X-Amp™、新しい45 dB、500 MHz可変ゲインアンプ（VGA）は、適応型レシーバーの設計を簡素化します

はじめに無線通信機器の設計は通常、戦略的な信号チェーンの定義と分析から始まります。 信号経路の各要素のコンポーネント仕様を適切に特定するには、製品開発サイクルの早い段階で雑音指数（NF）、直線性、歪み、およびダイナミックレンジをすべて考慮する必要があります。 シグナルチェーンバジェット分析により、設計者はコンポーネントをすばやく選択し、検討中の設計アーキテクチャのパフォーマンスを分析および比較できます。 課題は、RFおよびIF信号ブロックに関連するスペクトル選択性、線形性、およびノイズメカニズムに特別な注意を払う必要がある移動通信システムでより大きくなります。 受信機は、対象の信号を操作するのがより簡単な、より低いIF周波数で可変ゲインを採用することにより、入力信号強度に適応感度を提供するように設計できます。 ほとんどのスペクトルグルーミング（周波数整形およびフィルタリング）は、SAWデバイス、水晶、​​およびパッシブ集中定数RLCフィルターネットワークを使用して非常に狭帯域のパスフィルターを簡単に実現できる、より低いIF周波数で実装される傾向があります。 正確なチャネル選択の後、自動利得制御（AGC）回路を使用して、受信信号を目的のレベルにスケーリングできます。 AGCを使用すると、受信信号強度に基づいて感度が変化する受信機設計が得られます。 適応感度は、フェージングチャネルモバイル環境に固有の距離の影響を低減します。 必要なダイナミックレンジとノイズ性能を提供するには、高性能の可変ゲインアンプが必要になることがよくあります。 背景可変利得増幅器（VGA）は、半世紀以上にわたってさまざまなリモートセンシングおよび通信機器で使用されてきました。 超音波、レーダー、LIDARから無線通信、さらには音声分析に至るまでのアプリケーションは、動的性能を向上させるために可変ゲインを利用しています。 初期の設計では、固定ゲインアンプ段を切り替えて受信機の感度をバイナリ方式で調整することにより、ゲインの選択を実現していました。 その後の実装では、ステップ減衰器とそれに続く固定ゲイン増幅器を使用して、より広い範囲のディスクリートゲイン制御を実現しました。 最新の設計では、電圧可変減衰器（VVA）、アナログ乗算器、ゲイン補間器などの手段により、アナログ技術を使用して連続的な電圧制御ゲインを実現しています。 図1。 典型的な可変ゲインアーキテクチャ。 連続変数と離散変数の両方の可変ゲイン制御を提供するために、さまざまなアーキテクチャが一般的に使用されています。 自動ゲイン制御などのアプリケーションでは、多くの場合、連続的なアナログゲイン制御が必要です。 最も単純な設計では、アナログ乗算器とそれに続く固定ゲインバッファアンプを使用します。 このような設計には、多くの場合、キャリブレーションが必要な非線形ゲイン制御機能が含まれます。 さらに、乗算器コアは、温度と電源電圧の依存性に悩まされており、ゲインの法則の精度と安定性が低下したり、許容できない高周波ゲインの変動が発生したりする可能性があります。 プリアンプ/アッテネーター/ポストアンプアーキテクチャを使用する設計は、低ノイズ動作と良好な帯域幅を提供できますが、入力3次インターセプト（IIPXNUMX）が非常に低くなる傾向があり、ハイダイナミックレンジレシーバーでのパフォーマンスが制限されます。 。 別のクラスのソリューションは、電圧可変減衰器とそれに続く固定ゲイン後増幅を利用します。 VVAは、dB単位で線形の正確な減衰伝達関数を提供できますが、適切な減衰範囲を提供するために、複数のVVAをカスケード接続する必要がある場合がよくあります。 カスケードにより、減衰伝達関数の変動に対する感度が向上します。 VVAの負荷効果から信号源をバッファリングするため、および雑音指数に対する減衰器の影響を減らすために、信号を事前に増幅する必要がある場合があります。 低雑音指数を生成するために必要な高ゲインにより、入力のXNUMX次インターセプトが減少します。 図2。 AD8367 X-AmpVGAのアーキテクチャ。 AD8367 X-AMP VGA with AGC X-AMPアーキテクチャは、600年前にAnalog Devices AD602およびAD26で始まり（Analog Dialogue 2-1992、XNUMX）、本質的にはdB線形のゲイン制御機能を可能にします。温度に依存しません。 これは、抵抗性ラダーネットワークと、高度に線形な増幅器および補間器ステージを備えており、連続的なdB線形のゲイン制御機能を提供します。 AD8367（図2）は、最新世代のX-AMPVGAです。 その設計は、数百MHzまで中程度のゲインを提供し、従来の半導体処理でこれまで利用可能であったよりも高い周波数での直線性を改善する、新しい超高速相補バイポーラプロセス（XFCB2.0）に実装されています。 図2に示すように、入力信号は、タップポイント間で9dBステップの減衰を生成するように設計されたグラウンド基準の5ステージR-nR抵抗ラダーネットワークに適用されます。 スムーズなゲイン制御は、可変相互コンダクタンス（gm）ステージでタップポイントを検出することによって実現されます。 ゲイン制御電圧に応じて、補間器はアクティブなステージを選択します。 たとえば、最初のステージがアクティブな場合、0dBのタップポイントが検出されます。 最終ステージがアクティブな場合、45dBポイントが検出されます。 タップポイントの間にある減衰レベルは、隣接するgmステージを同時にアクティブにして、離散タップポイント減衰の加重平均を作成することによって実現されます。 