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产品型号带"Z"表示符合RoHS标准。评估此电路需要下列选中的电路板

  • EVAL-CN0555-EBZ ($40.00) EVAL-CN0555-EBZ
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优势和特点

  • 优化以接收433MHz ISM频段
  • 接收增益:40dB
  • 具有自动关断/导通功能的过压保护电路
  • 通过USB电缆供电

电路功能与优势

国际电信联盟(ITU)将433.92 MHz工业、科学和医学(ISM)射频频段分配给1区使用,该区域在地理上由欧洲、非洲、俄罗斯、蒙古和阿拉伯半岛组成。尽管最初旨在用于无线电通信之外的应用,但多年来无线技术和标准的进步使得ISM频段在短距离无线通信系统中颇受欢迎。

ITU 1 区的运营商无需为使用433.92 MHz频段获得许可,常见应用包括软件定义无线电、医疗设备和重型机械的工业无线电控制系统。在美国,433.92 MHz频段属于70 cm业余无线电频段(频率范围420 MHz至450 MHz),由获得许可的业余无线电台使用。此频段也常用于低功耗、短距离应用,例如车库门遥控开关、耳机、婴儿监视器,以及电源开关和灯光调节器。

图1所示电路是一个双级RF低噪声放大器(LNA),针对433.92 MHz ISM频段中的接收器信号链进行了优化。在中心频率,电路产生大约40.5 dB的增益。RF输入和输出端口采用50 Ω阻抗匹配设计,支持电路与标准50 Ω系统之间的直接连接。其输入未经滤波,保持1.4 dB噪声系数,但输出端配有SAW滤波器,会消减带外干扰。

该电路中包含高速过载检测器和关断开关,用于保护连接至接收器系统的下游敏感设备。当RF功率水平下降到可接受范围内时,接收器系统也会自动恢复正常运行。RF输入和输出是标准的SMA连接器,整个设计由一个微型USB连接器供电。

图 1. CN0555 简化功能框图

电路描述

RF 放大器级

CN0555在其RF信号路径中使用两个ADL5523低噪声放大器。ADL5523是一款高性能砷化镓(GaAs)假晶高电子迁移率晶体管(pHEMT) RF低噪声放大器,提供高增益和低噪声系数。图2显示该器件的典型S参数性能,在整个频率范围内,其典型增益为21.5 dB,回波损耗高于10 dB。

ADL5523的典型噪声系数为0.8 dB,1 dB压缩点(P1dB)为21 dBm,三阶交调点(OIP3)为34 dBm。将两个ADL5523放大器级联,以实现40 dB整体增益。

 

图 2. ADL5523 典型 S-参数

 

阻抗匹配网络


ADL5523需要使用一个外部匹配网络,该网络的阻抗针对所需的频段进行调谐,以实现优化性能。输入匹配网络包括与RFIN引脚串联的电感和一个并联电容。在输出端,匹配网络以类似的方式在偏置线路上使用电感和电容。图3展示完整的阻抗匹配网络,以及将两个ADL5523放大器级联的实现方案。

 

图 3. 用于级联 ADL5523 放大器的基本连接

 

这些元件的正确布局对于输入/输出阻抗匹配也很重要;因此,CN0555遵循ADL5523数据手册中针对500 MHz调谐频带的推荐布局和组件大小。

SAW 滤波器

CN0555的LNA输出通过表面声波(SAW)滤波器进行滤波,有助于消除不必要的带外放大。选择滤波器时,必须在频带平坦度和带外抑制之间取得平衡。SAW滤波器也是一个插入损耗源,它会降低信号链的整体增益,选择时需要仔细考虑。CN0555使用的SAW滤波器具有2 dB典型插入损耗和50 Ω端接阻抗。

RF 定向耦合器

CN0555包含一个纤薄、超小型的高性能3 dB 90°混合耦合器。该器件的工作频率为400 MHz至900 MHz,输入和输出阻抗为50 Ω,433.92 MHz时的典型插入损耗为0.3 dB。

