LTC5593：2.3GHz - 4.5GHz 高動態(tài)范圍下變頻混頻器的設(shè)計與應(yīng)用

在當(dāng)今的無線通信領(lǐng)域，高動態(tài)范圍下變頻混頻器的需求日益增長。LTC5593 作為一款出色的雙路 2.3GHz 至 4.5GHz 高動態(tài)范圍下變頻混頻器，為工程師們提供了強大的解決方案。下面，我們就來深入了解一下 LTC5593 的特性、應(yīng)用及相關(guān)設(shè)計要點。

文件下載：DC1710A-D.pdf

一、LTC5593 概述

產(chǎn)品定位

演示電路 1710A - D 采用了 LTC5593 混頻器，它屬于雙信道高動態(tài)范圍、高增益下變頻混頻器家族，覆蓋 600MHz 至 4.5GHz 頻率范圍，尤其針對 2.3GHz 至 4.5GHz 的 RF 應(yīng)用進行了優(yōu)化。其 LO 頻率需在 2.1GHz 至 4.2GHz 范圍內(nèi)以實現(xiàn)最佳性能，典型應(yīng)用包括 2.3GHz 至 2.7GHz RF 輸入的 LTE 或 WiMAX 多信道或分集接收機。

性能優(yōu)勢

LTC5593 的高轉(zhuǎn)換增益和高動態(tài)范圍，使得在高選擇性接收機設(shè)計中能夠使用有損耗的 IF 濾波器，同時最大程度降低了總體解決方案成本、電路板空間和系統(tǒng)級變化。

二、相關(guān)參數(shù)及特性

絕對最大額定值

電源電壓斜坡

快速的電源電壓斜坡可能會在內(nèi)部 ESD 保護電路中導(dǎo)致電流毛刺，根據(jù)電源電感的不同，這可能會導(dǎo)致電源電壓瞬變超過最大額定值。因此，建議電源電壓斜坡時間大于 1ms。在操作時，不要將帶電測試線直接夾在演示電路的 VCC 和 VCCIF 端子上，應(yīng)在電源關(guān)閉時進行所有必要的連接，然后再將電壓升高到工作電壓。

使能功能

LTC5593 的兩個混頻器通道可以獨立啟用或禁用。當(dāng)使能電壓 (ENA 或 ENB) 為邏輯高（>2.5V）時，相應(yīng)的混頻器通道啟用；當(dāng)使能電壓為邏輯低（<0.3V）時，混頻器通道禁用。使能引腳的電壓不應(yīng)低于 - 0.3V 或超過電源電壓 0.3V 以上，并且必須拉高或拉低，否則 IC 的開/關(guān)狀態(tài)將不確定。

低電流模式

LTC5593 具有低電流模式，當(dāng)可以接受較低的 RF 性能時，可實現(xiàn) 37% 的總功率節(jié)省。當(dāng) ISEL 電壓為邏輯低（<0.3V）時，兩個混頻器通道以標(biāo)稱直流電流運行并實現(xiàn)最佳性能；當(dāng) ISEL 電壓為邏輯高（>2.5V）時，兩個混頻器通道處于低電流模式，性能會有所降低。ISEL 引腳的電壓要求與使能引腳類似，也必須拉高或拉低。

三、端口特性

RF 輸入

演示電路 1710A - D 的通道 A 和通道 B 的 RF 輸入相同。為使 RF 輸入匹配，必須施加適當(dāng)?shù)?LO 信號。RF 輸入阻抗取決于 LO 頻率，當(dāng)施加 2.1GHz 至 4.2GHz 的 LO 信號時，演示電路 1710A - D 的 RF 輸入在 2.3GHz 至 4.5GHz 范圍內(nèi)與 50Ω 良好匹配，回波損耗優(yōu)于 12dB。

