X-Amp ™, un nuevo amplificador de ganancia variable (VGA) de 45 dB y 500 MHz simplifica los diseños de receptores adaptables

Introducción El diseño de equipos de comunicaciones inalámbricas generalmente comienza con la definición y el análisis estratégicos de la cadena de señales. La figura de ruido (NF), la linealidad, la distorsión y el rango dinámico deben considerarse en una etapa temprana en el ciclo de desarrollo del producto para identificar adecuadamente las especificaciones de los componentes para cada elemento en la ruta de la señal. El análisis del presupuesto de la cadena de señales permite a los diseñadores seleccionar rápidamente componentes, analizar y comparar el rendimiento de las arquitecturas de diseño que se están considerando. El desafío es mayor en los sistemas de comunicaciones móviles, donde se debe prestar especial atención a la selectividad espectral, la linealidad y los mecanismos de ruido asociados con los bloques de señales de RF e IF. Los receptores pueden diseñarse para proporcionar sensibilidad adaptativa a la intensidad de la señal entrante empleando una ganancia variable en las frecuencias de FI más bajas, donde es más fácil manipular la señal de interés. La mayor parte de la preparación espectral (conformación de frecuencia y filtrado) tiende a implementarse en las frecuencias de FI más bajas, donde los filtros de paso de banda muy estrecha se pueden realizar fácilmente mediante el uso de dispositivos SAW, cristales y redes de filtros RLC de elementos concentrados pasivos. Después de la selección precisa del canal, se pueden emplear circuitos de control automático de ganancia (AGC) para escalar la señal recibida al nivel deseado. El uso de AGC produce un diseño de receptor cuya sensibilidad varía según la intensidad de la señal recibida. La sensibilidad adaptativa reduce los efectos de la distancia inherentes a los entornos móviles con canales de desvanecimiento. Los amplificadores de ganancia variable de alto rendimiento a menudo son necesarios para proporcionar el rango dinámico y el rendimiento de ruido necesarios. Antecedentes Los amplificadores de ganancia variable (VGA) se han utilizado en una variedad de equipos de teledetección y comunicaciones durante más de medio siglo. Las aplicaciones que van desde ultrasonido, radar, lidar hasta comunicaciones inalámbricas, e incluso análisis de voz, han utilizado la ganancia variable en un intento de mejorar el rendimiento dinámico. Los primeros diseños lograron la selección de ganancia al cambiar las etapas del amplificador de ganancia fija para ajustar la sensibilidad del receptor de forma binaria. Las implementaciones posteriores utilizaron atenuadores de paso seguidos de amplificadores de ganancia fija para lograr un rango más amplio de control de ganancia discreta. Los diseños modernos logran una ganancia continua controlada por voltaje, utilizando técnicas analógicas, por medios tales como atenuadores de voltaje variable (VVA), multiplicadores analógicos e interpoladores de ganancia. Figura 1. Arquitecturas típicas de ganancia variable. Se utilizan comúnmente una variedad de arquitecturas para proporcionar control de ganancia variable tanto continuo como discreto. Las aplicaciones como el control automático de ganancia a menudo requieren un control de ganancia analógico continuo. Los diseños más sencillos utilizan multiplicadores analógicos seguidos de amplificadores de búfer de ganancia fija. Estos diseños a menudo implican una función de control de ganancia no lineal que requiere calibración. Además, los núcleos multiplicadores sufren dependencias de temperatura y voltaje de suministro que pueden resultar en una pobre precisión y estabilidad de la ley de ganancia, así como una variación inaceptable de ganancia de alta frecuencia. Los diseños que utilizan arquitecturas de preamplificador / atenuador / posamplificador pueden proporcionar un funcionamiento con poco ruido y un buen ancho de banda, pero tienden a tener una intercepción de tercer orden de entrada (IIP3) bastante baja, lo que limita su capacidad para funcionar en receptores de alto rango dinámico. . Otra clase de soluciones