RF 开关

ADG901 是采用CMOS工艺制成的宽带RF开关,可以提供高隔离和低插入损耗。它是一种吸收式开关,具有50 Ω端接输入和输出。该开关允许用户传递高达0.5 V的DC信号,无需使用隔直电容。

ADG901的工作频率为DC至4.5 GHz,在4.5 GHz时的插入损耗为3 dB。在433.92 MHz中心频率时,此器件在“导通状态”下的典型插入损耗为0.4 dB,如图4所示;在“关断状态”下的典型插入损耗约为70 dB,如图5所示。

 

图 4. ADG901 在导通状态下的插入损耗性能

 

 

图 5. ADG901 在关断状态下的隔离损耗性能

 

组合来自滤波器、耦合器和RF开关的插入损耗,在正常工作条件下,RF开关的输出端产生的总插入损耗约为2.7 dB。

RF 性能

CN0555中得到的S参数、相位噪声测量结果、无杂散动态范围(SFDR)、噪声系数和稳定性测量值如下图所示。

在433.92 MHz中心频率下,CN0555实现了40.5 dB的增益,输入和输出回波损耗大于10 dB。图6显示在其工作范围内的S参数值。

 

图 6. EVAL-CN0555-EBZ S 参数与频率的关系

 

图7显示在433.92 MHz时的单边带相位噪声,在10 Hz、1 MHz和10 MHz偏置时分别约为-98 dBc/Hz、-131 dBc/Hz和-149 dBc/Hz。

 

图 7. 433 MHz 时的单边带相位噪声

 

图8显示窄带单音RF输出,SFDR为58.38 dBFS。

 

图 8. 窄带单音 RF 输出

 

图9显示频率范围内相应的噪声系数,在433.92 MHz中心频率下约为0.8 dB。

 

图 9. 噪声系数与频率的关系

 

系统在整个433.92 MHz ISM频率带宽保持稳定,Rollet稳定性因子(k)高于1,辅助稳定性指标(B1)高于0,如图10所示。这使得CN0555在任何源阻抗和负载阻抗组合下,都能绝对保持稳定。

 

图 10. 稳定性因子和测量值与频率的关系

 

过载保护

CN0555中集成了过载管理功能,当输出功率达到预先设置的阈值时,该电路板的RF路径会自动隔离。此功能使用ADL5904 RF功率检波器来实现。

ADL5904 提供电阻可编程检测阈值,将内部包络检波器电压与用户定义的输入电压进行比较。当包络检波器电压超过用户定义的VIN−引脚的阈值电压时,内部比较器捕获事件并将其锁定在设置/复位(SR)触发器中。图11显示了CN0555的过载保护电路。

 

图 11. CN0555 过载保护电路

 

如图11所示,使用3 dB、90°混合耦合器对放大的RF输入进行采样。此功率传输至ADL5904的RFIN引脚,然后由内部包络检波器进行采样。ADL5904 VIN-引脚上的阈值电压电平由电阻分压器网络设置,该值可以使用公式1计算得出。

Equation for computing ADL5904 threshold voltage level on V<sub>IN-</sub> pin

其中:
VIN- 是ADL5904的VIN-引脚的电压电平。
R10 是用户定义的电阻值。
R11 是用户定义的电阻值。
IBIAS 为输入偏置电流。

CN0555的输入阈值功率设置为0 dBm,以保护连接至接收器系统的下游敏感设备。如表1所示,当工作频率为900 MHz时,0 dBm阈值功率对应VIN-的241 mV电压电平。

表 1. 工作频率未校准时,推荐的阈值电压(VIN-)典型值
输入阈值功率(dBm) 阈值电压(mV)
  100 MHz 900 MHz 1900 MHz
-2.0 193 193 192
-1.0 216 216 215
0 239 241 241
1.0 268 272 270
2.0 300 304 303

 

VIN−的阈值电平由电阻分压器设置。选择R10和R11的绝对值,尽可能减少3.3 V电源轨上的负载,同时提供不受泄漏电流和偏置电流影响的输出阻抗。将R10设置为13.7 kΩ,使R11的值为1.02 kΩ,这会产生可忽略不计的224 μA分压器电流和991 Ω输出阻抗。

VIN- = 241 mV
IBIAS = 20 μA
R10 = 13.7 kΩ

Setting R<sub>10</sub> to 13.7 kΩ results in an R<sub>11</sub> value of 1.02 kΩ, which produces a negligible divider current of 224 μA and an output impedance of 991 Ω.

