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专家讲解:从0Hz到110GHz的全频谱RF信号链

ADI_Amy 員工 在 2016-7-19 建立的討論區

前不久ADI举办了一场在线研讨会【从0Hz到110GHz的全频谱RF信号链】,有兴趣的大侠可点击【在线研讨会讲义PPT下载】从0Hz到110GHz的全频谱RF信号链 下载完整讲义哦~

 

ADI现在是全球RF半导体市场排名第一的公司。 很多人已经知道,我们在转换器市场,包括模数转换器和数模转换器,早已是排名第一的厂商。 我们在线性半导体市场同样是独占鳌头。 去年,我们以20亿美元收购了Hittite Microwave Corporation,这是ADI公司的一个大动作,大幅增强了我们的实力,我们现在拥有全部信号链产品,包括配套产品。 从0 Hz和DC到110 GHz的全带宽或频谱对许多人都很重要。

 

ADI的解决方案涵盖工业、通信基础设施、汽车、测试测量,即电子测试测量或有些人所称的ETM,以及航空航天、防务等众多领域。 通信基础设施包括蜂窝设施、移动电话、智能手机以及其背后的微波、宽带和光纤网络。 汽车应用包括高级驾驶员辅助系统、雷达和其他很多类型的设备。

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天线到比特以及比特到天线

ADI现在支持的频谱从0 Hz到110 GHz,应用广泛,从低端有线电视、磁共振成像一直到科学成像和测量。 中间还有军用雷达和对抗、卫星、GPS、各类微波远程信息系统、蜂窝网络等等,范围非常广泛。

 

  ADI公司现在能够提供RF、微波和毫米波所需的全部器件和解决方案。 尤其是针对连接无处不在,也称为“物联网”的大趋势,以及蜂窝通信从2G、3G、4G到即将到来的5G的爆发式发展,我们已经做好准备。

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完整信号链解决方案发展战略涉及所有层次的硅系统集成

ADI开发参考设计,也就是集成标准IC的解决方案。 我们做SiP,即系统级封装集成,把我们的标准器件封装起来,经过全面的测试和验证,构成完整的子系统解决方案。 我们还提供系统级芯片,硅片本身就是一个集成平台。 另外,我们也提供各种模块,连接器式模块,它们对高频应用也很重要。

 

在下方的框图中,可以看到我们无所不包:从左边的传感器或天线,经过放大器,可以是低噪声放大器LNA,一直到信号调理和模数转换器ADC,然后经过数字信号处理,再到数模转换器和功率放大器,最后输出。 我们提供全领域的解决方案。

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下图 左上角是一个低噪声放大器LNA,经过RF开关和RF衰减器进入变频部分,可以是上变频或下变频,视要求而定,然后经过ADC驱动器进入ADC以转换为比特,这就是RF到比特的过程。 中间有频率产生时钟,它可以从多种不同的源获得,通过时序管理分配给整个系统。 时序管理和频率产生模块会与这里显示的通用信号链的输出侧或发射侧共享。

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在输出侧,先是数模转换器DAC,再是放大器,后接混频器进行变频,接着经过滤波器和开关,输出到功率放大器PA。 这是一个通用RF信号链。 重点在于,我们的信号链覆盖范围已从仅仅约20%提高到接近100%,这使我们在半导体RF领域跃升到第一位。

 

ADI的器件和解决方案组合已大为扩充, 包括但不限于:

  • 开关,其尺寸更小,插入损耗更低,隔离度更高;
  • LNA,其功耗更低,噪声频率更低,增益平衡更好;
  • 各种各样的无源混频器;
  • 无源混频器本振驱动器;
  • 后置放大器;
  • 更低功耗的中频放大器;
  • 数字步进衰减器;
  • 固定衰减器;
  • PLL,我们的PLL噪声性能遥遥领先。

我们甚至提供无源滤波器、可调谐滤波器、宽带和窄带VCO、压控振荡器。 我们还有倍频器和三倍频器。 其他器件和模块还有很多。

 

