【導讀】國際電信聯(lián)盟(ITU)將433.92MHz工業(yè)、科學和醫(yī)學(ISM)頻段分配給1區(qū)使用，該區(qū)域在地理上由歐洲、非洲、俄羅斯、蒙古和阿拉伯半島組成。盡管最初旨在用于無線電通信之外的應用，但多年來無線技術和標準的進步使得ISM頻段在短距離無線通信系統(tǒng)中頗受歡迎。
ITU 1區(qū)的運營商無需為使用433.92MHz頻段獲得許可，常見應用包括軟件定義無線電、醫(yī)療設備和重型機械的工業(yè)無線電控制系統(tǒng)。在美國，433.92MHz頻段由獲得許可的業(yè)余無線電臺使用。
任何無線電傳輸應用都需要高增益放大器來驅動天線。根據(jù)應用要求，這可以通過一級或多級實現(xiàn)；輸出功率值越高，RF傳輸距離越長。為了實現(xiàn)最佳頻率響應，設計中必須考慮幾個因素，例如適當?shù)淖杩蛊ヅ?、濾波和熱管理。
圖1所示電路是ADI的一個雙級RF放大器模塊，針對工作在433.92MHz ISM頻段的發(fā)射信號鏈進行了優(yōu)化。在中心頻率，電路產(chǎn)生大約+35.8dB的增益。RF輸入和輸出端口采用50Ω阻抗匹配設計，支持電路與標準50Ω系統(tǒng)之間的直接連接。
圖1.ADI CN0551簡化功能框圖
為防止過熱，當達到用戶定義的溫度跳變點時，溫度監(jiān)視開關電路會禁用RF放大器。當溫度降至滯回設定點以下時，該開關電路也會自動使能放大器。
評估和設計支持
?電路評估板
?CN0551電路評估板(EVAL-CN0551-EBZ)
?設計和集成文件
?原理圖、布局文件、物料清單
電路描述
工作在433.92 MHZ ISM頻段
ADI CN0551的RF信號首先通過聲表面波(SAW)濾波器，然后通過增益級，這有助于消除不需要的帶外放大。選擇濾波器時，必須在頻帶平坦度和帶外抑制之間取得平衡。SAW濾波器也是一個插入損耗源，它會降低信號鏈的整體增益，選擇時需要仔細考慮。
該參考設計所用的SAW濾波器的典型最大插入損耗為2dB，端接阻抗為50Ω。
放大器級
ADI CN0551的RF信號路徑中使用兩個放大器級。第一級是AD8353 RF增益塊放大器，它在433.92MHz ISM頻段提供19.6dB（典型值）的固定增益。AD8353的工作頻率范圍為1MHz至2.7GHz，在整個頻率范圍內的回波損耗大于10dB。
AD8353的RF引腳內部匹配50Ω，因此它能直接集成到標準RF信號路徑中，而無需外部匹配網(wǎng)絡。如圖2所示，只需要RF引腳上有隔直電容且電源引腳上有旁路電容，AD8353便能正常工作。表1列出了這些電容的推薦值。
圖2.AD8353連接圖
表1.AD8353電容值
ADL5324 RF驅動放大器用作設計的第二級。該器件的工作頻率范圍為400MHz至4GHz，典型增益為18.2dB，典型噪聲系數(shù)為6.8dB，從433.05MHz到434.79MHz的典型輸出三階交調截點(OIP3)為38.4dBm。
只需通過RF扼流圈向RFOUT引腳施加+5V電壓，即可設置ADL5324的偏置點。建議使用120nH的電感，因為這也會為433.92MHz ISM頻段提供一定的輸出匹配。為了濾除電源線上的RF信號和高頻噪聲，ADL5324的輸出級偏置需要三個解耦電容。圖3顯示了RF輸出級上偏置電感和電容的正確配置。
圖3.ADL5324直流偏置電感和電容
ADL5324的阻抗匹配