utiliza atenuadores de voltaje variable, seguidos de post-amplificación de ganancia fija. Los VVA pueden proporcionar una función de transferencia de atenuación precisa que es lineal en dB, pero a menudo es necesario conectar en cascada múltiples VVA para proporcionar un rango de atenuación adecuado. La cascada da como resultado una mayor sensibilidad a las variaciones de la función de transferencia de atenuación. A veces es necesario preamplificar la señal para amortiguar la fuente de señal de los efectos de carga del VVA, así como para disminuir la influencia del atenuador en la figura de ruido. La alta ganancia requerida para producir una figura de ruido baja da como resultado una intercepción de tercer orden de entrada disminuida. Figura 2. Arquitectura del AD8367 X-Amp VGA. El AD8367 X-AMP VGA con AGC La arquitectura X-AMP, que se originó hace diez años con los Analog Devices AD600 y AD602, (Analog Dialogue 26-2, 1992), permite una función de control de ganancia lineal en dB que es esencialmente independiente de la temperatura. Comprende una red de escalera resistiva, junto con una etapa de interpolador y amplificador altamente lineal, para proporcionar una función de control de ganancia lineal continua en dB. El AD8367 (Figura 2) es la última generación de VGA X-AMP. Su diseño se implementa en un nuevo proceso bipolar complementario extra rápido (XFCB2.0) que proporciona una ganancia moderada a cientos de MHz y una linealidad mejorada a frecuencias más altas que las disponibles hasta ahora con el procesamiento de semiconductores convencional. Como muestra la Figura 2, la señal de entrada se aplica a una red de escalera resistiva R-nR de 9 etapas con referencia a tierra, diseñada para producir pasos de atenuación de 5 dB entre puntos de derivación. El control de ganancia suave se logra detectando los puntos de derivación con etapas de transconductancia variable (gm). Dependiendo del voltaje de control de ganancia, un interpolador selecciona qué etapas están activas. Por ejemplo, si la primera etapa está activa, se detecta el punto de derivación de 0 dB; si la última etapa está activa, se detecta el punto de 45 dB. Los niveles de atenuación que caen entre los puntos de derivación se logran al tener las etapas gm vecinas activas simultáneamente, creando un promedio ponderado de las atenuaciones discretas de los puntos de derivación. De esta manera, se sintetiza una función de atenuación lineal en dB uniforme, monótona y con escalado muy preciso. La función de transferencia lineal ideal en dB se puede expresar como: (1) donde MY es la escala de ganancia (pendiente) generalmente expresada en dB / V, típicamente 50 dB / V (o 20 mV / dB) BZ es la intercepción de ganancia en dB, normalmente –5 dB, la ganancia extrapolada para VGAIN = 0 V. VGAIN es el voltaje de control de ganancia El esquema de conexión básico del AD8367, la función de transferencia de ganancia y el patrón típico de error de ganancia se ilustran en la Figura 3, que muestra la pendiente de la función de transferencia de ganancia de 50 dB / V y la intercepción de –5 dB sobre una ganancia. rango de voltaje de control de 50 mV ≤ VGAIN ≤ 950mV. El dispositivo permite invertir la pendiente de ganancia mediante una simple correa de clavija de la clavija MODE. El modo de ganancia inversa es conveniente en aplicaciones de control automático de ganancia (AGC), donde la función de control de ganancia se deriva de un integrador de errores, que compara la potencia de salida detectada con un nivel de punto de ajuste predeterminado. Un detector de ley cuadrada y el integrador de errores, integrados en el chip, permiten que el dispositivo se utilice como un subsistema AGC autónomo. Figura 3. Circuito de aplicación VGA AD8367 básico y función de transferencia de control de ganancia, que muestra errores típicos a diversas temperaturas. En la Figura 4 se muestra un circuito AGC autónomo típico, junto con su respuesta en el dominio del tiempo a un paso de voltaje de entrada de 10 dB. En este ejemplo, la entrada de la señal es una sinusoide de 70 MHz y su entrada está modulada por pasos de –17 a –7 dBm (referida a 200 