程测试设备、蜂窝通信标准、2G、3G、4G和即将到来的5G

关于5G标准开发有大量工作要做,研发、原型和概念验证,全世界都很关注。 我提到过物联网,多标准无线电测试的构想。 同一系统可能有很多不同的无线电标准,我们需要进行测试。 我们有Wi-Fi或WiGig,40 GHz短距离通信,以及对该类系统的测试。 最后还有汽车雷达,它正奔向77 GHz,但正如我一直强调的,实际情形并不限于这些。 中间的物联网意味着一个非常庞大的市场,涉及数十亿、数百亿的设备,需要低成本、更强大和带宽更宽的测试能力,这可能是市场上要求最苛刻的大批量测试需求之一。 但在性能方面,它们全都非常激进。

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由此可知,有大量不同的器件、标准和设备需要测试。 这里仅关注适用于电子测试与测量ETM的一些标准,从超低频率的精密和音频测试,最低频率是地面移动无线电,其频率更低以获得较长的传输距离,到电视和无线电频段的数字广播分析仪,手持式蜂窝测试设备,微波点对点测试设备,汽车碰撞测试,5G研究等等,可以看到频率越来越高。

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对于所有这些频谱或频段,不难想象,这些系统使用的器件必须在同样的高频率下进行测试。 使用器件的模块必须进行测试。 整个PCB电路板必须进行测试。 系统本身必须进行测试。 这会在生命周期的不同阶段发生。 最初可能是在研发中,在实验室中。 然后,所有此类设备都要进行合规测试。 最后是生产测试和最终出厂测试。 因此,所有这些频段都要经过很多阶段的测试。 显而易见,如此宽的频谱上涉及到各种各样的需求和应用。

 

 

矢量信号分析仪

矢量信号分析仪是一种以单一频率测量信号幅度和相位的仪器。 它可提供多种图形表示,并且可在不同连接处测量码域功率、误差矢量幅度和频谱平坦度等指标。 这种基本仪器的测试范围非常广泛,因此其使用非常灵活。 这也是我从这种仪器开始的原因。

 

对于这种仪器,ADI公司的优势很明显,我们的ADC驱动器和ADC本身绝对领先,DDS(即直接数字频率合成器)、时钟产生芯片、PLL和VCO在RF仪器仪表市场同样处于主导地位。 另外,我们的开关也是无处不在。

 

矢量信号分析仪以前称为频谱分析仪,现在也有人继续称其为频谱分析仪,它测量并显示频域内幅度与频率的关系,但常常也可以有时域信息。 因此,其显示内容和使用方式非常灵活多样。 其输入频率范围介于9 kHz到6 GHz及以上。 接下来的带宽提高目标是13 GHz、26.5 GHz、77 GHz甚至更高。 它可以上变频或下变频,我们可以利用低频器件和系统进行测试。

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在这个信号链上,可以看到很多东西。有一点值得指出,那就是ADI的器件解决方案普遍适用于此类应用,从左侧的天线输入或这里的连接器输入,经过放大器、滤波器、各类下变频和混频器,直到右边的ADC驱动器和ADC(即模数转换器),无所不有。 然后,ADC输出的数据或比特进入处理器,进入各种接口,无论是输出到因特网,还是通过其他类型的连接输出到图形显示器上,全都支持。

 

该信息可利用各种FFT和其他算法进行分析。 我们可以设置扫描模式,利用左下方的频率发生器产生各种频率,通过PLL、时钟分配单元送出各种信号,利用开关选择要使用的滤波器类型,如此等等。 这是一个带时钟发生器和频率调制的全扫描输入,用于测试输入端的信号。

 

频率合成器

频率合成器是一种用以产生参考或比较信号的仪器。 ADI公司针对此类应用提供广泛的高速和RF器件选择,包括无源混频器、VCO、滤波器、开关等等。 频率合成器要产生各种各样的信号。 它既可以是一台独立设备,也可以是信号分析仪或网络分析仪等其他设备中的一个模块。 这正是我们把频率合成器作为第二个模块,即频率产生和调制器件来讨论的原因。

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对于信号链中的所有主要器件和功能,ADI公司都有解决方案。 这里强调小,要讨论信号链中用到的不同器件的所有需求和不同要求几乎是不可能的,除非我们把要求写在框中,它是否是模块型设备,成本是否是一个重要因素,抑或吞吐量和测试时间更重要,其必须覆盖的频率范围或频谱是多少。

 

示波器(DSO示波器)

