本應(yīng)用筆記描述了MAX2683 3.5GHz上變頻器的特性。給出了一個(gè)典型的原理圖，其中包含用于3.55GHz輸出、1.6GHz LO和350MHz輸入的匹配組件。噪聲系數(shù)為~12.5dB，轉(zhuǎn)換增益為8.6dB。集成電路（IC）也可用于下變頻器。提供了指向 S 參數(shù)表的鏈接，以幫助設(shè)計(jì)工程師。

介紹

MAX2683是基于吉爾伯特單元的雙平衡有源混頻器，能夠接受高達(dá)3.5GHz的RF輸入，并產(chǎn)生高達(dá)3.6GHz的IF輸出。它具有可調(diào)偏置控制、轉(zhuǎn)換增益、對(duì)失配不敏感以及以非常緊湊的格式實(shí)現(xiàn)的出色隔離。

本應(yīng)用筆記簡(jiǎn)要介紹了MAX2683的混頻器、設(shè)計(jì)技巧和典型性能特性。

上變頻器評(píng)論

混頻器的一個(gè)基本特性是變頻。幾乎所有變送器都使用了這一特性。對(duì)于典型操作，調(diào)制信號(hào)的工作頻率為f國(guó)防部注入混頻器的一個(gè)端口，并以f的頻率輸入本振（LO）信號(hào)瞧注入到第二個(gè)端口。產(chǎn)生的輸出射頻（RF）信號(hào)被上變頻為fMOD + fLO的頻率。頻率轉(zhuǎn)換由調(diào)制的fMOD波形cos（fMOD * t）和LO波形相乘產(chǎn)生。從三角學(xué)來(lái)看，我們有以下內(nèi)容：

Cos(fMOD* t) * cos(fLO* t) = 1/2 cos(fLO- fMOD) ± 1/2 cos(fLO± fMOD)

在這種理想的乘法中，混頻器的輸出僅包含頻率為f f的信號(hào)瞧， G國(guó)防部和 f瞧+ f國(guó)防部;即原始調(diào)制信號(hào)f國(guó)防部和本地信號(hào) f瞧在上變頻器輸出RF端口處完全抑制。

吉爾伯特單元有源混頻器基于發(fā)射極耦合對(duì)放大器。該放大器的工作原理最好通過(guò)將調(diào)制信號(hào)分成共模和差模分量來(lái)理解。調(diào)制信號(hào)進(jìn)入對(duì)的一側(cè)，而另一側(cè)通過(guò)電容器交流接地。從對(duì)稱性來(lái)看，共模元件在兩個(gè)支路之間轉(zhuǎn)換電流，對(duì)于小信號(hào)，則充當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)共發(fā)射極放大器。MAX2683在基本放大器上采用<>個(gè)交叉耦合器件，以LO速率將調(diào)制信號(hào)乘以±，實(shí)現(xiàn)所需的雙平衡混頻器特性。這些器件與發(fā)射極耦合對(duì)的組合完成了基本的吉爾伯特單元。與調(diào)制信號(hào)輸入一樣，LO以單端方式注入，另一側(cè)通過(guò)電容器將交流接地。正LO電壓導(dǎo)致器件的外部組導(dǎo)通，導(dǎo)致調(diào)制信號(hào)以LO速率乘以±，而負(fù)電壓導(dǎo)致內(nèi)部對(duì)導(dǎo)通，也會(huì)在LO速率下將調(diào)制信號(hào)乘以±。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能特點(diǎn)

MAX2683采用+2.7V至+5.5V單電源供電。該器件采用超小型 16 引腳 TSSOP-EP 封裝，帶有裸露焊盤，適用于高達(dá) 3.6GHz 的特殊應(yīng)用。它采用雙平衡吉爾伯特單元架構(gòu)，具有單端RF和LO輸入以及差分集電極開(kāi)路輸出端口。差分輸出端口為單端或差分應(yīng)用提供寬帶、靈活的接口。MAX2683具有可調(diào)偏置控制，由外部電阻設(shè)置，允許用戶以電源電流換取線性度，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。邏輯電平控制使能該器件上的內(nèi)部倍頻器，允許外部本地振蕩器源以全頻或半頻運(yùn)行。內(nèi)部LO濾波器可降低LO諧波和雜散混頻。圖1為MAX2683應(yīng)用的簡(jiǎn)化框圖。圖2是MAX2683的引腳說(shuō)明。后續(xù)性能功能的詳細(xì)信息如下所述。