ohmios). La potencia de la señal de salida se mide como voltaje por el detector interno de ley cuadrática y se compara con una referencia interna de 354 mV rms. La salida del detector es una corriente, que se integra mediante un condensador externo, CAGC. El voltaje que se desarrolla a través del capacitor CAGC impulsa el pin GAIN para reducir o aumentar la ganancia. El lazo se estabiliza cuando el valor rms del nivel de la señal de salida se vuelve igual a la referencia interna de 354 mV. Cuando la señal de entrada es inferior a 354 mV rms, el pin DETO absorbe corriente, lo que reduce el voltaje en el pin GAIN. A medida que la señal de entrada aumenta por encima de 354 mV rms, el pin DETO genera corriente y hace que aumente el voltaje en el pin GAIN. El modo de ganancia inversa es necesario en esta aplicación para garantizar que la ganancia disminuya cuando el valor rms de la señal de entrada excede la referencia interna. El voltaje resultante aplicado al pin GAIN, VAGC, se puede utilizar como una indicación de intensidad de la señal recibida (RSSI), que representa la intensidad de la señal de entrada en comparación con una referencia de 354 mV rms. Para una forma de onda sinusoidal, esto da como resultado una señal de salida de 1 V pp para una carga de 200 ohmios. Figura 4. Circuito de aplicación AGC AD8367 básico y respuesta en el dominio del tiempo a 70 MHz. Análisis de la cadena de señales En la Figura 5 se muestra una arquitectura superheterodina moderna. El AD8367 se utiliza en la ruta de recepción (Rx) para ajustar de forma adaptativa la ganancia general del receptor a medida que cambia el nivel de la señal de RF. En la ruta de transmisión (Tx), el AD8367 se utiliza junto con un detector de potencia de RF para mantener un nivel de potencia de salida deseado. Figura 5. Arquitectura superheterodina que utiliza VGA para control de nivel de FI. Los VGA se utilizan en las etapas de frecuencia intermedia para ajustar la sensibilidad general del receptor de forma adaptativa y para controlar los niveles de potencia transmitida. Teniendo en cuenta la ruta de recepción, la sensibilidad general y el rango dinámico se pueden evaluar mediante el análisis del presupuesto de la ruta de la señal. Para este ejemplo, se seleccionó una señal PCS-CDMA, utilizando un ancho de banda de ruido de 1 MHz. Trabajando hacia atrás desde la salida del AD8367 IF VGA, se puede analizar la sensibilidad de entrada y el rango dinámico. La Figura 6 representa un análisis presupuestario detallado desde la entrada del receptor hasta la salida del IF VGA. Figura 6. Análisis de presupuesto de ruta Rx para CDMA de 1900 MHz con IF de 70 MHz. En el ejemplo anterior, el AD8367 controla los niveles de señal recibidos antes del demodulador I&Q. El AD8367 es un ejemplo de un VGA que usa atenuación variable seguida de un amplificador de ganancia posterior. Este estilo de VGA exhibirá esencialmente un OIP3 constante y una figura de ruido que varía con la configuración de ganancia. El AD8367 proporciona un factor de ruido mínimo con una ganancia máxima y una intercepción de tercer orden de entrada máxima con una ganancia mínima. Esta combinación única permite el control dinámico de la sensibilidad y la linealidad de entrada de un receptor, según la intensidad de la señal recibida. AD8367 (haga clic en este enlace para obtener hojas de datos y más información) se caracteriza por sobretemperatura de –40 a + 85 ° C y está empaquetado en un paquete de contorno pequeño encogido fino de 14 derivaciones (TSSOP). Funciona con un solo suministro de 3 a 5 voltios. El dispositivo tiene un ancho de banda operativo de –3 dB de 500 MHz; y su hoja de datos proporciona especificaciones detalladas en frecuencias de FI comunes, como 70 MHz, 140 MHz, 190 MHz y 240 MHz. Si está leyendo el PDF o la versión impresa de este artículo, visite www.analog.com para descargar la hoja de datos o solicitar muestras. El AD8367 normalmente está disponible en stock y también está disponible una placa de evaluación. Agradecimientos El innovador AD8367 fue diseñado por Barrie Gilbert y John Cowles.

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