接收器IC混合式混頻器、頻率合成器和IF放大器

無線基地台曾經封裝於採用氣候控制技術的大型空間中,但現在卻可以安裝在任何地方。隨著無線網路服務供應商試圖實現全域訊號覆蓋,基地台元件供應商也正面臨著壓力,他們需要在更小的封裝中提供更多的功能。

來自ADI公司的一對積體電路(IC)提供了一種解決方案,其重新界定了接收器前端混頻器的意義。實際上,該IC在混頻器IC內部整合了曾經附加於接收器內混頻器的許多元件,例如,本地振盪器(LO)和中頻(IF)放大器。利用這些IC,可以大幅減少蜂巢式基地台的大小,同時還能帶來軟體定義無線電(SDR)的彈性,而能因應多種不同的無線標準。

這裡所提到的IC型號,分別為 ADRF6612ADRF6614,根據設計二者支援的RF範圍為700 Mhz至3000 MHz,LO範圍為200 Mhz至2700 MHz,IF範圍為40 Mhz至500 MHz。它們支援低端或高端LO注入,包括一個板載鎖相迴路(PLL)和多個低雜訊電壓控制振盪器(VCO),並且全部封裝在7 mm × 7 mm 48接腳的LFCSP外殼中。超高的整合度和元件密度,加上多樣性和可編程能力,可以支援多種不同的無線標準,完全滿足現代微蜂巢式的小量生產需求。

為了能更良好地理解這些高度整合的混頻器IC在節省空間方面的優勢,不妨回憶一下2010年左右時的蜂巢式基地台的前端,如圖1所示。雙混頻器架構的頻寬範圍約為1 Ghz,需要多個元件來處理當時的蜂巢頻率範圍,即800 MHz至1900 MHz。頻率合成由一個獨立的PLL和窄頻VCO模組提供,需要用一個特有的PLL迴路濾波器才能實現最佳性能。每個目標頻段均採用專門的VCO模組,結果是增加了基地台內所需要的電路板面積。

圖1.框圖所示為2010左右時的典型蜂巢式基地台。

另外,這些分立式元件是透過低阻抗傳輸線路相互連接起來的,結果會增加訊號損失。而所造成的結果,是其需要很大的電流將VCO輸出驅動到足夠的位準,以便混頻器能在訊號阻塞條件下產生低相位雜訊和雜訊係數。

整合VCO的接收器IC並非新事物。但要實現多載波要求的寬頻寬和低相位雜訊,全球行動通訊系統(MC-GSM)無線網路一直是個挑戰。GSM的通道複用方案要求接收LO具有極低的相位雜訊,尤其是在相間通道失調頻率為800 kHz的情況下,如圖2所示。如果這些相間通道的多餘相位雜訊與同樣處於800 kHz失調條件下的無用訊號相混合,則可能使相位雜訊轉換成IF輸出,從而降低系統的靈敏度。

Figure 2

圖2.通道複用方案要求在GSM無線系統中採用低相位雜訊的寬頻寬VCO,避免因阻塞導致性能下降。

低VCO相位雜訊通常是透過高品質因數(高Q)諧振器和窄頻設計得到實現的。頻分也能降低雜訊。透過使VCO操作於接收器LO頻率的整數倍,隨後進行的分頻即可使相位雜訊降低一個6 dB/倍頻程,如圖3所示。GSM在1800 Mhz至1900 Mhz頻段內的相位雜訊要求極高,其嚴重程度大約相當於800 Mhz至900 Mhz頻段內相位雜訊的兩倍。

圖3.該VCO電路配置可實現倍頻程頻寬。

在低相位雜訊以外,現代基地台接收器設計必須支援無線通訊網路當前使用的多種調變方案。除GSM以外,其他調變方案包括寬頻碼分多址(WCDMA)和長期演進(LTE)系統。接收器設計通常包括若干不同的VCO,其相位雜訊性能配置為中等水準,透過組合的方式滿足基地台倍頻程頻寬需求。

一旦將若干個VCO配定為在最高操作頻率下產生一個倍頻程頻寬,則可用二分頻實現較低的LO頻率。ADRF6612接收器混頻器採用的就是這種方法,其中,VCO基頻範圍為2.7 Ghz至5.6 Ghz,透過從1至32分頻,兩級頻分實現200 Ghz至2700 Mhz的LO頻率。對於同時包括MC-GSM的應用,ADRF6614接收器混頻器包括兩個額外的高性能VCO內核,用於提供1800 Mhz至1900 MHz GSM頻段所需要的LO頻率。

由於現代無線微蜂巢可能不具備氣候控制環境的優勢,所以這些接收器IC一類的元件可在較寬廣的極限溫度範圍內提供一致、可靠的性能。為了在較寬廣的工作溫度範圍內實現規定的性能,ADRF6612和ADRF6614 IC中的PLL和VCO採用了多種校準技術。

