現(xiàn)代通信系統(tǒng)的差分電路設(shè)計(jì)與性能分析

通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)之一是以足夠的保真度成功捕獲信號(hào)。嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求正確的接口拓?fù)溥x擇。用于蜂窩電話的通信標(biāo)準(zhǔn)的部署，例如碼分多址（CDMA）和寬帶CDMA，需要高動(dòng)態(tài)范圍，高輸入線性度和低噪聲，以避免阻塞，信號(hào)失真和靈敏度降低的影響。過去，由于實(shí)際應(yīng)用問題，全差分信號(hào)鏈的性能優(yōu)勢(shì)被單端選項(xiàng)所擊敗。然而，集成RF電路技術(shù)的最新進(jìn)展和可用高性能差分RF構(gòu)建模塊的擴(kuò)展允許差分架構(gòu)應(yīng)用于高性能接收器設(shè)計(jì)。

圖1：?jiǎn)味诵盘?hào)示例根據(jù)定義，單端信號(hào)是不平衡的，并且通過感興趣的信號(hào)與恒定參考點(diǎn)（通常為地）之間的差異來測(cè)量，該參考點(diǎn)用作信號(hào)的返回路徑。如果將誤差源引入單端信號(hào)，則可能遇到問題。由于接地參考不受注入誤差的影響，因此誤差通過信號(hào)傳遞。在單端配置中，引入所需信號(hào)的任何變化在移除時(shí)都是有問題的，而不涉及過于復(fù)雜的消除技術(shù)。因此，單端或非平衡信號(hào)更容易產(chǎn)生噪聲和干擾，例如電磁耦合干擾。另外，如下所示，不平衡配置比平衡電路具有更高的失真。

圖2：差分信號(hào)示例。

差分信號(hào)由圍繞參考移動(dòng)的成對(duì)平衡信號(hào)組成指向相等但相反的幅度。復(fù)合差分信號(hào)對(duì)應(yīng)于正和負(fù)平衡信號(hào)之間的差異。例如，從兩個(gè)1 VP-P信號(hào)中，結(jié)果是2 VP-P的復(fù)合信號(hào)。在這種情況下，如果將誤差源引入差分信號(hào)路徑，則可能將其均等地添加到兩個(gè)平衡信號(hào)中的每一個(gè)。由于返回路徑不是恒定的參考點(diǎn)，一旦兩個(gè)平衡信號(hào)分量的差異抵消了誤差，差分信號(hào)將不受影響，誤差通常在每個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)的幅度相等。由于這個(gè)原因，平衡信號(hào)比不平衡信號(hào)更不容易產(chǎn)生噪聲和干擾。此外，正如將要討論的，平衡信號(hào)的失真低于單端電路。

圖3：傳統(tǒng)的接收器架構(gòu)。

這里顯示的是傳統(tǒng)的超外差接收器的框圖。無論拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單端還是差分，系統(tǒng)目標(biāo)都是成功地將所需信號(hào)傳送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化。信號(hào)路徑由幾個(gè)RF模塊組成：天線，濾波器，低噪聲放大器（LNA），混頻器，ADC驅(qū)動(dòng)放大器和ADC。

天線之后的第一個(gè)模塊是LNA，其任務(wù)是放大信號(hào)高于熱噪聲。此階段的放大至關(guān)重要，因?yàn)樗鼘Q定系統(tǒng)的靈敏度，并確保LNA之后的后續(xù)混頻器和放大器不會(huì)顯著增加本底噪聲。在此過程中，有帶通濾波器可抑制任何帶外內(nèi)容，并減少接收器級(jí)可能沿信號(hào)路徑添加的失真或噪聲。下一個(gè)塊，即跟隨LNA的混頻器，頻率轉(zhuǎn)換感興趣的信號(hào)，將高頻RF信號(hào)下變頻到更低，更易管理的中頻（IF）。 ADC驅(qū)動(dòng)放大器和抗混疊濾波器（AAF）準(zhǔn)備由ADC進(jìn)行數(shù)字化的信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器提供增益，AAF抑制ADC的第一個(gè)奈奎斯特區(qū)以外的任何區(qū)域，包括將傳遞到ADC輸入的噪聲，以及仍存在于信號(hào)路徑中的帶外雜散分量。最后，在模擬信號(hào)路徑的末端，ADC執(zhí)行數(shù)字化基帶信息的功能。