示波器是最有用的电子测试和测量设备之一,它能连续显示电气信号随时间的变化,常常可以分析和显示信号的幅度、频率、上升时间、时间间隔、失真等特性。

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适合示波器应用的ADI器件显然包括ADC,例如,通过模数转换获得数字信息,然后进行处理以供显示或分析。 我们需要时钟和电源、数字信号处理等器件。 我们需要滤波器以确保排除外来信号。 我们有电压增益放大器和PLL/VCO来驱动示波器的时序,例如在前面板设置时序。 因此,有各种各样的器件和功能需要使用。

 

典型应用和射频信号链:

通用收发器

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从上面这张图可以看到,天线传感器,RF输入,可能来自连接器,经过单刀双掷开关进行反弹,进入低噪声放大器LNA,然后经过数字衰减器DATT,它可以根据输入的信号电平设置衰减水平,然后由混频器变频,可能是下变频,再进入电压增益放大器,以设置正确的电平,最后进入解调器和ADC。 我们看到多个开关用于控制输入和输出, 还有用于控制发射和接收的开关。 开关还会用于选择不同的滤波器和通道,因此要选择很多不同的开关和滤波器,并使用衰减器来选择正确的电平。

 

低频工作

下图是砷化镓GaAs开关与硅开关的示例。 左图是GaAs开关,右图是硅开关。 一个重要区别是,硅开关的工作频率一直低到9 kHz。 这对测试测量应用至关重要,因为测试测量需要能够以DC或非常低的频率工作,以便捕捉共模、噪声、基带型信号和混叠。

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自动频率补偿

下图是一个例子,天线信号进入低噪声放大器、带通滤波器、放大器、混频器和接收器,一直到ADC RF信号链。 然而,我们需要能够设置频率或频率补偿。 基于处理器读取的RF上的信息,它控制自动频率补偿,后者控制DAC,然后控制一个集成PLL的压控振荡器驱动接收器,根据时间漂移、长期漂移、温度漂移或系统中的其他误差自动补偿频率。 因此,高度稳定且精确的DAC对于信号链非常重要,可确保RF信号链以最高性能工作。

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VCO调谐电压在PLL锁定前启动

在下图中,DAC用来在PLL环路锁定前产生振荡器的启动电压。 这会是一个问题,环路锁定之后,DAC将不再处于电路中。 在这种特殊情况下,您可以在系统闭合之前设置您需要的启动频率。

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两级之间的共模设置

在下图中,电路级之间由混频器之后的电容提供交流耦合,电路的作用是为下一级设置共模电压,下一级可以是信号转换级或放大级等。 利用交流耦合,一个DAC通过电感或扼流圈为下一级提供直流电压。

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自适应振荡器漂移补偿

这是一个非常简单的自适应振荡器漂移补偿电路,与自动频率补偿很相似。这个例子将GPS接收器上的信号与一个参考信号进行比较。 如果有漂移或失锁,处理器可以通过数模转换器DAC控制频率,使系统保持锁定,或者补偿温度和时间引起的GPS频率漂移。

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放大器(PHEMT)偏置

这又是一个例子,我们利用精密DAC来偏置高功率放大器或LNA,相当简单。我要强调的是,信号链之外有大量精密器件,例如:ADC用于测量温度传感器,DAC用于控制,放大器和线性器件用于一般管理和其他功能。

 

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良好的RF需要良好的电源

下图显示了几个ADI LDO,它们为我们自己的PLL/VCO组合供电。右上角是性能曲线,下方是噪声曲线,噪声可能会被注入5 V和3 V供电轨,这些电源来自12 V输入。对于PLL,必须将噪声最小化,因为PLL输入轨上的噪声或抖动会引起PLL/VCO输出抖动。 下方曲线上的红色部分表示噪声尖峰。 为了利用PLL和VCO产生良好的频率,低噪声、高电源抑制比(PSRR) LDO非常重要。

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转换器使用干净的电源 = 干净的信号

ADC有用于实际产生并合成RF和高频信号的RF DAC。 这里显示了ADC左侧可以使用的各种器件,利用非常干净的电源供电,利用开关电源产生不同类型的供电轨。 在右侧,一个典型应用使用RF DAC、LDO、负LDO以实现最低噪声,从而使RF DAC提供最高精度且最稳定的输出。

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当然,ADI不只是提供芯片。 我们以能够帮助工程师、设计人员开发RF系统为傲,我们提供免费设计工具、基于合作伙伴FPGA的快速原型开发平台以及参考设计等。参考设计包括完整电路、布局、驱动等,非常受欢迎。 欢迎大家登录ADI官网进行查看各类技术资源。

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