對於低雜訊寬頻寬,每個VCO核心採用一個8位的容性數位類比轉換器(CDAC),後者可以為給定的LO頻率選擇正確的頻段(128選1)。系統會仔細監控VCO諧振器幅度的任何變化,並運用自動位準控制(ALC)系統來調整幅度,以獲得最佳輸出幅度。每個IC都會在工作頻率被重新編程的時候執行校準序列。如此可以確保所選頻段將VCO調諧變容二極體的調諧電壓集中於最佳範圍內,使頻率合成器在所需工作溫度範圍保持鎖定。

每個ADRF6612和ADRF6614 IC中的四個VCO核心可以確保其工作範圍具有合適的重疊性,能適應不同的環境條件和元件製造容差。對於環境和製程差異,核心一般會以相同的方向移動頻率,因而內建了充足的重疊機制,使得頻率合成器能夠始終實現鎖定條件。

一旦確定校準方案,就可以無限地維持頻率,調諧電壓範圍支援需要的同步範圍。在時分雙工(TDD)系統中,基地台可能根據不同的時隙改變頻率,其工作時間可能是按微秒計。在頻分雙工(FDD)系統中,可能需要多年鎖定單個頻率。

在ADRF6612和ADRF6614 IC系統工作期間,任何時候都不允許出現故障停機事故。因此,溫度變化和元件老化效應可透過VCO的變容調諧電壓範圍,以及頻率調諧靈敏度(kV)進行處理,溫度範圍有可能達145°C。每個IC會根據需要持續監控元件溫度並調整VCO偏置。

ADRF6612和ADRF6614 Ic採用一種獨特的方法,可將由雜散訊號產物導致的接收器靈敏度下降問題達到最低。利用頻率合成器的整數模式和精巧迴路濾波器可使參考雜散產物低至−100 dBc以下。最小雜散訊號對調變方案至關重要,如MC-GSM。對於LTE和其他調變方案,或者在需要精細的頻率階躍的情況下,頻率合成器可以操作於小數N分頻模式。參考路徑整合一個13位元分頻器,整數和小數路徑各自整合16位元分頻器,具有極大的彈性。

對於需要共置相位追蹤接收通道的應用中,如多輸入多輸出(MIMO)系統,可以透過菊鏈方式將ADRF6612和ADRF6614 IC級聯起來,以便允許其中一個單元作為主頻率合成器,分別透過其外部LO輸出和輸入埠為其他從機接收器供電。如此就可以最大限度地降低額外LO分配放大器及其相位雜訊相應增大的程度。

為了同時支援高端和低端LO注入,每個IC的LO鏈提供了彈性的訊號處理,如圖4所示。使用1至32的整數分頻比,即使是700 Mhz頻段和高IF,也可實現低端注入。LO級在從200 Mhz至2700 Mhz的整個LO範圍內,同時為被動混頻器核心提供一個方波驅動。1

圖4.本LO訊號鏈用於支援無線基地台接收器。

現代無線基地台頻內訊號在頻率上接近低位準輸入訊號,因而蜂巢式接收器可以充當阻塞訊號。在這種情況下,在目標訊號之上,來自阻塞訊號附近LO放大器的相位雜訊被混頻進IF輸出頻段。如此有時能大幅降低接收器的訊號雜訊比(SNR)。

由於阻塞訊號可能較大(高功率),所以VCO相位雜訊必須極低,並且LO鏈不會在阻塞器失調條件下降低底層雜訊。在這些超高的阻塞位準下,接收器雜訊係數會最終被阻塞訊號主導,並根據阻塞器功率水準的高低下降。

在分立式接收鏈方案中,可以在LO路徑上引入一些濾波機制,以在阻塞器失調條件下,最大限度地降低來自VCO和LO分配放大器的相位雜訊。然而,在整合式前端中則必須相當謹慎,避免LO鏈中的加性相位雜訊。

ADRF6612和ADRF6614 IC採用高增益LO鏈和硬限幅放大器以將LO鏈驅動至限幅。當每個級進入硬限幅時,在其他情況下,會增大相位雜訊的LO鏈小訊號增益將大幅下降,從而將阻塞條件下的雜訊係數下降問題減至最小。

來自阻塞訊號的雜訊折疊會降低接收器輸出雜訊頻譜性能,提高輸出底層雜訊,從而降低接收器雜訊係數。根據設計,ADRF6612和ADRF6614接收器IC可在最大限度減小接收器雜訊係數降幅的條件下承受較大的阻塞訊號,如圖5所示。即使輸入阻塞位準為10 dBm,在載波失調10 MHz條件下,接收器的雜訊係數也只會下降3.2 dB,即使轉換增益在極端阻塞電平下縮減1 dB,亦是如此。

Figure 5

圖5.本圖比較了ADRF6614接收器IC在低位準和高位準阻塞訊號(分別為左側和右側)下的輸出雜訊頻譜。

這些接收器IC具有超高的整合度,因而對現代無線基地台設計者而言,可以大幅提升性能,節省DC功耗,如圖6所示。IC所採用的一種技術,可以同時優化晶片上混頻器周圍的RF和IF級。2