圖4：通信系統(tǒng)注意事項(xiàng)。

為了對(duì)比單端到差分，有一些系統(tǒng)級(jí)的性能指標(biāo)，必須遵守這些指標(biāo)才能設(shè)計(jì)出一個(gè)好的整體系統(tǒng)。已經(jīng)提到了通信系統(tǒng)中普遍存在的一些關(guān)鍵考慮因素，但重要的是要有一個(gè)完整的視圖。

什么是良好的無線電設(shè)計(jì)？根據(jù)應(yīng)用和架構(gòu)，性能規(guī)格會(huì)有所不同。然而，通常存在通信系統(tǒng)中普遍存在的常見考慮因素，例如失真，本底噪聲和動(dòng)態(tài)范圍。此外，良好的靈敏度要求低本底噪聲和低時(shí)鐘相位噪聲。高輸入，三階截?。↖P3）和高1 dB壓縮點(diǎn)（P1dB）對(duì)于輸入信號(hào)電平處理能力至關(guān)重要。

有很多傳輸共享空氣波。需要一個(gè)穩(wěn)健的系統(tǒng)來處理所需的信號(hào)，該信號(hào)通常很小并且存在可能很大的其他干擾信號(hào)。因此，在穩(wěn)健系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中需要高靈敏度，輸入線性度，良好的選擇性以及對(duì)大附近信號(hào)的高抗噪性。其他考慮因素包括低成本，低功耗（特別是便攜式設(shè)備）和緊湊的尺寸。

圖5：差異優(yōu)勢(shì)。

使用差分信號(hào)鏈和單端信號(hào)鏈有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn);這里評(píng)論是最常見的。在輸出轉(zhuǎn)換方面，差分信號(hào)鏈與單端鏈相比具有優(yōu)勢(shì)。每個(gè)輸出上的較低信號(hào)電壓意味著可以實(shí)現(xiàn)更高的總信號(hào)電壓。因此，與單端信號(hào)相比，可以實(shí)現(xiàn)相同的整體信號(hào)擺幅，并且功耗更低。由于更大的可用輸出擺幅：可以實(shí)現(xiàn)更高的整體信號(hào)擺幅;可以實(shí)現(xiàn)相同的整體信號(hào)擺幅，但電源電壓較低;并且可以降低功耗。

系統(tǒng)線性度也有好處。在極低失真應(yīng)用中，與單端信號(hào)相比，電源的裕量可以增加兩倍。差分系統(tǒng)中偶次諧波的固有消除意味著與奇次諧波相比，第2，第4，第6等諧波將非常低。重要的是要注意，不能實(shí)現(xiàn)完美的取消，但有明顯的優(yōu)勢(shì)。差分架構(gòu)還允許一些預(yù)失真技術(shù)來幫助減少奇次諧波。此外，對(duì)于相同的電源軌，輸出1 dB壓縮點(diǎn)（P1dB）和OIP3通常會(huì)提高約6 dB。最后，由于信號(hào)的返回路徑不再通過接地，因此信號(hào)對(duì)接地噪聲和干擾的敏感度較低，從而轉(zhuǎn)換為具有改善的電源抑制比（PSRR）的更好的共模抑制比（CMRR）。此外，差分方法提供了對(duì)耦合電磁干擾（EMI）的更高抗擾度。

圖6：不平衡信號(hào)與平衡信號(hào)。

這里顯示的是兩個(gè)與單端和差別方法。第一個(gè)圖表示具有小的單側(cè)輸入信號(hào)的單端框圖。藍(lán)色信號(hào)說明了進(jìn)入系統(tǒng)的任何類型的共模干擾。請(qǐng)注意，此藍(lán)色干擾信號(hào)也會(huì)在輸出端放大 - 它的放大程度與所需信號(hào)一樣多。很難將所需信號(hào)與干擾信號(hào)分開。

差分框圖顯示了由兩個(gè)極性相反的信號(hào)組成的所需信號(hào)，一個(gè)是正的，另一個(gè)是負(fù)的。在輸入處引入的任何干擾在兩個(gè)參考電平上都是相同的極性，如藍(lán)色所示。盡管在每個(gè)輸出處放大干擾信號(hào)，但是當(dāng)觀察復(fù)合信號(hào)時(shí)，兩個(gè)差分信號(hào)之間的差異，所需信號(hào)加倍，并且干擾已被消除。雖然單端方法容易受到共模噪聲，電源噪聲或EMI的影響，但差分模塊可以通過消除來抵抗這些干擾。

