概览
设计资源
优势和特点
- 400MHz至6GHz IQ调制器
- 低失真驱动放大器
产品类别
领域和技术
所用产品
参考资料
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AN-1039: 校正IQ调制器缺陷,提高射频信号保真度 (Rev. 0)2010/7/26PDF202 kB
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CN0283:在IQ调制器的输出端提供固定功率增益2012/9/24PDF458 kB
电路描述
ADL5375 是一款通用型高性能IQ调制器,输出频率范围是400 MHz至6 GHz。由于具备低噪声和750 MHz的宽输入基带带宽(3 dB),因此可通过多种调制和带宽的信号来驱动该器件。这些输入信号能够以直流或复数中频为中心。
与 ADL5375 的LO接口为1XLO型,即输出频率和LO频率相等(当基带信号以直流为中心时)。 电路笔记CN-0134介绍了如何通过 ADL5375 驱动 ADF4350。
系统级计算和RF放大器选择
在1 GHz至2 GHz的频率范围内, ADL5375 的输出压缩点(OP1dB)和三阶压缩点(OIP3)分别为10 dBm和25 dBm左右。在选择RF放大器以便在IQ调制器之后提供增益时,必须选择输入P1dB和输入IP3等于或略高于这些数值的器件。如果所选器件的输入P1dB和输入IP3较低,则会导致级联性能降低;如果这两项规格明显高于ADL5375,却不会带来 任何好处,并且可能会造成信号链的总电源电流出现不必要增加。
ADL5320是一款驱动器放大器(需要外部调谐元件的RF放大器),额定工作范围是400 MHz至2700 MHz。采用5 V电源供电时,其功耗为104 mA(也可以采用低至3.3 V的电源供电,此时功耗和性能都有所下降)。
表1显示了1900 MHz条件下 ADL5375 IQ调制器折合到输出端的IP3 (OIP3)和P1dB (OP1dB)以及 ADL5320驱动器放大器折合到输入端的规格。两种情况下,IQ调制器折合到输出 端的规格与放大器折合到输入端的规格之间均相差3 dB左右。
表1. 1900 MHz条件下 ADL5375 IQ调制器与 ADL5320 驱动器放大器的IP3和P1dB规格ADL5375 | ADL5320 | |
IP3 | 24.2dBm | 28.3dBm |
P1dB | 10dBm | 13dBm |
图2显示了2140 MHz条件下IQ调制器与驱动器放大器的仿真级联性能。此仿真利用 ADIsimRF 设计工具来完成。值得注意的是,调制器的OIP3 (24.2 dBm)与复合OIP3 (36.5 dBm)之差12.3 dB刚好略小于 ADL5320 驱动器放大器的增益(13.7 dB)。这表明驱动器放大器对总体OIP3的影响非常小。
图3显示了IQ调制器输出端与复合电路输出端所测OIP3与输出功率(POUT)的关系图。两条OIP3曲线轮廓的形状非常相似,只在输出功率和OIP3方面有所偏移。这进一步表明,当信号经过RF放大器时,IP3只会略有下降。
选择输出功率水平
虽然输出功率水平高达15 dBm时电路的OIP3水平介于35 dBm至40 dBm范围内,但实际工作时无法实现这一点,尤其在包络调制方案并非恒定不变的情况下,此类方案往往拥有相对较高的峰均比。为了理解这一点,请检查电路的输入电压与输出功率传递函数,然后考虑IQ调制器输入端的典型驱动电平。
图4显示了使用CW正弦波驱动信号时以输出功率(dBm)和 输入电压(V p-p)表示的电路传递函数。 ADL5375等IQ调制器通常由双通道、电流输出、数模转换器(DAC)驱动。一般而言,DAC的两个电流输出端(标称范围是0 mA至20 mA)会通过两个50Ω电阻接地,并且每个IQ输入端上会放置两个100Ω分流电阻(有关此接口的更多信息,请参见 电路笔记 CN-0205)。DAC在0 dBFS条件下运行时,这对应于IQ调制器上的驱动电平为1 V p-p或0.353 V rms(这里忽略了低通滤波器的插入损耗,该滤波器通常放置在DAC和IQ调制器之间)。这样就会产生约13 dBm的输出功率。
表示的电路传递函数
假设IQ调制器的I和Q输入端如上文所述通过100Ω 电阻端接,则可相对于典型ADI DAC的dBFS驱动电平来绘制输出功率曲线(见图5)。因此,0 dBFS的驱动电平对应于1 V p-p,这样也就产生了与上文所述相同的13 dBm输出功率。
图5还显示了I和Q输入端未通过100 Ω电阻端接时电路的传递函数。由于得到的DAC电压驱动电平增加一倍(最大2 Vp-p),因此得到的输出功率相对于同样的DAC驱动电平增 加了6 dB。
虽然在没有I和Q端接电阻的情况下电路也可以运行,但这确实为通常放置在DAC和IQ调制器之间的滤波器带来了一些问题。由于该滤波器一般两端都会端接,因此最好在IQ 调制器的I和Q输入端之间放置一些电阻(这些输入端的未端接输入电阻值约为60 kΩ)。可利用100 Ω to 1000 Ω 范围内的电阻值来提高得到的DAC电压驱动电平和对应的输出功 率。但是,设计DAC和IQ调制器之间的滤波器时要小心谨慎,确保其支持不同的源阻抗和负载阻抗。
