CN0555：具有超載保護功能的 USB 供電 433.92 MHz RF 低雜訊放大器接收器

電路功能與優勢

國際電信聯盟(ITU)將433.92 MHz工業、科學和醫學(ISM)射頻頻段分配給1區使用，該區域在地理上由歐洲、非洲、俄羅斯、蒙古和阿拉伯半島組成。儘管最初目的在用於無線電通訊之外的應用，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訊系統中頗受歡迎。

ITU 1 區的營運業者無需為使用433.92 MHz頻段獲得許可，常見應用包括軟體定義無線電、醫療設備和重型機械的工業無線電控制系統。在美國，433.92 MHz頻段屬於70 cm業餘無線電頻段（頻率範圍420 MHz至450 MHz），由獲得許可的業餘無線電臺使用。此頻段也常用於低功耗、短距離應用，例如車庫門遙控開關、耳機、嬰兒監視器，以及電源開關和燈光調節器。

圖1所示電路是一個雙級RF低雜訊放大器(LNA)，其針對433.92 MHz ISM頻段中的接收器訊號鏈進行了優化。在中心頻率，電路產生大約40.5 dB的增益。RF輸入和輸出埠採用50 Ω阻抗匹配設計，支援電路與標準50 Ω系統之間的直接連接。其輸入未經濾波，保持1.4 dB雜訊係數，但輸出端配有SAW濾波器，會消減帶外干擾。

該電路中包含高速超載檢測器和關斷開關，用於保護連接至接收器系統的下游敏感設備。當RF功率水準下降到可接受範圍內時，接收器系統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。

Figure 1. CN0555 Simplified Block Diagram — 圖 1. CN0555 簡化功能框圖

電路描述

RF 放大器級

CN0555在其RF訊號路徑中使用兩個ADL5523低雜訊放大器。ADL5523為一款高性能砷化鎵(GaAs)假晶高電子遷移率電晶體(pHEMT) RF低雜訊放大器，提供高增益和低雜訊係數。圖2顯示該元件的典型S參數性能，在整個頻率範圍內，其典型增益為21.5 dB，回波損耗高於10 dB。

ADL5523的典型雜訊係數為0.8 dB，1 dB壓縮點(P1dB)為21 dBm，三階截取點(OIP3)為34 dBm。將兩個ADL5523放大器串聯，以實現40 dB整體增益。

Figure 2. ADL5523 Typical S-Parameters — 圖 2. ADL5523 典型 S-參數

阻抗匹配網路

ADL5523需要使用一個外部匹配網路，該網路的阻抗針對所需的頻段進行調諧，以實現優化性能。輸入匹配網路包括與RFIN接腳串聯的電感和一個並聯電容。在輸出端，匹配網路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路，以及將兩個ADL5523放大器串聯的實現方案。

Figure 3. Basic Connections for Cascading ADL5523 Amplifiers — 圖 3. 用於串聯 ADL5523 放大器的基本連接

這些元件的正確佈局對於輸入/輸出阻抗匹配也很重要；因此，CN0555遵循ADL5523產品手冊中針對500 MHz調諧頻段的推薦佈局和元件大小。

SAW 濾波器

CN0555的LNA輸出透過表面聲波(SAW)濾波器進行濾波，有助於消除不必要的頻外放大。選擇濾波器時，必須在頻段平坦度和頻外抑制之間取得平衡。SAW濾波器也是一個插入損耗源，其會降低訊號鏈的整體增益，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。該元件的工作頻率為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是採用CMOS製程製成的寬頻RF開關，可以提供高隔離和低插入損耗。其是一種吸收式開關，具有50 Ω端接輸入和輸出。該開關允許使用者傳遞高達0.5 V的DC訊號，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，此元件在「導通狀態」下的典型插入損耗為0.4 dB，如圖4所示；在「關斷狀態」下的典型插入損耗約為70 dB，如圖5所示。

Figure 4. ADG901 Insertion Loss Performance at ON State — 圖 4. ADG901 在導通狀態下的插入損耗性能

Figure 5. ADG901 Isolation Loss Performance at OFF State — 圖 5. ADG901 在關斷狀態下的隔離損耗性能

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、相位雜訊測量結果、無雜散動態範圍(SFDR)、雜訊係數和穩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於10 dB。圖6顯示在其工作範圍內的S參數值。

Figure 6. EVAL-CN0555-EBZ S-Parameters vs. Frequency — 圖 6. EVAL-CN0555-EBZ S 參數與頻率的關係