 

R11 = 991 Ω或1.02 kΩ(使用标准电阻值)

使用最接近的标准电阻值求解公式1,将VIN-电压电平设置为241.9 mV。当功率超过阈值时,发生过载事件,将隔离RF路径。

ADL5904在其RF阈值功率上引入高达+2.5 dBm的误差电平,该值因器件而异。如果需要准确的阈值功率,必须执行简单的校准程序,以补偿器件与器件之间的差异。有关校准程序的更多信息,参见ADL5904数据手册。

自动复位功能


CN0555还包含自动复位电路,当功率电平返回到可接受范围内时激活。此功能由LTC6991可编程低频率定时器执行。

如图12所示,ADL5904的Q输出使LTC6991在正常工作期间保持在复位模式。发生过载事件时,LTC6991启用,并且开始4 ms延迟。ADL5904在4 ms后复位,对功率电平重新采样。如果过载状态持续,ADL5904再次断路,RF开关的控制信号进入低电平状态。这种信号转变会隔离ADG901开关的RF输入和输出。过载事件过去后,ADL5904开始重新采样功率电平,然后返回正常工作状态。

 

图 12. CN0555 自动复位电路

 


过载保护测试


图13显示了用于测试CN0555的过载保护功能的设置。在该测试中,RF信号发生器设置采用433.92 MHz中心频率,输入功率从-50 dBm爬升至-40 dBm。CN0555输出功率由高速示波器进行监控,该器件显示从发生过载事件到输出功率被衰减的响应时间。

 

Figure 13. RF Overpower Response Test Setup
图 13. RF 过载响应测试设置

 

图14显示过载保护响应时间。根据该图,从正常工作到RF输出功率被衰减,CN0555拥有约9 ns的响应时间。图15显示从过载状态结束到功率电平返回可接受范围的恢复时间。该数据显示,从衰减RF输出到正常工作,期间存在7 ns延迟。

 

图 14. 典型的过载保护响应时间
图 15. 发生过载事件后的典型恢复时间

 

USB 电源管理

CN0555通过微型USB适配器获取电源,该适配器一般通过微型USB端口提供5 V、1 A电源。此电路要求在正常工作期间获取约113.61 mA电流。要满足这项电源要求,需要使用两个电源电压。第一个电源为ADL5523低噪声放大器、ADL5904 RF检波器和LTC6991低频率定时器提供3.3 V电源。第二个电源为ADG901 RF开关提供2.5 V电源。图16显示CN0555的整个电源结构。

 

图 16. CN0555 电源架构

 

LT3042是一款高性能低压差(LDO)线性稳压器,采用超低噪声和超高电源抑制比(PSRR)架构,以便为噪声敏感型射频应用供电。LT3042设计用作后接高性能电压缓冲器的精密电流基准,可轻松并联以便进一步降低噪声,增加输出电流并在印刷电路板上散热。要配置LT3042提供3.3 V输出,所需的基本配置如图17所示。

 

图 17. LT3042 提供 3.3 V 输出所需的配置

 

LT3042在SET引脚上集成一个精密100 µA电流源,该引脚还连接到放大器的反相输入。图17显示将电阻从SET引脚连接至GND会生成一个基准电压。该基准电压是SET引脚电流100 µA和SET引脚电阻的乘积,如公式2所示。

 

Equation showing the reference voltage is the product of the SET pin current, 100 μA, and the SET pin resistor.

