CN0555

Rev.0 を翻訳したものです。最新版は英語資料をご覧ください。

RF アンプ段

CN0555 では、2 つの ADL5523 低ノイズ・アンプを使用して RF信号パスを形成します。ADL5523 は、高性能ガリウム・ヒ素（GaAs）擬似格子整合型高電子移動度トランジスタ（pHEMT）RF 低ノイズ・アンプで、高ゲイン低ノイズ指数が特長です。図2 に代表的な S パラメータ性能を示します。ゲインの代表値は21.5dB、反射損失は全周波数範囲で 10dB よりも大きくなっています。.

ADL5523 の代表的なノイズ指数は 0.8dB、1dB 圧縮ポイント（P1dB）は 21dB、3 次インターセプト・ポイント（OIP3）は34dB です。2 つの ADL5523 アンプがカスケード接続され、全体ゲインは 40dB になっています。

インピーダンス・マッチング・ネットワーク

最高の性能を発揮するために、ADL5523 には、目的の周波数に対しインピーダンスを調整した外部マッチング・ネットワークが必要です。入力マッチング・ネットワークには、インダクタがRFINピンと直列に配置され、またシャント・コンデンサが接続されています。同様に出力側に対しても、マッチング・ネットワークはバイアス・ラインにインダクタとコンデンサを使用しています。図 3 にインピーダンス・マッチング・ネットワークの全体と、カスケード接続した 2 つの ADL5523 アンプの構成を示します。

入出力インピーダンス・マッチングには、これらの部品を適切に配置することも重要となります。そのため、CN0555はADL5523データシートにある 500MHz のチューニング帯域に対する推奨レイアウトおよび部品サイズ値に従います。

SAW フィルタ

CN0555 の LNA 出力は、表面弾性波（SAW）フィルタによってフィルタリングされます。これは不要な帯域外アンプの除去に役立ちます。フィルタの選択時には、帯域平坦度と帯域外除去性能のバランスをうまく取る必要があります。SAW フィルタは、挿入損失の原因ともなり、シグナル・チェーン全体のゲインを低下させるため、選択時にはこの点を考慮する必要があります。CN0555 で用いている SAW フィルタの挿入損失の代表値は 2dB、終端インピーダンスは 50Ω です。

RF ディレクショナル・カプラ

CN0555 は、薄型で超小型の高性能 3dB 90º ハイブリッド・カプラを備えています。このデバイスの動作周波数は 400MHz～900MHz、入力および出力インピーダンスは 50Ω、代表的な挿入損失は 0.3dB（433.92MHz）です。

RF スイッチ

ADG901 は、CMOS プロセスを使用した広帯域 RF スイッチで、高絶縁と低挿入損失が特長です。これは、50Ω 終端の入出力を備えた吸収スイッチです。このスイッチにより、DC 阻止コンデンサを使用せずに最大 0.5V の DC 信号を通過させることができます。

ADG901 は DC～4.5GHz の範囲で動作し、4.5GHz での挿入損失は 3dB です。中心周波数が 433.92MHz の場合、図 4 に示すように「オン状態」での代表的な挿入損失は約 0.4dB です。また図 5に示すように「オフ状態」での代表的な挿入損失は約 70dB です。

フィルタ、カプラ、RF スイッチからの挿入損失を組み合わせると、通常動作状態の RF スイッチ出力で挿入損失の合計は約2.7dB になります。

RF 性能

CN0555 の S パラメータ、位相ノイズ測定、スプリアスフリー・ダイナミック・レンジ（SFDR）、ノイズ指数、安定性指標を以下に示します。

433.92MHzの中心周波数では、CN0555のゲインは40.5dB、入力および出力の反射損失は 10dB よりも小さくなっています。図 6に動作範囲全体の S パラメータ値を示します。

433.92MHzでの単側波帯位相ノイズを図 7に示します。オフセットが 10Hz の場合約−98dBc/Hz、1MHz の場合約−131dBc/Hz、10MHz の場合約−149dBc/Hz となっています。

SFDR が 58.38dBFS のときの狭帯域シングル・トーンの RF 出力を図 8 に示します。

図 9 に、中心周波数を 433.92MHz とし、約 0.8dB の周波数範囲にわたり対応するノイズ指数を示します。

システムは、433.92MHz ISM 周波数帯域幅全体で安定しており、Rollet の安定係数（k）は 1 を超え、補助安定性指標（B1）は 0を超えています（図 10 参照）。そのため、CN0555 は、ソース・インピーダンスと負荷インピーダンスの任意の組み合わせに対し無条件に安定です。

過電力保護

CN0555 には過電力保護機能が実装されており、出力電力がプリセットされた閾値を超えた場合に基板の RFパスが自動的に絶縁されます。この機能は、ADL5904 RFパワー・ディテクタを使用して実行されます。

ADL5904 は、抵抗で設定可能な検出閾値を持ち、内部のエンベロープ・ディテクタからの電圧とユーザ定義の入力電圧を比較します。エンベロープ・ディテクタからの電圧が、V_IN−ピンでのユーザ定義スレッショールド電圧を超えると、内部コンパレータがこのイベントを検出し、セット／リセット（SR）フリップ・フロップによってこれをラッチします。図 11 に CN0555 の過電力保護回路を示します。

図 11 に示すように、増幅された RF 入力は、3dB 90º ハイブリッド・カプラでサンプリングされます。この電力は、ADL5904 のRFIN ピンに転送され、次いで内部エンベロープ・ディテクタでサンプリングされます。ADL5904 の V_IN−ピンでのスレッショールド電圧は、抵抗分圧ネットワークで設定され、その値は式 1を用いて計算できます。