圖7顯示在433.92 MHz時的單邊具有相位雜訊，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。

Figure 7. Single Sideband Phase Noise at 433 MHz — 圖 7. 433 MHz 時的單邊具有相位雜訊

圖8顯示窄頻單音RF輸出，SFDR為58.38 dBFS。

Figure 8. Narrow-Band Single Tone RF Output — 圖 8. 窄帶單音 RF 輸出

圖9顯示頻率範圍內相應的雜訊係數，在433.92 MHz中心頻率下約為0.8 dB。

Figure 9. Noise Figure vs. Frequency — 圖 9. 雜訊係數與頻率的關係

系統在整個433.92 MHz ISM頻率頻寬保持穩定，Rollet穩定性因數(k)高於1，輔助穩定性指標(B1)高於0，如圖10所示。這使得CN0555在任何源阻抗和負載阻抗組合下，都能絕對保持穩定。

Figure 10. Stability Factor and Measure vs. Frequency — 圖 10. 穩定性因數和測量值與頻率的關係

超載保護

CN0555中整合了超載管理功能，當輸出功率達到預先設定的閾值時，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使用者定義的輸入電壓進行比較。當包絡檢波器電壓超過使用者定義的VIN−接腳的閾值電壓時，內部比較器獲取事件並將其鎖定在設定/復位(SR)觸發器中。圖11顯示了CN0555的超載保護電路。

Figure 11. CN0555 Overpower Protection Circuit — 圖 11. CN0555 超載保護電路

如圖11所示，使用3 dB、90°混合耦合器對放大的RF輸入進行採樣。此功率傳輸至ADL5904的RFIN接腳，然後由內部包絡檢波器進行採樣。 V_IN- 接腳上的閾值電壓位準由電阻分壓器網路設定，該值可以使用公式1計算得出。

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

其中：
V_IN-是ADL5904的VIN-接腳的電壓位準。
R₁₀ 是用戶定義的電阻值。
R₁₁是用戶定義的電阻值。
I_BIAS 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VIN-的241 mV電壓位準。

表 1. 工作頻率未校準時，推薦的閾值電壓(VIN-)典型值
輸入閾值功率(dBm)	閾值電壓(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

V_IN− 的閾值位準由電阻分壓器設置。選擇 R₁₀ 和 R₁₁的絕對值，盡可能減少3.3 V電源軌上的負載，同時提供不受洩漏電流和偏置電流影響的輸出阻抗。將使 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 mV
I_BIAS = 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- 電壓位準設定為241.9 mV。當功率超過閾值時，發生超載事件，將隔離RF路徑。

DL5904在其RF閾值功率上引入高達+2.5 dBm的誤差位準，該值因元件而異。如果需要準確的閾值功率，必須執行簡單的校準程式，以補償元件與元件之間的差異。有關校準程式的更多資訊，參見ADL5904產品手冊。

自動復位功能

CN0555還包含自動重定電路，當功率位準返回到可接受範圍內時啟動。此功能由LTC6991可程式設計低頻率計時器執行。

如圖12所示，ADL5904的Q輸出使LTC6991在正常工作期間保持在重定模式。發生超載事件時，LTC6991啟用，並且開始4 ms延遲。ADL5904在4 ms後復位，對功率位準重新採樣。如果超載狀態持續，ADL5904再次斷路，RF開關的控制訊號進入低位準狀態。此種訊號轉變會隔離ADG901開關的RF輸入和輸出。超載事件過去後，ADL5904開始重新採樣功率位準，然後返回正常工作狀態。

Figure 12. CN0555 Automatic Reset Circuitry — 圖 12. CN0555 自動重定電路

超載保護測試

圖13顯示了用於測試CN0555的超載保護功能的設定。在該測試中，RF訊號產生器設定採用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控，該元件顯示從發生超載事件到輸出功率被衰減的回應時間。

Figure 13. RF Overpower Response Test Setup — 圖 13. RF 超載響應測試設定

圖14顯示超載保護回應時間。根據該圖，從正常工作到RF輸出功率被衰減，CN0555擁有約9 ns的回應時間。圖15顯示從超載狀態結束到功率位準返回可接受範圍的恢復時間。該資料顯示，從衰減RF輸出到正常工作，期間存在7 ns延遲。

Figure 14. Typical Overpower Protection Response Time — 圖 14. 典型的超載保護回應時間

Figure 15. Typical Recovery Time After an Overpower Event — 圖 15. 發生超載事件後的典型恢復時間

USB 電源管理

CN0555透過微型USB轉接器獲取電源，該轉接器一般透過微型USB埠提供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。要滿足此項電源要求，需要使用兩個電源電壓。第一個電源為ADL5523低雜訊放大器、ADL5904 RF檢波器和LTC6991低頻率計時器提供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。

