X-Amp™, un nouvel amplificateur à gain variable (VGA) 45 dB, 500 MHz simplifie les conceptions de récepteurs adaptatifs

Introduction La conception d'équipements de communication sans fil commence généralement par la définition et l'analyse stratégiques de la chaîne de signaux. Le facteur de bruit (NF), la linéarité, la distorsion et la plage dynamique doivent tous être pris en compte à un stade précoce du cycle de développement du produit pour identifier correctement les spécifications des composants pour chaque élément du chemin du signal. L'analyse du budget de la chaîne de signaux permet aux concepteurs de sélectionner rapidement des composants, d'analyser et de comparer les performances des architectures de conception envisagées. Le défi est plus important dans les systèmes de communications mobiles, où une attention particulière doit être portée sur la sélectivité spectrale, la linéarité et les mécanismes de bruit associés aux blocs de signaux RF et FI. Les récepteurs peuvent être conçus pour fournir une sensibilité adaptative à la force du signal entrant en utilisant un gain variable aux fréquences FI inférieures, où il est plus facile de manipuler le signal d'intérêt. La plupart du toilettage spectral (mise en forme et filtrage de fréquence) a tendance à être mis en œuvre aux fréquences FI inférieures où des filtres passe-bande très étroite peuvent être facilement réalisés grâce à l'utilisation de dispositifs SAW, de cristaux et de réseaux de filtres RLC passifs à éléments localisés. Après une sélection précise du canal, des circuits de contrôle automatique de gain (AGC) peuvent être utilisés pour mettre le signal reçu à l'échelle au niveau souhaité. L'utilisation de l'AGC donne une conception de récepteur dont la sensibilité varie en fonction de la force du signal reçu. La sensibilité adaptative réduit les effets de la distance inhérents aux environnements mobiles à canal d'évanouissement. Des amplificateurs à gain variable hautes performances sont souvent nécessaires pour fournir la plage dynamique et les performances de bruit nécessaires. Contexte Les amplificateurs à gain variable (VGA) sont utilisés dans divers équipements de télédétection et de communication depuis plus d'un demi-siècle. Des applications allant des ultrasons, radar, lidar aux communications sans fil, et même à l'analyse de la parole, ont utilisé un gain variable pour tenter d'améliorer les performances dynamiques. Les premières conceptions obtenaient une sélection de gain en insérant des étages d'amplificateurs à gain fixe pour ajuster la sensibilité du récepteur de manière binaire. Les implémentations ultérieures ont utilisé des atténuateurs à pas suivis d'amplificateurs à gain fixe pour obtenir une plus large gamme de contrôle de gain discret. Les conceptions modernes permettent d'obtenir un gain contrôlé en tension continu, en utilisant des techniques analogiques, par des moyens tels que des atténuateurs à tension variable (VVA), des multiplicateurs analogiques et des interpolateurs de gain. Figure 1. Architectures typiques à gain variable. Diverses architectures sont couramment utilisées pour fournir un contrôle de gain variable continu et discret. Les applications telles que le contrôle de gain automatique nécessitent souvent un contrôle de gain analogique continu. Les conceptions les plus simples utilisent des multiplicateurs analogiques suivis d'amplificateurs tampons à gain fixe. De telles conceptions impliquent souvent une fonction de contrôle de gain non linéaire qui nécessite un étalonnage. De plus, les noyaux multiplicateurs souffrent de dépendances de température et de tension d'alimentation qui peuvent entraîner une précision et une stabilité médiocres de la loi de gain, ainsi qu'une variation de gain haute fréquence inacceptable. Les conceptions qui utilisent des architectures de préamplificateur/atténuateur/post-amplificateur peuvent fournir un fonctionnement à faible bruit et une bonne bande passante, mais ont tendance à avoir une interception de troisième ordre d'entrée assez faible (IIP3), limitant leur capacité à fonctionner dans des récepteurs à plage dynamique