圖7：偶數(shù) - 除了共模干擾抗擾度之外，差分方法還具有偶次諧波的固有消除。這里顯示的是對(duì)單端方法的回顧。非線性器件，在這種情況下是單端放大器，由功率系列擴(kuò)展傳遞函數(shù)描述，并在其輸入端提供正弦波。冪級(jí)數(shù)的擴(kuò)展（底部的等式）揭示了一個(gè)常數(shù)與每個(gè)頻率倍數(shù)，偶數(shù)和奇數(shù)相關(guān)聯(lián)

圖8：輸出光譜圖。

說明此等式可以更容易地顯示其各種組件。表示基本信號(hào)的等式部分以灰色突出顯示。表示二次和三次諧波的部分分別以粉色和綠色突出顯示。功率系列的擴(kuò)展表明，非零常數(shù)與每個(gè)頻率倍數(shù)相關(guān)，偶數(shù)和奇數(shù)。很明顯，單端非線性器件已經(jīng)在整個(gè)頻譜中產(chǎn)生了諧波，正如預(yù)期的那樣。

圖9：差分塊的消除效應(yīng)。

采取相同的方法觀察差分方法的數(shù)學(xué)方法可以看出偶次諧波的固有消除，這種益處類似于前面討論的共模干擾抗擾度。同樣，非線性器件，在這種情況下是差分放大器模塊，由功率系列擴(kuò)展傳遞函數(shù)描述，并提供有一對(duì)極性相反的正弦波 - 這些表示器件輸入端的差分信號(hào)。通過擴(kuò)展，顯示了差分塊的消除效果。

圖10：非線性器件的輸出頻譜。再次，說明這個(gè)等式可以更容易地顯示其各種元件。功率系列的擴(kuò)展表明，該系列中的所有偶次諧波都被相反幅度的對(duì)應(yīng)物抵消。只有以灰色突出顯示的基本信號(hào)和以綠色突出顯示的三階諧波具有非零貢獻(xiàn)。在現(xiàn)實(shí)生活中，非理想器件無法實(shí)現(xiàn)完美的消除，但它們確實(shí)受益于較低的偶次諧波。

圖11：驅(qū)動(dòng)ADC的挑戰(zhàn)。

通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)之一是成功地將所需信號(hào)驅(qū)動(dòng)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器中。此處顯示的示例有助于說明差分信號(hào)鏈與單端信號(hào)鏈的優(yōu)勢(shì)。這里顯示的三個(gè)主要模塊是驅(qū)動(dòng)放大器，抗混疊濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。足夠的信號(hào)檢測(cè)保真度需要適當(dāng)?shù)脑x擇和接口的實(shí)現(xiàn)。

這里（圖11）是兩個(gè)例子，一個(gè)單端和一個(gè)差分。目標(biāo)是捕獲左側(cè)信號(hào)傳輸?shù)乃{(lán)色部分。在存在其他較大的干擾信號(hào)時(shí)，它是一個(gè)小信號(hào)。要捕獲它，有必要考慮噪聲，動(dòng)態(tài)范圍和ADC要求特定的其他因素。這對(duì)于僅提取感興趣的信號(hào)并將其傳遞給ADC來說都是必需的。該接收器信號(hào)如右圖所示;它已被放大并且阻塞器已被移除，僅留下信號(hào)的所需部分，以藍(lán)色顯示。

圖12：通信的單端和差分信號(hào)鏈性能比較圖12比較了通信系統(tǒng)接收器端的實(shí)際例子中的單端和差分信號(hào)鏈性能。第一個(gè)例子是單端方法，首先是單端IF驅(qū)動(dòng)放大器，然后是單端抗混疊濾波器，然后由ADC輸入端的變壓器轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。請(qǐng)注意，在許多情況下，單端方法被認(rèn)為是被動(dòng)方法，因?yàn)樽儔浩饔糜趯⑿盘?hào)轉(zhuǎn)換為差分ADC。

差分示例以變壓器輸出端的差分信號(hào)開始，差分ADC驅(qū)動(dòng)放大器，后面是差分抗混疊濾波器，以及ADC的輸入。差分方法稱為有效，因?yàn)榭梢允褂梅糯笃鬟M(jìn)行轉(zhuǎn)換。列出了每個(gè)組件的性能指標(biāo)，但下圖使用具有這些相同指標(biāo)的信號(hào)鏈性能表來幫助分析級(jí)聯(lián)系統(tǒng)性能并比較單端和差分方法。