圖6.本訊號鏈所示為典型無線基地台接收器中採用的元件。

該技術首次用於ADRF6612,在整個溫度範圍內和整個頻率範圍內,以及低功耗條件下,最低IIP3超過25 dBm,在整個溫度範圍內則為29 dBm至2 GHz。該技術還具有最佳接收路徑雜訊係數性能和高轉換增益,如圖7所示。3,4

圖7.圖中所示為ADRF6612接收器IC的實測增益、雜訊係數和輸入三階交調截點(IIP3)。

参考电路

1Marc Goldfarb, Russel Martin, and Ed Balboni. "Novel Topology Supports Wideband Passive Mixers." (新型拓撲結構支援寬頻被動混頻器)Microwaves & RF,第90頁,2011年10月。

2Marc Goldfarb. "Apparatus and Method for a Wideband RF Mixer." (寬頻RF混頻器裝置和方法)ADI公司,2012年。

3ADRF6612 Data Sheet。ADI公司,2016。

4ADRF6614 Data Sheet。ADI公司,2016。

致谢

隨著完整接收器鏈內在整合度的提高,開發團隊的規模也大幅增加。雖然這裡無法列出為本文做出貢獻的全體人員,但本文作者非常榮幸地向下列業界專家表示由衷的謝意:Kurt Fletcher和Dominic Mai花了大量時間以實現優秀的佈局並保持對稱,避免無用耦合。Vincent Bu與我們的供應商密切配合,開發必要的封裝。Susan Stevens與外部代工合作夥伴維持了良好的工作關係。Craig Levy和Rachana Kaza為這些元件開發了生產測試功能。Wendy Dutile、Ed Gorzynski和Chris Norcross都參與了測試電路的大量原型製作工作。Mark Hyslip負責業務協調,使得本專案得以成型。本文作者希望以本文紀念我們的同事,Edward J. Gorzynski。

作者

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Tom Bosia

Tom Bosia於2013年加入ADI公司,擔任RF產品工程師。加入ADI公司之前,在Raytheon、Cree和Auriga Microwave等公司擔任RF測試工程師,在微波半導體領域積累了超過25年的經驗。2001年獲得麻省大學羅威爾分校電氣工程學士學位。

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Russell Martin

Russell Martin於2002年加入ADI擔任產品工程師,負責IC產品的市場發表工作達15年;後來成為ADI公司RF和微波部門(RFMG)的工程經理。2002年畢業於伍斯特理工學院,獲電氣工程學士學位。

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Marc Goldfarb

Marc Goldfarb在類比、RF和微波積體電路領域擁有超過35年的設計經驗,涉及軍事、工業和消費電子等應用。他曾從事過SiGe/矽、GaAs和微波混合積體電路技術等工作。加入ADI公司之前,Marc曾在Pacific Communications Sciences, Inc. (PCSI)、Raytheon和M/A-COM Microwave Associates公司工作,歷任多個工程職位。他畢業於紐約特洛伊倫斯勒理工學院,獲工程碩士學位;獲13項專利,在參考類資料和行業期刊上發表論文多篇。

Marc目前是RF和微波部門(RFMG)的一名設計工程師,主要負責無線基礎設施RF IC開發工作;目前擔任多個5G通訊基礎設施(5G IC)專案的設計組組長。

 

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Dragoslav Culum

Dragoslav Culum是ADI公司的產品線經理。他在無線通訊領域擁有超過10的工作經驗。2014年,在Hittite併購完成後,Dragoslav加入ADI。他於2008年加入Hittite,並歷任多個職位,包括應用工程師、行銷工程師和多個產品系列的產品線經理。Dragoslav分別從麥克馬斯特大學和卡爾頓大學獲工程學士學位和工程碩士學位。

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Ben Walker

Ben Walker於2003年和2004年分別獲得麻省理工學院的工程學士學位和工程碩士學位。2004年以來,他一直在ADI公司RF和微波部門工作,參與了因應無線基礎設施市場的多種電路設計工作。Ben的興趣包括鎖相環、電壓控制振盪器和RF開關及衰減器設計。

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Ed Balboni

Ed Balboni在高性能、高整合度無線電收發器電路設計領域擁有30年經驗。他擅長基於SiGe BiCMOS、雙極性和CMOS技術設計面向通訊產品的微波、RF、混合訊號和類比電路。Ed於2000年加盟ADI公司,在RF IC設計部門擔任IC設計師和設計經理。他在ADI負責開發支援無線基礎設施的高性能RF IC元件,包括蜂巢式基地台和點對點微波。

 

加入ADI之前,Ed曾在麻省劍橋的Draper實驗室工作,負責MEMS慣性感測器和低功耗通訊電子元件的設計。Ed 1985年畢業於麻省大學洛威爾分校,獲電氣工程學士學位,1990年畢業於東北大學,獲電氣工程碩士學位。