ここで、
V_IN−は ADL5904 の V_IN−ピンの電圧レベル、
R₁₀はユーザ設定抵抗値、
R₁₁はユーザ設定抵抗値、
I_BIASは入力バイアス電流です。

CN0555 は、0dBm の入力閾値電力で設定され、レシーバー・システム下流に接続された敏感な機器を保護します。表 1 に示すように、0dBm の閾値電力は、900MHz で動作する場合、241mVの V_IN−電圧レベルに相当します。

V_IN−の閾値レベルは抵抗分圧器で設定されます。R₁₀ および R₁₁の絶対値は、3.3V レールへの負荷を最小限に抑えると同時にリークやバイアス電流の影響を受けない出力インピーダンスとなるよう、選択されます。R₁₀ を 13.7kΩ に設定すると、R₁₁ の値は1.02kΩ となります。これによる分圧器電流は 224µA という無視できる小さな値となり、出力インピーダンスは 991Ωとなります。

V_IN- = 241 mV
I_BIAS = 20 μA
R₁₀ = 13.7 kΩ

R₁₁ = 991Ω または 1.02kΩ（標準抵抗器の値を使用）

最も近い標準抵抗器の値を用いて式1を解くと、V_IN−の電圧レベルは 241.9mV になります。電力が閾値を超えると、過電力イベントが生じ、RF パスを絶縁します。

ADL5904 では RF 閾値電力に最大+2.5dBm の誤差レベルが生じますが、この値はデバイスによって異なる場合があります。正確な閾値電力が必要な場合は、簡単なキャリブレーション・ルーチンを実行してデバイスごとの違いを補償する必要があります。キャリブレーション・ルーチンの詳細については、ADL5904 のデータシートを参照してください。

自動リセット機能

CN0555 には、電力レベルが許容可能な範囲に復帰した場合に動作する、自動リセット回路も備わっています。この機能は、プログラマブルな低周波数タイマ LTC6991 によって実行されます。

図 12 に示すように、通常動作時は、ADL5904 のQ出力によりLTC6991 はリセット・モードに保持されます。過電力イベントが発生すると、LTC6991 はイネーブルされ、4ms の遅延が始まります。4ms 経過後、ADL5904 はリセットされ、実質的に電力レベルはリサンプリングされます。過電力状態が続いている場合、ADL5904 は再度トリップし、RFスイッチの制御信号は低電圧状態になります。このシフト・イン信号が ADG901 スイッチの RF入出力を絶縁します。過電力イベントが終了すると、ADL5904は電力レベルのリサンプリングを開始し、通常状態に復帰します。

過電力保護テスト

図 13 に、CN0555 の過電力保護機能をテストするために用いるセットアップを示します。このテストでは、RF 信号発生器の中心周波数を 433.92MHz に設定し、入力電力を−50dBm から−40dBm へ増加させました。CN0555 の出力電力は、高速オシロスコープでモニタしました。このオシロスコープにより、過電力イベントが生じてから出力電力が減衰するまでの応答時間が示されます。

図 14 に過電力保護の応答時間を示します。このグラフによると、通常動作から RF 出力電力が減衰するまでの CN0555 の出力応答時間は約 9ns です。図 15 には、過電力状態が終了してから電力レベルが受け入れ可能な範囲に戻るまでの回復時間を示します。このデータは、減衰した RF出力が通常動作に戻るまでの遅延が7ns であることを示しています。

USB パワー・マネージメント

CN0555 は、マイクロ USB ポートを介し 5V 1A（代表値）を供給するマイクロ USB アダプタを通じ、電力を供給します。通常動作時、この回路には約113.61mAの電流が必要です。この電力条件は 2 つの電源電圧を用いて実現できます。1 つめの電源はADL5523 低ノイズ・アンプ、ADL5904 RF ディテクタ、およびLTC6991 低周波数タイマ用に、3.3V の電力を供給します。もう1 つの電源は、ADG901 RF スイッチ用に 2.5V を供給します。図16 に CN0555 パワー・ツリーの全体を示します。

LT3042 は、超低ノイズと超高電源電圧変動除去比（PSRR）を特長とする高性能の低ドロップアウト（LDO）リニア電圧レギュレータで、ノイズに敏感な RFアプリケーションへの給電に用いることができます。高性能電圧バッファを伴う高精度電流リファレンスとして設計された LT3042 は並列化が容易であるため、更なるノイズの低減、出力電流の増加、プリント回路基板上の熱の分散が可能です。図 17 に LT3042 を 3.3V 出力用に設定するために必要な基本構成を示します。

LT3042 は、SET ピンに 100µA の高精度電流源を内蔵しており、またこの電流源はアンプの反転入力にも接続されています。図17 では、SETピンと GNDの間に抵抗を接続してリファレンス電圧が生成する構成が示されています。このリファレンス電圧は、式 2 に示すように、SET ピン電流 100µA と SET ピンの抵抗を単に掛け合わせたものです。

ADM7170-2.5 LDO レギュレータは、ADG901 RF スイッチに必要な電源電圧を生成するために用いられています。このデバイスは、入力電圧範囲が 2.3V～6.5V、固定出力電圧が 2.5V です。ADM7170-2.5 が適切に動作するために必要なのは、入力コンデンサと出力コンデンサのみです。特に、ADM7170-2.5 は、入力ピンと出力ピンに 4.7µF の小型デカップリング・コンデンサを使用することができます。