圖13 ：信號(hào)鏈性能表。

對(duì)于單端拓?fù)?，使用?jí)聯(lián)噪聲系數(shù)和IIP3的公式，可以計(jì)算輸入?yún)⒖糝F性能。對(duì)于此示例，輸入?yún)⒖糏IP3為18.8 dBm，噪聲系數(shù)（NF）為11.4 dB。這導(dǎo)致5 MHz分析帶寬的SFDR（無雜散動(dòng)態(tài)范圍）為76 dB。級(jí)聯(lián)功率增益為14.7 dB，輸入?yún)⒖紳M量程為-10.7 dBm使用相同的公式來計(jì)算差分方法的輸入?yún)⒖糝F性能，結(jié)果如下：輸入?yún)⒖糏IP3為21.5 dBm，噪聲系數(shù)為13.7 dB。這導(dǎo)致5 MHz分析帶寬的SFDR為76.5 dB，級(jí)聯(lián)功率增益為14 dB，輸入?yún)⒖紳M量程為-10 dBm。兩種方法的數(shù)字非常相似。然而，有源差分方法具有更高的失真性能，噪聲系數(shù)略高。此外，有源配置的無雜散動(dòng)態(tài)范圍更高。請(qǐng)記住，沒有IF放大器，單端方法的輸入?yún)⒖紳M量程僅為6 dBm。還應(yīng)注意，差分抗混疊濾波器將需要兩倍于單端方法的串聯(lián)元件。盡管如此，無源接口通常需要更多的電阻填充并且需要來自上游驅(qū)動(dòng)器的更高輸出功率，這通常意味著更高的電源電流。還要考慮單端驅(qū)動(dòng)放大器往往具有更差的偶階失真和CMRR和PSRR。因此，通過消除ADC驅(qū)動(dòng)器，放大需求正在向上游移動(dòng)。差分方法將是基于整體性能的邏輯選擇。

圖14：ADL5562的主要規(guī)格和功能。

ADL5562是利用偶數(shù)階的器件示例取消差分方法以減少失真。它是一款高性能差分放大器，針對(duì)RF和IF應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。該放大器具有2.1 nV/√Hz的低噪聲和寬頻率范圍內(nèi)的低失真性能，是高速8位至16位ADC的理想驅(qū)動(dòng)器。 ADL5562通過引腳可綁定配置提供3 dB增益級(jí)別，分別為6 dB，12 dB和15.5 dB。如果在單端輸入配置中使用，增益將降至5.6 dB，11.1 dB和14.1 dB。該器件針對(duì)寬帶，低失真性能進(jìn)行了優(yōu)化。這些屬性及其可調(diào)增益能力使其成為低失真，低噪聲和低功耗至關(guān)重要的通用IF和寬帶應(yīng)用的理想選擇。 ADL5562還針對(duì)壓擺速度，帶寬和寬帶失真的良好組合進(jìn)行了優(yōu)化，可以驅(qū)動(dòng)各種ADC，非常適合驅(qū)動(dòng)混頻器，pin二極管衰減器，SAW濾波器和多元件分立器件。 。

圖15：ADL5562諧波失真圖。

圖15中的曲線圖顯示了ADL5562配置為單端和差分拓?fù)鋾r(shí)產(chǎn)生的二次和三次諧波。雖然單端模式下的失真性能非常低，但在差分運(yùn)算的偶數(shù)階性能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在單端模式下，ADL5562在100 MHz時(shí)具有-82 dBc的二階諧波值。在差分操作中，器件具有較低的二階諧波值，在相同頻率下小于-100 dBc。此外，相同電源軌上的差分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以預(yù)期輸出1 dB壓縮點(diǎn)和OIP3的性能提高約6 dB。

圖16：ADI公司的差分放大器產(chǎn)品組合。 》ADL5562是ADI公司廣泛的差分放大器產(chǎn)品系列中的眾多產(chǎn)品之一。無論是驅(qū)動(dòng)差分輸入ADC，還是通過長(zhǎng)電纜長(zhǎng)度發(fā)送和接收信號(hào)，ADI都有一個(gè)差分放大器來滿足需求。放大器具有固定增益或三種基本類型的增益控制：電阻設(shè)置增益，串行和并行數(shù)字控制或引腳可綁定增益選擇。