LO 輸入

演示電路 1710A - D 的 LO 輸入在 2.1GHz 至 3.4GHz 范圍內(nèi)與 50Ω 良好匹配，回波損耗優(yōu)于 12dB。對于 3.4GHz 至 3.8GHz 的 LO 頻率，使用 (C2 = 0.6pF) 和 (L4 = 10nH) 可實現(xiàn)良好匹配。LTC5593 的 LO 放大器針對 2.1GHz 至 4.2GHz 的 LO 頻率范圍進行了優(yōu)化，超出此范圍使用時性能會下降。LO 輸入在芯片施加 VCC 時始終與 50Ω 匹配，即使一個或兩個通道被禁用。標(biāo)稱 LO 輸入電平為 0dBm，LO 輸入功率范圍在 - 4dBm 至 6dBm 之間。

IF 輸出

演示電路 1710A - D 具有單端、50Ω 匹配的 190MHz IF 輸出，通道 A 和通道 B 的 IF 輸出相同，通過使用 IF 的帶通拓撲實現(xiàn)阻抗匹配。通過簡單更換電感器 L1A、L2A、L1B 和 L2B，可輕松將演示電路 1710A - D 重新配置為其他 IF 頻率。

四、測量設(shè)備及設(shè)置

測量設(shè)備要求

對 LTC5593 進行性能測量時，其準(zhǔn)確性高度依賴于設(shè)備設(shè)置和測量技術(shù)。建議使用以下設(shè)備：

1. 高性能信號發(fā)生器：如羅德與施瓦茨 SME06，具有低諧波輸出和低相位噪聲，還可在信號發(fā)生器輸出端使用濾波器抑制高階諧波。
2. 高品質(zhì) RF 功率合成器：如 MCLI PS2 - 17，能在所有端口提供寬帶 50Ω 端接，并具有良好的端口間隔離。
3. 高性能放大器：如 MiniCircuits ZHL - 1042J，具有高 IP3 和高反向隔離，用于 RF 信號發(fā)生器輸出端，提高源隔離，防止源相互調(diào)制并產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物。
4. 衰減器墊：在演示電路的輸入和輸出端口使用具有良好 VSWR 的衰減器墊，改善源和負載匹配，減少反射，提高測量準(zhǔn)確性。
5. 高動態(tài)范圍頻譜分析儀：如羅德與施瓦茨 FSEM30，用于線性度測量。
6. 窄分辨率帶寬 (RBW) 和視頻平均：在頻譜分析儀上使用窄 RBW 并啟用視頻平均，降低顯示平均噪聲電平 (DANL)，提高靈敏度和動態(tài)范圍，但會增加掃描時間。
7. 避免頻譜分析儀過載：頻譜分析儀輸入濾波器或預(yù)選器的輸入約為 - 30dBm 時性能最佳，應(yīng)使用足夠的輸入衰減以避免儀器飽和，但過多衰減會降低靈敏度和動態(tài)范圍。

測量前系統(tǒng)評估

在進行測量前，應(yīng)評估系統(tǒng)性能，確保：

1. 能產(chǎn)生干凈的輸入信號，雙音信號的 OIP3 應(yīng)比被測設(shè)備的 IIP3 至少好 15dB。
2. 頻譜分析儀的內(nèi)部失真最小化。
3. 頻譜分析儀具有足夠的動態(tài)范圍和靈敏度，測量系統(tǒng)的 IIP3 應(yīng)比被測設(shè)備的 OIP3 至少好 15dB。
4. 系統(tǒng)的功率和頻率校準(zhǔn)準(zhǔn)確。

五、快速啟動程序

回波損耗測量

1. 配置網(wǎng)絡(luò)分析儀進行回波損耗測量，設(shè)置適當(dāng)?shù)念l率范圍，將測試信號設(shè)置為 - 3dBm。
2. 校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀。
3. 關(guān)閉信號發(fā)生器和直流電源，按圖 5 連接所有測試設(shè)備。
4. 將直流電源電壓升高到 3.3V，驗證總電流消耗是否接近典型演示電路性能總結(jié)中的數(shù)值，在演示板的 VCC、VCCIF 和 GND 端子確認電源電壓，以考慮引線歐姆損耗。
5. 施加 LO 信號，將所有未使用的演示板端口端接 50Ω，測量 RFA 輸入和 IFA 輸出端口的回波損耗。
6. 將測試信號設(shè)置為 0dBm，重新校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)分析儀。
7. 將所有未使用的演示板端口端接 50Ω，測量 LO 輸入端口的回波損耗。