圖1.MAX2683應(yīng)用的簡(jiǎn)化框圖

圖2.MAX2683的引腳說(shuō)明

直流偏置

MAX2683需要直流偏置。傳統(tǒng)的無(wú)源混頻器使用交流信號(hào)來(lái)產(chǎn)生器件導(dǎo)通，而有源吉爾伯特電池混頻器則需要直流電源。直流偏置以電壓VCC的形式施加到器件上。必須施加足夠的電壓以使吉爾伯特電池中的晶體管導(dǎo)通，否則將不會(huì)發(fā)生所需的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。混頻器工作所需的最小電壓為2.7V。隨著VCC的增加，簡(jiǎn)單的偏置方案允許晶體管更難導(dǎo)通。混頻器的增益增加，壓縮點(diǎn)也增加。由于偏置的變化會(huì)影響線性度，因此這種變化會(huì)改變混頻器產(chǎn)生的諧波和雜散信號(hào)的電平。偏差變化也會(huì)影響 ft芯片中的晶體管，從而增加混頻器工作的頻率范圍。MAX2683的線性度和電源電流可通過(guò)單個(gè)電阻BIAS從外部設(shè)置，范圍為偏置至GND。標(biāo)稱電阻值為1.2kΩ，電源電流將設(shè)置為55mA。減小電阻值可改善線性度，但代價(jià)是增加電源電流。增加電阻值會(huì)降低電源電流，同時(shí)降低線性度。使用820Ω至2.0kΩ范圍內(nèi)的電阻值。

獲得

MAX2683具有轉(zhuǎn)換增益，因此在傳統(tǒng)應(yīng)用中，輸出信號(hào)的功率電平高于輸入信號(hào)。MAX2683的大部分增益來(lái)自Gilbert單元中的發(fā)射極耦合放大器。實(shí)現(xiàn)的增益量隨頻率、工作溫度、振蕩器信號(hào)和偏置電平而變化。為了優(yōu)化增益和線性度，正確設(shè)計(jì)的印刷電路板是任何RF/微波電路的重要組成部分。保持RF信號(hào)線盡可能短，以減少損耗、輻射和電感。對(duì)于每個(gè)接地引腳，使用單獨(dú)的低電感過(guò)孔連接到接地層。為獲得最佳性能，請(qǐng)將器件封裝按鈕上的裸焊盤焊接到電路板接地層。差分集電極開(kāi)路 RFOUT 和 RFOUT+ 端口需要外部上拉電感至 V抄送，以及用于最佳增益性能的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。調(diào)制信號(hào)輸入、LO輸入和RF輸出的S參數(shù)如表2所示。設(shè)計(jì)人員可以參考該表來(lái)開(kāi)發(fā)優(yōu)化的匹配電路，以滿足其系統(tǒng)規(guī)格。

振蕩器信號(hào)

MAX2683需要低振蕩器驅(qū)動(dòng)電平。在基于吉爾伯特電池的混頻器中，LO信號(hào)的主要功能是切換交叉耦合四通道的外部和內(nèi)部晶體管之間的導(dǎo)通路徑。這需要相對(duì)較少的功率。通常，吉爾伯特單元混頻器的雜散響應(yīng)將在較低的振蕩器驅(qū)動(dòng)電平下得到改善。增加MAX2683上變頻器的LO功率會(huì)使四通道和發(fā)射極耦合對(duì)的晶體管飽和（實(shí)際上是“準(zhǔn)飽和”），并降低線性度。當(dāng)LO驅(qū)動(dòng)電平從標(biāo)稱特性值降低時(shí)，存在5dB至10dB的范圍，在此范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換增益不會(huì)受到顯著影響。當(dāng)LO驅(qū)動(dòng)電平進(jìn)一步降低時(shí)，轉(zhuǎn)換增益將“滾落”。沒(méi)有正弦LO信號(hào)可以在許多（諧波相關(guān)）頻率下具有頻率分量。MAX5的典型LO輸入功率在50Ω匹配時(shí)為-2683dBm。

工作頻率范圍

MAX2683工作在非常寬的頻率范圍。它可以用作下變頻器或上變頻器。通過(guò)吉爾伯特四單元的調(diào)制信號(hào)的頻率可以達(dá)到3.8GHz。如果提供適當(dāng)?shù)妮敵銎ヅ渚W(wǎng)絡(luò)，輸出頻率范圍可以達(dá)到3.6GHz。MAX2683具有內(nèi)部LO倍頻器，允許外部LO以全頻或半頻工作。以半頻運(yùn)行LO的好處是可以減少通過(guò)放大器到天線的不必要的LO泄漏。倍頻器之后集成了一個(gè)內(nèi)部LO帶通濾波器，有助于降低LO諧波含量和雜散混頻。要使能LO倍頻器，請(qǐng)將ENX2驅(qū)動(dòng)至邏輯低電平，并將半頻外部LO連接到LOX2端口。要禁用并旁路LO倍頻器和LO濾波器，請(qǐng)將ENX2驅(qū)動(dòng)至邏輯高電平，并將全頻外部LO連接到LOX1端口。禁用LO倍增器的好處是可將電源電流降低15mA。LOX1的最大頻率范圍高達(dá)3.9GHz，LOX2的頻率范圍高達(dá)1.95GHz。