Figure 16. CN0555 Power Supply Architecture — 圖 16. CN0555 電源架構

LT3042為一款高性能低壓差(LDO)線性穩壓器，採用超低雜訊和超高電源抑制比(PSRR)架構，以便為雜訊敏感型射頻應用供電。LT3042設計用作後接高性能電壓緩衝器的精密電流基準，可輕鬆並聯以便進一步降低雜訊，增加輸出電流並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。

Figure 17. LT3042 Configuration for 3.3 V Output — 圖 17. LT3042 提供 3.3 V 輸出所需的配置

LT3042在SET接腳上整合一個精密100 µA電流源，該接腳還連接到放大器的反相輸入。圖17顯示將電阻從SET接腳連接至GND會產生一個基準電壓。該基準電壓是SET接腳電流100 µA和SET接腳電阻的乘積，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穩壓器用於產生ADG901 RF開關所需的電源電壓。該元件具有2.3 V至6.5 V的輸入電壓範圍和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可在其輸入和輸出接腳上使用4.7 µF小型解耦電容。

常見變化

ADL5521可以用於替代型低雜訊放大器，適用於使用433.92 MHz ISM頻段的應用。該元件提供略低的增益、更高的雜訊係數、OIP3和OP1dB。ADL5521採用與ADL5523相同的功率位準。兩個元件的尺寸非常類似。

ADG902也可用於RF開關；此元件接腳相容，並具有與ADG901相同的規格，但其是一種反射開關，提供更低的隔離損耗。

ADI並提供類似的用於在5.8 GHz ISM頻段下工作的接收器放大器的參考設計。欲瞭解更多資訊，請參閱 CN0534 電路筆記。

電路評估與測試

本節介紹評估CN0555的評估設置和步驟。有關電路評估設定的完整資訊，請參閱EVAL-CN0555-EBZ使用者指南。

設備要求

EVAL-CN0555-EBZ電路評估板
Rohde & Schwarz^® SMA100B訊號產生器
Keysight^® E5052B 訊號分析儀
Keysight N5242A PNA-X 向量網路分析儀
A 5 V micro USB 電源轉接器或micro USB轉USB電纜/li>
一根SMA至SMA電纜

設定和測試

圖18顯示了EVAL-CN0555-EBZ與向量網路分析儀的正確埠連接。

Figure 18. S-Parameters and Noise Figure Test Setup — 圖 18. S 參數和雜訊係數測試設定

測量S參數和雜訊係數的步驟如下：

將向量網路分析儀設定為所需的測量條件，步驟如下：
1. 將頻率掃描範圍設定為 400 MHz 至 500 Mhz
2. 將頻率步長設定為 10 kHz。
3. 功率位準必須小於或等於-45 dBm。
使用校準套件對向量網路分析儀執行完整的 2 埠校準。請注意，EVAL-CN0555-EBZ 的 RF 輸入可以直接連到測試埠，因此測試設置僅需要一根測量電纜。
使用校準的測試設定將 EVAL-CN0555-EBZ 連接在向量網路分析儀的測試埠上。
使用 5 V 電源轉接器為 EVAL-CN0555-EBZ 供電。
設定向量網路分析儀，以顯示各個 S 參數和雜訊係數的跡線。
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。對於增益和雜訊係數，數值分別應為約 40 dB 和 1.2 dB。

圖 19 顯示了執行相位雜訊和 SFDR 測試時 EVALCN0555-EBZ與訊號分析儀和訊號產生器的正確連接。

Figure 19. Phase Noise and SFDR Test Setup — 圖 19. 相位雜訊和 SFDR 測試設定

要執行相同的測試，請遵循以下步驟：

按如下步驟設定訊號分析儀所需的測量配置：
1. 為了執行SFDR測量，設定中心頻率 = 433.92 MHz，頻率範圍 = 400 MHz 至 500 MHz，RF 幅值 = 10 dBm。
2. 為了執行相位雜訊測量，設定中心頻率 = 433.92 MHz，偏移頻率範圍 = 10 Hz 至 30 MHz。
將訊號產生器的功率位準設定在-50 dBm 至-40 dBm之間，中心頻率設定為 433.92 MHz。
將訊號產生器輸出連接到 EVAL-CN0555-EBZ 的 RF輸入。
將 EVAL-CN0555-EBZ 的 RF 輸出連接到訊號分析儀。
使用 5 V 電源轉接器為 EVAL-CN0555-EBZ 供電，該轉接器的額定功率高於 500 mW。
在訊號分析儀上執行測量運行。
使用訊號分析儀獲取相位雜訊值，並驗證在 10 kHz 頻偏下其值是否約為-125 dBc/Hz。
運行 SFDR 測試並比較讀數；期望值約為 60 dBc。