RF 性能測量

1. 關(guān)閉信號發(fā)生器和直流電源，按圖 6 連接所有測試設(shè)備。
2. 將直流電源電壓升高到 3.3V，驗證總電流消耗，確認電源電壓。
3. 設(shè)置 LO 源（信號發(fā)生器 1）向演示板 LO 輸入端口提供 0dBm 的 CW 信號，頻率為適當(dāng)?shù)?LO 頻率。
4. 設(shè)置 RF 源（信號發(fā)生器 2 和 3）向演示板 RFA 輸入端口提供兩個 - 3dBm 的 CW 信號，頻率間隔 2MHz，頻率為適當(dāng)?shù)?RF 頻率。
5. 在頻譜分析儀上測量 IFA 輸出：
   • 對于低端 LO，所需的雙音 IF 輸出信號為 (f{IF1}=f{RF1}-f{LO}) 和 (f{IF2}=f{RF2}-f{LO})；對于高端 LO，為 (f{IF1}=f{LO}-f{RF1}) 和 (f{IF2}=f{LO}-f{RF2})。
   • 最接近所需 IF 信號的三階互調(diào)產(chǎn)物用于計算輸入三階截點：
     • 對于低端 LO，(f{IM3,1}=f{RF1}-f{LO}-Delta{IF}) 和 (f{IM3,2}=f{RF2}-f{LO}+Delta{IF})；對于高端 LO，(f{IM3,1}=f{LO}-f{RF1}+Delta{IF}) 和 (f{IM3,2}=f{LO}-f{RF2}-Delta{IF})，其中 (Delta{IF}=f{RF2}-f_{RF1})。
6. 計算輸入三階截點：(IIP3 = (Delta{IM3}) / 2 + P{RF})，其中 (Delta{IM3}=P{IF}-P{IM3})，(P{IF}) 是 (f{IF1}) 或 (IF2) 處的最低 IF 輸出信號功率，(P{IM3}) 是 (f{IM3,1}) 或 (f{IM3,2}) 處的最高三階互調(diào)產(chǎn)物功率，(P_{RF}) 是單音 RF 輸入功率。
7. 關(guān)閉一個 RF 信號發(fā)生器，測量轉(zhuǎn)換增益、RF 到 IF 隔離、LO 到 IF 泄漏和輸入 1dB 壓縮點。

噪聲系數(shù)測量

1. 配置并校準(zhǔn)噪聲系數(shù)儀進行混頻器測量。
2. 關(guān)閉信號發(fā)生器和直流電源，按圖 7 連接所有測試設(shè)備。
3. 將直流電源電壓升高到 3.3V，驗證總電流消耗，確認電源電壓。
4. 測量單邊帶噪聲系數(shù)。

六、RF 端接注意事項

LTC5593 由高線性度無源雙平衡混頻器核心和 IF 緩沖放大器組成。由于所有無源混頻器的雙向特性，LO±IF 混頻產(chǎn)物始終存在于 RF 輸入處，通常比 RF 輸入信號低 12dB。如果 LO±IF “偽鏡像雜散” 未正確端接，可能會干擾源信號，顯著降低測量的線性度和噪聲系數(shù)。為避免干擾，應(yīng)使用隔離器、雙工器或衰減器端接 RF 輸入端口。在推薦的測量設(shè)置中，演示電路 RF 輸入處的 6dB 衰減器墊就起到了這個作用。

通過以上對 LTC5593 的詳細介紹，電子工程師們可以更好地了解其特性和應(yīng)用，在實際設(shè)計中充分發(fā)揮其優(yōu)勢。你在使用 LTC5593 過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。