 

ADM7170-2.5 LDO稳压器用于生成ADG901 RF开关所需的电源电压。该器件具有2.3 V至6.5 V的输入电压范围和2.5 V固定输出电压。ADM7170-2.5只需要输入电容和输出电容即可正常工作。特别是,ADM7170-2.5可在其输入和输出引脚上使用4.7 µF小型解耦电容。

常见变化

ADL5521 可以用作替代型低噪声放大器,适用于使用433.92 MHz ISM频带的应用。该器件提供略低的增益、更高的噪声系数、OIP3和OP1dB。ADL5521采用与ADL5523相同的功率电平。两个器件的尺寸非常类似。

ADG902 也可用作RF开关;此器件引脚兼容,并具有与ADG901相同的规格,但它是一种反射开关,提供更低的隔离损耗。

ADI公司还提供类似的用于在5.8 GHz ISM频段下工作的接收器放大器的参考设计。欲了解更多信息,请参阅 CN0534 电路笔记。

电路评估与测试

本节介绍评估CN0555的评估设置和步骤。有关电路评估设置的完整信息,请参阅 EVAL-CN0555-EBZ用户指南


设备要求

  • EVAL-CN0555-EBZ电路评估板
  • Rohde & Schwarz® SMA100B信号发生器
  • Keysight® E5052B信号分析仪
  • Keysight N5242A PNA-X矢量网络分析仪
  • 5 V micro USB电源适配器或micro USB转USB电缆
  • 一根SMA至SMA电缆

设置和测试

图18显示了EVAL-CN0555-EBZ与矢量网络分析仪的正确端口连接。

 

图 18. S 参数和噪声系数测试设置

测量S参数和噪声系数的步骤如下:

 

  1. 将矢量网络分析仪设置为所需的测量条件,步骤如下:
    1. 将频率扫描范围设置为 400 MHz 至 500 Mhz
    2. 将频率步长设置为 10 kHz。
    3. 功率电平必须小于或等于-45 dBm。
  2. 使用校准套件对矢量网络分析仪执行完整的 2 端口校准。请注意,EVAL-CN0555-EBZ 的 RF 输入可以直接连到测试端口,因此测试设置仅需要一根测量电缆。
  3. 使用校准的测试设置将 EVAL-CN0555-EBZ 连接在矢量网络分析仪的测试端口上。
  4. 使用 5 V 电源适配器为 EVAL-CN0555-EBZ 供电。
  5. 设置矢量网络分析仪,以显示各个 S 参数和噪声系数的迹线。
  6. 将测量值与期望值进行比较。在 433.92 MHz 中心频率下,输入和输出回波损耗值分别约为 16 dB 和 20.4 dB。对于增益和噪声系数,数值分别应为约 40 dB 和 1.2 dB。

图 18 显示了执行相位噪声和 SFDR 测试时 EVALCN0555-EBZ与信号分析仪和信号发生器的正确连接。

 

图 19. 相位噪声和 SFDR 测试设置

要执行相同的测试,请遵循以下步骤:

 

  1. 按如下步骤设置信号分析仪所需的测量配置:
    1. 为了执行SFDR测量,设置中心频率 = 433.92 MHz,频率范围 = 400 MHz 至 500 MHz,RF 幅值 = 10 dBm。
    2. 为了执行相位噪声测量,设置中心频率 = 433.92 MHz,偏移频率范围 = 10 Hz 至 30 MHz。
  2. 将信号发生器的功率电平设置在-50 dBm 至-40 dBm之间,中心频率设置为 433.92 MHz。
  3. 将信号发生器输出连接到 EVAL-CN0555-EBZ 的 RF输入。
  4. 将 EVAL-CN0555-EBZ 的 RF 输出连接到信号分析仪。
  5. 使用 5 V 电源适配器为 EVAL-CN0555-EBZ 供电,该适配器的额定功率高于 500 mW。
  6. 在信号分析仪上执行测量运行。
  7. 使用信号分析仪获取相位噪声值,并验证在 10 kHz 频偏下其值是否约为-125 dBc/Hz。
  8. 运行 SFDR 测试并比较读数;期望值约为 60 dBc。

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