このようにして、非常に正確なスケーリングを備えた、滑らかで単調なdB線形の減衰関数が合成されます。 理想的なdB線形伝達関数は次のように表すことができます。（1）ここで、MYは通常dB / Vで表されるゲインスケール（スロープ）であり、通常は50 dB / V（または20 mV / dB）です。BZはゲイン切片です。 dB単位、通常は–5 dB、VGAIN = 0Vの外挿ゲイン。 VGAINはゲイン制御電圧です。AD8367の基本的な接続の概要、ゲイン伝達関数、および一般的なゲインエラーパターンを図3に示します。これは、ゲイン伝達関数の50 dB / Vの勾配と、ゲインに対する-5dBのインターセプトを示しています。 50mV≤VGAIN≤950mVの制御電圧範囲。 このデバイスでは、MODEピンの単純なピンストラップによってゲインスロープを反転させることができます。 逆ゲインモードは、自動ゲイン制御（AGC）アプリケーションで便利です。この場合、ゲイン制御関数は、検出された出力電力を事前に決定された設定値レベルと比較するエラー積分器から導出されます。 オンチップに統合された二乗則検出器とエラー積分器により、デバイスを自己完結型のAGCサブシステムとして使用できます。 図3。 基本的なAD8367VGAアプリケーション回路とゲイン制御伝達関数。さまざまな温度での典型的なエラーを示します。 典型的なスタンドアロンAGC回路を、4dBの入力電圧ステップに対する時間領域の応答とともに図10に示します。 この例では、信号入力は70 MHzの正弦波であり、その入力は–17から–7 dBm（200オームと呼ばれる）までステップ変調されています。 出力信号電力は、内部の二乗平均平方根検出器によって電圧として測定され、内部の354 mVrmsリファレンスと比較されます。 検出器の出力は電流であり、外部コンデンサCAGCを使用して積分されます。 CAGCコンデンサの両端に発生する電圧は、ゲインを増減するためにGAINピンを駆動します。 出力信号レベルのrms値が内部354mVリファレンスと等しくなると、ループは安定します。 入力信号が354mV rms未満の場合、DETOピンは電流をシンクし、GAINピンの電圧を低下させます。 入力信号が354mV rmsを超えると、DETOピンが電流を供給し、GAINピンの電圧が増加します。 このアプリケーションでは、入力信号のrms値が内部リファレンスを超えたときにゲインが確実に減少するように、逆ゲインモードが必要です。 GAINピンに印加された結果の電圧VAGCは、受信信号強度表示（RSSI）として使用でき、354 mVrmsリファレンスと比較した入力信号強度を表します。 正弦波形の場合、これにより、1オームの負荷に対して200 Vppの出力信号が得られます。 図4。 基本的なAD8367AGCアプリケーション回路と70MHzでの時間領域応答。 シグナルチェーン分析最新のスーパーヘテロダインアーキテクチャを図5に示します。 AD8367は、受信（Rx）パスで使用され、RF信号レベルの変化に応じて全体的な受信機ゲインを適応的に調整します。 送信（Tx）パスでは、AD8367をRF電力検出器と組み合わせて使用​​して、目的の出力電力レベルを維持します。 図5。 IFレベル制御にVGAを使用したスーパーヘテロダインアーキテクチャ。 VGAは中間周波数ステージで使用され、受信機全体の感度を適応的に調整し、送信電力レベルを制御します。 受信パスを考慮すると、全体的な感度とダイナミックレンジは、信号パスバジェット分析を使用して評価できます。 この例では、1MHzのノイズ帯域幅を使用してPCS-CDMA信号が選択されました。 AD8367 IF VGAの出力から逆方向に作業して、入力感度とダイナミックレンジを分析できます。 図6は、レシーバー入力からIFVGAの出力までの詳細なバジェット分析を表しています。 図6。 1900 MHzIFを使用した70MHzCDMAのRxパスバジェット分析。 上記の例では、AD8367はI＆Q復調器の前に受信信号レベルを制御します。 AD8367は、可変減衰とそれに続くポストゲインアンプを使用するVGAの例です。 このスタイルのVGAは、基本的に一定のOIP3と、ゲイン設定によって変化する雑音指数を示します。 AD8367は、最大ゲインで最小雑音指数を提供し、最小ゲインで最大入力XNUMX次インターセプトを提供します。 この独自の組み合わせにより、受信信号強度に基づいて、受信機の感度と入力の線形性を動的に制御できます。 AD8367（データシートおよび詳細については、このリンクをクリックしてください）は、–40〜 + 85°Cの温度で特性評価され、14リードの薄収縮小アウトラインパッケージ（TSSOP）にパッケージ化されています。 単一の3〜5ボルト電源で動作します。 このデバイスの動作帯域幅は–3dBで500MHzです。 また、そのデータシートには、70 MHz、140 MHz、190 MHz、240MHzなどの一般的なIF周波数での詳細な仕様が記載されています。 この記事のPDF版または印刷版をお読みの場合は、www.analog.comにアクセスして、データシートをダウンロードするか、サンプルをリクエストしてください。 AD8367は通常在庫から入手可能であり、評価ボードも入手可能です。 謝辞革新的なAD8367は、バリー・ギルバートとジョン・カウルズによって設計されました。

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