如上所述,从图4和图5中可以看出,采用1 V p-p正弦波(0dBFS)信号时输出功率约为13 dBm(I和Q输入端通过100 Ω电阻端接)。实际上,DAC驱动电平必须略低于0 dBFS,以减少失真(通常为1 dB至2 dB)。除此之外,均方根驱动电平也应该降低一些,具体幅度等于载波调制的峰均比。峰值包络功率(PEP)与均方根功率之比通常在5 dB(对于类似于QPSK的调制方案,在调制为恒定包络的特殊情况下则为0 dB)至10 dB(对于更高阶的QAM调制方案)范围内。参见图6,这表明0 dBm至10 dBm范围内的输出功率水平是可行的。
单载波宽带码分多址(WCDMA)信号的邻道功率比(ACPR)已成为评估电路系统级失真(也就是相对于仅依靠IP3和IMD电平的评估)的主流指标。图6显示了测得的电路ACPR与输出功率水平之间的关系。在采用WCDMA信号的情况下,ACPR定义为载波(带宽3.84 MHz)中的功率与邻道(通道间隔为5 MHz)中的功率之比,同样也是在3.84 MHz带宽条件下测量。该曲线还显示了同类测量的相间通道功率比,但是载波偏移为10 MHz。
本例中,信号的PEP与均方根之比约为10 dB(WCDMA信号的峰均比视载波的配置及加载方式而定)。根据该曲线和所需的ACPR级别,在0 dBm至10 dBm范围内选择一个输出功 率水平。功率水平低于0 dBm时,ACPR开始取决于电路逐渐降低的信噪比。
常见变化
ADL5320 驱动器放大器的额定工作范围是400 MHz至2.7 GHz。这样很方便地涵盖了 ADL5375 IQ调制器额定频率范围的较低部分。在2.3 GHz至4 GHz的频率范围内工作时,推荐使用 ADL5321驱动器放大器。 ADL5320 和 ADL5321 都必须调谐至各自的工作频率范围内。这两款器件的数据手册都包含一些表格,其中提供了针对常用工作频率进行元件调谐的推荐值。
也可以使用ADL5601或ADL5602,等内部匹配的宽带增益模块来在IQ调制器的输出端提供增益。然而,由于这类器件的OIP3较低(相对于ADL5320和ADL5321而言),因此它们往往决定电路的总体IP3并使其降低。
许多窄带IQ调制器都可在其工作频率范围内提供更高的性z能。例如, ADL5370/ ADL5371/ ADL5372/ ADL5373/ ADL5374。与ADL5375相比,这些窄带器件可提供更高的增益和OIP3。与ADL5320及ADL5321驱动器放大器搭配使用时,最终结果就是总输出功率更高,而复合OIP3相似。
ADRF6701/ADRF6702/ADRF6703/ADRF6704系列窄带IQ调制器集成锁相环(PLL)和压控振荡器(VCO)。这些器件的性能与 ADL5370/ ADL5371/ ADL5372/ ADL5373/ ADL5374系列相似,但集成度更高。
有许多选项可用于驱动IQ调制器的I和Q输入端。 AD9125 和 AD9122 均为16位双通道DAC,工作速率分别是1 GSPS和1.2 GSPS。这些器件可用于生成基带频谱(以0 Hz为中心)或复数中频频谱(通常在100 MHz至200 MHz范围内)。
电路评估与测试
该电路使用包含ADL5320驱动器放大器的ADL5375评估板 (ADL5375-05-EVALZ)来实现。此电路板可配置为提供IQ调 制器输出信号,或者复合调制器和放大器信号。此电路板的默认配置是调制器和放大器复合输出,并且放大器调谐为在1800 MHz至2200 MHz范围内工作。如上所述, ADL5320 数据册提供了为支持其它频率进行电容调谐的值和布放位置。
设备要求
需要以下设备:
- ADL5375 评估板 ( ADL5375-05-EVALZ)
- 两个RF信号发生器:Agilent 8648C或等效设备,工作频率为25 MHz和26 MHz
- 一个RF信号发生器:Agilent 8648C或等效设备,工作频率约为2 GHz
- 一个RF频谱分析仪:Rohde & Schwarz FSIQ、Rohde &Schwarz FSQ、Agilent PSA或等效设备
- 一个ZFSC-2-2-S+ 180°功率分路器/合成器,Mini-Circuits
- 一个ZMSCQ-2-50+ 90°功率分路器,Mini-Circuits
- 两个ADT2-1T 1:2巴伦,Mini-Circuits
- 四个ZFBT-6GW-FT+偏置器,Mini-Circuits
图7显示了用于IP3测试和功率扫描测试的测试设置。两个工作频率分别为25 MHz和26 MHz的RF信号发生器产生的信号通过一个具有良好输入间隔离的180°分相器/合相器以无源方式合并。接着,该双音信号被施加到一个90°分相器,该分相器的额定工作频率范围是25 MHz至50 MHz。然后,这些分相器输出再施加到两个1:2变压器,从而产生 差分输出信号(分相器的0°输出应该传送到IQ调制器的IP和IN输入端)。这些差分信号再施加到四个偏置器,从而偏置为0.5 V。该网络由两个100 Ω 电阻端接( ADL5375评估板上提供用于这些电阻的焊盘)。
ADL5375的本振(LO)由第三个信号发生器提供,产生0dBm。最终输出频率等于输入RF信号频率与LO频率之差。因此,如果双音信号的频率为25 MHz和26 MHz,而LO的 频率为2150 MHz,则输出频谱会出现在2124 MHz和2125MHz。
也可以使用包含 ADL5375IQ调制器的AD9122 双通道DAC评估板(AD9122-M5375-EBZ) 来实现本电路。这种情况下,应将ADL5375 ADL5375 IQ调制器的输出端连接到独立的 ADL5320 评估板(ADL5320-EVALZ)。这种方法的好处是DAC可以生成适当偏置的差分信号,而无需偏置器、分相器和变压器。