élevée . Une autre classe de solutions utilise des atténuateurs à tension variable, suivis d'une post-amplification à gain fixe. Les VVA peuvent fournir une fonction de transfert d'atténuation précise qui est linéaire en dB, mais il est souvent nécessaire de mettre en cascade plusieurs VVA afin de fournir une plage d'atténuation adéquate. La mise en cascade entraîne une sensibilité accrue aux variations de la fonction de transfert d'atténuation. Il est parfois nécessaire de préamplifier le signal pour tamponner la source du signal des effets de charge du VVA, ainsi que pour diminuer l'influence de l'atténuateur sur le facteur de bruit. Le gain élevé requis pour produire un faible facteur de bruit entraîne une diminution de l'interception du troisième ordre d'entrée. Figure 2. Architecture de l'AD8367 X-Amp VGA. L'AD8367 X-AMP VGA avec AGC L'architecture X-AMP, née il y a dix ans avec les Analog Devices AD600 et AD602 (Analog Dialogue 26-2, 1992), permet une fonction de contrôle de gain linéaire en dB qui est essentiellement indépendant de la température. Il comprend un réseau en échelle résistif, ainsi qu'un amplificateur hautement linéaire et un étage d'interpolation, pour fournir une fonction de contrôle de gain linéaire continue en dB. L'AD8367 (Figure 2) est la dernière génération de VGA X-AMP. Sa conception est mise en œuvre sur un nouveau processus bipolaire complémentaire extra-rapide (XFCB2.0) qui fournit un gain modéré jusqu'à des centaines de MHz et une linéarité améliorée à des fréquences plus élevées que celles disponibles jusqu'à présent avec le traitement conventionnel des semi-conducteurs. Comme le montre la figure 2, le signal d'entrée est appliqué à un réseau en échelle résistif R-nR à 9 étages référencé à la terre, conçu pour produire des pas de 5 dB d'atténuation entre les points de prise. Le contrôle de gain en douceur est obtenu en détectant les points de dérivation avec des étages à transconductance variable (gm). En fonction de la tension de contrôle de gain, un interpolateur sélectionne les étages actifs. Par exemple, si le premier étage est actif, le point de prise 0-dB est détecté ; si le dernier étage est actif, le point de 45 dB est détecté. Les niveaux d'atténuation qui tombent entre les points de dérivation sont obtenus en ayant des étages gm voisins actifs simultanément, créant une moyenne pondérée des atténuations de points de dérivation discrètes. De cette manière, une fonction d'atténuation lisse, monotone, linéaire en dB avec une mise à l'échelle très précise est synthétisée. La fonction de transfert linéaire en dB idéale peut être exprimée comme suit : (1) où MY est l'échelle de gain (pente) généralement exprimée en dB/V, généralement 50 dB/V (ou 20 mV/dB) BZ est l'interception de gain en dB, typiquement –5 dB, le gain extrapolé pour VGAIN = 0 V. VGAIN est la tension de contrôle de gain Le schéma de connexion de base de l'AD8367, la fonction de transfert de gain et le schéma d'erreur de gain typique sont illustrés à la Figure 3, montrant la pente de la fonction de transfert de gain de 50 dB/V et l'interception de –5 dB sur un gain- plage de tension de commande de 50 mV VGAIN 950 mV. L'appareil permet d'inverser la pente de gain par un simple pin-strap de la broche MODE. Le mode de gain inverse est pratique dans les applications de contrôle automatique de gain (AGC), où la fonction de contrôle de gain est dérivée d'un intégrateur d'erreur, qui compare la puissance de sortie détectée à un niveau de point de consigne prédéterminé. Un détecteur à loi carrée et l'intégrateur d'erreurs, intégrés sur puce, permettent à l'appareil d'être utilisé comme un sous-système AGC autonome. Figure 3. Circuit d'application VGA AD8367 de base et fonction de transfert de contrôle de gain, montrant les erreurs typiques à différentes températures. Un circuit AGC autonome typique est illustré à la figure 4, avec sa réponse dans le domaine temporel à un échelon de tension d'entrée de 10 dB. Dans cet exemple, l'entrée du signal est une sinusoïde à 70 MHz et son entrée est modulée par pas de –17 à –7 dBm (référée à 200 ohms). La puissance du