL5562主要规格和功能。所述ADL5562是一个装置，它采用了偶次消除差分的方法的优势，以减少失真的一个例子。它是用于RF和IF应用优化的高性能差分放大器。该放大器提供了2.1纳伏/√Hz的低噪声和低失真性能在很宽的频率范围，使其成为理想的驱动高速8位至16位ADC。该ADL5562提供6 dB，12个分贝，15.5分贝三个增益电平通过引脚strappable配置。如果在单端输入配置所使用的，增益被降低到5.6 dB时，11.1分贝，14.1分贝。该设备进行了优化，宽带，低失真性能。这些属性，其可调增益功能一起，使这对通用IF和宽带应用中的低失真，低噪声，低功耗是至关重要的一个不错的选择。所述ADL5562也为回转速度，带宽和宽带失真的良好组合，使其能够驱动各种模数转换器，并使其适合于驱动混频器，PIN二极管衰减器，SAW过滤器，和多元件分立设备进行优化。

图15：ADL5562谐波失真曲线图。在图15中的曲线图显示所产生的第二和第三次谐波时，ADL5562配置为单端和差分拓扑结构。虽然在单端模式的失真性能非常低，有与差分操作偶次性能具有明显的优势。在单端模式下，ADL5562具有二阶-82 dBc的谐波值在100MHz。在差分操作中，该装置具有较低的第二次谐波的值，小于-100 dBc的以相同的频率。另外，改进对输出1 dB压缩点和OIP3大约6 dB的可以从同一电源轨的差分拓扑可以预期的。

图16：ADI公司的差分放大器产品系列。该ADL5562是许多差分放大器的ADI公司广泛的产品组合之一。是否要求是驱动差分输入的ADC，或者发送和接收的信号在长距离电缆长度，ADI具有差分放大器，以满足需要。该放大器采用固定增益，或增益控制的三种基本类型：电阻设置增益，串行和并行数字控制，或针strappable增益选择。

图17：AD8375 / 6键规格和功能。该AD8375是一款数字控制，可变增益宽带宽放大器，可提供精确的增益控制，高OIP3和低噪声系数。该AD8376是AD8375的双通道版本; 2的VGA的单5 x 5毫米封装。都提供优异的失真性能和高带宽信号，使之成为一个良好的增益控制装置，适用于各种接收器应用。这些可变增益放大器提供1 dB的分辨率广泛24分贝增益范围。采用先进的高速SiGe工艺，集成专有失真消除技术，在AD8376达到50 dBm的OIP3输出在200兆赫。

图18：进化差分接收器架构。接收器的不断发展，越来越多地使用差分元件。这种演变开始在ADC，并逐渐向上移动的信号链。在过去，信号应用程序问题和有限的高性能差动RF积木可用性导致单端的或部分差分信号链。正如前面所讨论的，一个偏微分信号链的一个实例是设计者的选择以省略一个差分ADC驱动，并使用单端设备到一个变压器到ADC。虽然这提供了一个简单的解决方案，对性能的需求被简单地推向上游。除了消耗更高的功率，单端驱动放大器解决方案往往有更坏的偶数阶失真，CMRR和PSRR。此处示出的接收器信号链是通常用于接收单端RF输入和差分输出的架构。单端和差分操作之间的分界线似乎已经定居在混频器，射频部件，如仍然提供作为单端组件LNA。最SAW滤波器和混频器核心也是天然差动电路，但是它们被转换为单端由于应用局限性。多年来，双平衡混频器拓扑结构一直采用蜂窝应用，由于其高线性度性能。不幸的是，用于连接信号的混合核心，以保持系统差的传统变压器网络，消耗大量的电路板空间，并添加显著设计成本。

图19：ADL5355主要规格和功能。在集成RF电路技术的最新进展已经允许用单端RF输入易于使用射频块设计差分IF输出。在ADI ADL5355混合器是混合了单端RF输入到一个差分IF输出的装置的一个例子。它允许以保持在一个固执的单端世界固有的差异化优势。该ADL5355框图显示，所有三个内部混频器端口差分。为了便于使用，在RF和LO端口正在使用的变压器连接到外界，允许一个单端接口。相比之下，IF输出端口，它包括一个驱动放大器是差分的，为200欧姆的输出阻抗，以便于连接到差动SAW滤波器。 LO和RF巴伦的整合(平衡至不平衡变压器)限制了装置的工作频率范围内，需要家庭在蜂窝频率范围操作中指定的设备。其结果是，该装置的输入频率范围被限制为1200兆赫至2500兆赫的低边LO的范围内;即，LO频率其总是小于RF频率。

图20：ADI公司的高线性接收器组合。因为平衡 - 不平衡变换器的集成限制混频器的工作频率，ADI提供一个大家族，涵盖流行频率设备。注意到某些在图20表中的设备具有非常宽的频率范围。这些设备确实有宽的频率范围内，但他们要求在其LO和RF端口以获得最佳性能的外部不平衡变压器。

图21：无线电设计要求和级差收益。总之，差分性能优势是一个必要的现代通信系统，其严格的标准规范要求在阻断的面完善的性能，信号失真，和灵敏度退化。为了满足这种需求，不断变化的差分信号通路提供了高动态范围，高输入线性和低噪声，在其他好处。 ADI公司提供的差分RF元件的广泛产品组合带来了由进步集成射频电路技术。高性能差分射频构建模块的供应量增加使得在最严苛的无线蜂窝应用可应用于高性能接收机设计的差分架构。