圖17：AD8375/6的主要規(guī)格和AD8375是一款數(shù)字控制，可變?cè)鲆鎸拵挿糯笃鳎商峁┚_的增益控制，高OIP3和低噪聲系數(shù)。 AD8376是AD8375的雙通道版本;兩個(gè)VGA采用5 mm x 5 mm單封裝。兩者都具有出色的失真性能和高信號(hào)帶寬，使其成為各種接收器應(yīng)用的理想增益控制器件。這些VGA提供寬泛的24 dB增益范圍，分辨率為1 dB。 AD8376采用先進(jìn)的高速SiGe工藝，并采用專有的失真消除技術(shù)，在200 MHz時(shí)可實(shí)現(xiàn)50 dBm輸出OIP3。

圖18：不斷發(fā)展的差分接收器架構(gòu)。

接收器不斷發(fā)展，越來越多地使用差分組件。這種演變始于ADC，并逐漸向信號(hào)鏈上升。過去，信號(hào)應(yīng)用問題和有限的高性能差分RF構(gòu)建模塊可用性導(dǎo)致單端或部分差分信號(hào)鏈。如前所述，部分差分信號(hào)鏈的一個(gè)示例是設(shè)計(jì)人員選擇省略差分ADC驅(qū)動(dòng)器，并使用單端器件直至ADC的變壓器。雖然這提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，但性能需求只是向上游推動(dòng)。除了消耗更高功率之外，單端驅(qū)動(dòng)放大器解決方案往往具有更差的偶次失真，CMRR和PSRR。

此處所示的接收器信號(hào)鏈?zhǔn)且环N常用于具有單端RF輸入和差分的接收器的架構(gòu)輸出。單端和差分操作之間的分界線似乎已經(jīng)在混頻器中得到了解決，其中諸如LNA的RF組件仍然作為單端組件提供。大多數(shù)SAW濾波器和混頻器內(nèi)核也是自然差分電路，但由于應(yīng)用限制，它們會(huì)轉(zhuǎn)換為單端。多年來，由于其高線性性能，已經(jīng)采用雙平衡混頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于蜂窩應(yīng)用。遺憾的是，傳統(tǒng)的變壓器網(wǎng)絡(luò)用于將信號(hào)耦合到混頻內(nèi)核，以保持系統(tǒng)差分，消耗相當(dāng)大的電路板空間并為設(shè)計(jì)增加了大量成本。

圖19：ADL5355的主要規(guī)格和特點(diǎn)。結(jié)果集成RF電路技術(shù)的最新進(jìn)展使得易于使用的RF模塊的設(shè)計(jì)具有單端RF輸入到差分IF輸出。 ADI公司的ADL5355混頻器是將單端RF輸入混合到差分IF輸出的器件示例。它允許在頑固的單端世界中保持固有的差異優(yōu)勢(shì)。 ADL5355框圖顯示所有三個(gè)內(nèi)部混頻器端口均為差分端口。為了便于使用，RF和LO端口使用變壓器連接到外部世界，允許單端接口。相比之下，包括驅(qū)動(dòng)放大器的IF輸出端口是差分的，輸出阻抗為200歐姆，以便于連接到差分SAW濾波器。 LO和RF平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器（平衡到非平衡變壓器）的集成限制了器件的工作頻率范圍，需要一系列指定用于在蜂窩頻率范圍內(nèi)工作的器件。結(jié)果，該器件的輸入頻率范圍被限制在1200MHz至2500MHz的范圍內(nèi)，具有低側(cè)LO;也就是說，LO頻率始終小于RF頻率。

圖20：ADI公司高線性度接收器產(chǎn)品組合。

由于平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器的集成限制了混頻器的工作頻率，ADI提供覆蓋流行頻率的大型設(shè)備系列。請(qǐng)注意，圖20表中的某些設(shè)備具有非常寬的頻率范圍。這些器件確實(shí)具有寬頻率范圍，但它們的LO和RF端口需要外部平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器才能獲得最佳性能。

圖21：無線電設(shè)計(jì)要求和差分優(yōu)勢(shì)?？傊罘中阅軆?yōu)勢(shì)是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的必需品，其嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求在阻塞，信號(hào)失真和靈敏度降低的情況下實(shí)現(xiàn)無與倫比的性能。為了滿足這一需求，不斷發(fā)展的差分信號(hào)路徑提供了高動(dòng)態(tài)范圍，高輸入線性度和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。 ADI公司提供廣泛的差分RF元件產(chǎn)品組合，這些產(chǎn)品是集成RF電路技術(shù)的進(jìn)步所帶來的。高性能差分RF構(gòu)建模塊的可用性越來越高，允許在最嚴(yán)格的無線蜂窩應(yīng)用中將差分架構(gòu)應(yīng)用于高性能接收器設(shè)計(jì)。