signal de sortie est mesurée sous forme de tension par le détecteur interne à loi quadratique et comparée à une référence interne de 354 mV rms. La sortie du détecteur est un courant, qui est intégré à l'aide d'un condensateur externe, CAGC. La tension développée aux bornes du condensateur CAGC entraîne la broche GAIN pour réduire ou augmenter le gain. La boucle est stabilisée lorsque la valeur efficace du niveau du signal de sortie devient égale à la référence interne de 354 mV. Lorsque le signal d'entrée est inférieur à 354 mV rms, la broche DETO absorbe le courant qui réduit la tension à la broche GAIN. Lorsque le signal d'entrée augmente au-dessus de 354 mV rms, la broche DETO génère du courant provoquant une augmentation de la tension sur la broche GAIN. Le mode de gain inverse est requis dans cette application pour garantir que le gain diminue lorsque la valeur efficace du signal d'entrée dépasse la référence interne. La tension résultante appliquée à la broche GAIN, VAGC, peut être utilisée comme indication de la force du signal reçu (RSSI), représentant la force du signal d'entrée par rapport à une référence de 354 mV rms. Pour une forme d'onde sinusoïdale, cela donne un signal de sortie de 1 V pp pour une charge de 200 ohms. Figure 4. Circuit d'application AGC AD8367 de base et réponse dans le domaine temporel à 70 MHz. Analyse de la chaîne de signaux Une architecture superhétérodyne moderne est illustrée à la figure 5. L'AD8367 est utilisé dans le chemin de réception (Rx) pour ajuster de manière adaptative le gain global du récepteur lorsque le niveau du signal RF change. Dans le chemin de transmission (Tx), l'AD8367 est utilisé en conjonction avec un détecteur de puissance RF pour maintenir un niveau de puissance de sortie souhaité. Figure 5. Architecture superhétérodyne utilisant des VGA pour le contrôle du niveau FI. Les VGA sont utilisés dans les étages de fréquence intermédiaire pour ajuster la sensibilité globale du récepteur de manière adaptative et pour contrôler les niveaux de puissance transmise. Compte tenu du trajet de réception, la sensibilité globale et la plage dynamique peuvent être évaluées à l'aide d'une analyse du bilan du trajet du signal. Pour cet exemple, un signal PCS-CDMA a été sélectionné, en utilisant une bande passante de bruit de 1 MHz. En travaillant en arrière à partir de la sortie de l'AD8367 IF VGA, la sensibilité d'entrée et la plage dynamique peuvent être analysées. La figure 6 représente une analyse budgétaire détaillée de l'entrée du récepteur à la sortie du VGA FI. Figure 6. Analyse du budget de chemin Rx pour CDMA à 1900 MHz avec une FI à 70 MHz. Dans l'exemple ci-dessus, l'AD8367 contrôle les niveaux de signal reçu avant le démodulateur I&Q. L'AD8367 est un exemple de VGA qui utilise une atténuation variable suivie d'un amplificateur post-gain. Ce style de VGA présentera essentiellement un OIP3 constant et un facteur de bruit qui varie avec le réglage de gain. L'AD8367 fournit un facteur de bruit minimum au gain maximum et une interception de troisième ordre d'entrée maximum au gain minimum. Cette combinaison unique permet un contrôle dynamique de la sensibilité et de la linéarité d'entrée d'un récepteur, en fonction de la force du signal reçu. L'AD8367 (cliquer sur ce lien pour les fiches techniques et plus d'informations) se caractérise par une température de –40 à +85 °C et est conditionné dans un emballage à petit contour mince et rétractable (TSSOP) à 14 broches. Il fonctionne sur une seule alimentation de 3 à 5 volts. L'appareil a une bande passante de fonctionnement de –3 dB de 500 MHz ; et sa fiche technique fournit des spécifications détaillées aux fréquences FI courantes, telles que 70 MHz, 140 MHz, 190 MHz et 240 MHz. Si vous lisez la version PDF ou imprimée de cet article, veuillez visiter www.analog.com pour télécharger la fiche technique ou pour demander des échantillons. L'AD8367 est normalement disponible en stock, et une carte d'évaluation est également disponible. Remerciements L'innovant AD8367 a été conçu par Barrie Gilbert et John Cowles.

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