噪聲系數(shù)

吉爾伯特電池結(jié)構(gòu)不是低噪聲配置。混頻器噪聲系數(shù)主要來(lái)自四個(gè)集電極交叉耦合晶體管的散粒噪聲、發(fā)射極耦合對(duì)中兩個(gè)晶體管的噪聲，以及與發(fā)射極耦合對(duì)一起使用的兩個(gè)反饋電阻的熱噪聲。當(dāng)輸入LO功率非常低時(shí)，LO的開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì)影響混頻器噪聲系數(shù)。MAX2683的典型噪聲系數(shù)接近12.5dB。

匹配電路

三個(gè)端口需要正確匹配才能實(shí)現(xiàn)最佳性能。表1提供了三個(gè)端口的完整S參數(shù)，頻率范圍為50MHz至6GHz。設(shè)計(jì)人員可以參考此表選擇最佳匹配電路以滿足系統(tǒng)規(guī)格。本應(yīng)用筆記包括一個(gè)應(yīng)用原理圖，其中顯示了三個(gè)端口的典型匹配電路。輸入端口匹配到350MHz頻率，LO端口匹配到1.6GHz，輸出端口匹配到3.55GHz。

線性度和動(dòng)態(tài)范圍

吉爾伯特電池結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生具有高動(dòng)態(tài)范圍的混頻器。以下兩個(gè)公式描述了線性動(dòng)態(tài)范圍和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍：

線性動(dòng)態(tài)范圍 = = P1dB - [NF + G + 3dB -114 dBm + 10 log10(BW)]
無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 = 2/3 [IP3 - G - NF -10 log10(BW) + 114 dBm]

其中 P1分貝是1dB增益壓縮時(shí)混頻器的輸出功率（單位為dBm），NF是混頻器的噪聲系數(shù)（單位dB），G是混頻器的轉(zhuǎn)換增益（以dB為單位），BW是混頻器的帶寬（以dB為單位），IP3是輸出三階截點(diǎn)（以 dB 為單位）。這些公式表明，動(dòng)態(tài)范圍是噪聲系數(shù)、輸出壓縮點(diǎn)、截取點(diǎn)和增益的函數(shù)。由于MAX2683具有中等dB轉(zhuǎn)換增益，因此其動(dòng)態(tài)范圍不是很低。MAX2683的線性度可通過(guò)單個(gè)電阻從外部設(shè)置。增大或減小偏置電阻值都會(huì)改變MAX2683的線性度性能。當(dāng)偏置電阻值發(fā)生變化時(shí)，需要在線性度和電源電流之間進(jìn)行權(quán)衡。

典型應(yīng)用

圖3所示為典型的上變頻器應(yīng)用電路。如圖所示，混頻器是基于吉爾伯特單元的乘法器，帶有RF輸入放大器。諸如此類的雙平衡混頻器在輸出端提供良好的端口間隔離和低LO自由直通。RF輸出端口輸入配置為差分操作。但是，RF輸入和LO輸入可以在單端操作中驅(qū)動(dòng)。LO和RF輸入為50Ω。混頻器輸出需要一個(gè)外部匹配網(wǎng)絡(luò)，將高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為低阻抗，以滿足系統(tǒng)要求。這種阻抗變換和差分到單端變換需要一個(gè)巴倫或阻抗匹配變壓器。該應(yīng)用電路的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3.MAX2683的應(yīng)用原理圖

表 2.MAX2683應(yīng)用的測(cè)試數(shù)據(jù)

（測(cè)試條件：VCC = +5.0V，RBIAS = 1.2kΩ，/ENX2 = GND，fRFIN = 350MHz，PRFIN = -20dBm，fLO = 1600MHz，PLO = -5dBm;所有輸入/輸出端口端接在50Ω;RFOUT+ 和 RFOUT- 匹配至單端 50Ω 負(fù)載;TA = +25°C，除非另有說(shuō)明。

審核編輯：郭婷