為實現(xiàn)最優(yōu)性能，ADL5324需要外部匹配網(wǎng)絡，以便針對所需頻段調諧阻抗。輸入匹配網(wǎng)絡包括電感(LIN)和電阻(RIN)，其與RFIN引腳和分流電容(CIN)串聯(lián)放置。同樣，輸出匹配網(wǎng)絡也使用串聯(lián)電感(LOUT)和分流電容(COUT)。RFIN和RFOUT引腳也需要外部隔直電容。圖4展示了ADL5324的完整阻抗匹配網(wǎng)絡。
圖4.ADL5324外部匹配網(wǎng)絡
對于ADL5324數(shù)據(jù)手冊中列出的420MHz至494MHz調諧頻帶，CN0551參考設計使用類似的元件值。推薦值請參閱表2。
這些元件的正確布局對于匹配也很重要。因此，CN0551遵循ADL5324數(shù)據(jù)手冊中針對420MHz至433.92MHz調諧頻帶的推薦值。
這些值是從元件中心測量到放大器的邊緣。
表2.ADL5324外部阻抗匹配網(wǎng)絡元件值
RF性能
CN0551產(chǎn)生的S參數(shù)、相位噪聲測量結果和穩(wěn)定性指標如圖5、圖6和圖7所示。
在433.92MHz的中心頻率，CN0551實現(xiàn)了35.8dB的增益。該系統(tǒng)的相位噪聲很低，在10kHz和100kHz的頻率偏移時，相位噪聲值約為-145dBc/Hz；在1MHz的頻率偏移時，相位噪聲值為-130dBc/Hz。當頻率偏移高于1MHz時，相位噪聲值保持在-130dBc/Hz以下。
系統(tǒng)在整個433.92MHz ISM頻段保持穩(wěn)定，Rollet穩(wěn)定性因子(k)高于1，輔助穩(wěn)定性指標(B1)高于0。
圖5.S參數(shù)與頻率的關系
圖6.相位噪聲與頻率偏移的關系（433.92MHz輸入）
圖7.穩(wěn)定性測量與頻率的關系
圖8顯示了CN0551的輸出功率(POUT)與輸入功率(PIN)的關系圖。使用CN0551上安裝的默認SAW濾波器，-3dBm輸入產(chǎn)生最大?W的輸出功率。絕對最大輸入功率為+10dBm。不建議在高于此輸入電平的情況下操作電路，以免造成損壞。
圖8.POUT與PIN的關系（433.92MHz輸入）
過溫管理
CN0551上實現(xiàn)了過溫管理特性，當電路板溫度達到預設閾值時，放大器電路會自動禁用。一旦溫度降至滯回設定點以下，CN0551放大器就會自動使能。該特性通過ADT6401溫度開關的開漏輸出(TOVER/TUNDER)實現(xiàn)，它會監(jiān)視ADL5324附近的溫度并將其與引腳可編程跳變點進行比較。
引腳S0、S1和S2的狀態(tài)選擇ADT6401的溫度跳變點和滯回。表3列出了CN0551上可用的溫度跳變點和滯回設置。
表3.選擇ADT6401跳變點和滯回
默認情況下，CN0551參考設計使用+95°C跳變點和+10°C滯回設置。
ADL5324沒有可由ADT6401輸出直接控制的內部關斷特性，因此該功能必須通過開關電路在外部實現(xiàn)。在CN0551中，這是通過ADG901 RF開關和ADP196功率開關完成的，這兩個開關可以斷開ADL5324的RF輸入和直流偏置。利用ADT6401輸出可以同時接通或斷開這兩個器件，如圖9所示。對于ADG901，使用一個1:1電阻分壓器來滿足CTRL引腳的2.5V電平要求。
圖9.CN0551過溫管理電路
為了獲得最佳性能，必須使ADT6401的GND引腳和熱源的GND引腳的熱阻最小。因此，將ADT6401盡可能靠近ADL5324放置很重要。
布局考量
功率放大器在使用時會產(chǎn)生大量熱量；因此，必須特別注意散熱。為了解決功耗問題，EVAL-CN0551-EBZ使用3層厚的接地層，并在ADL5324周圍和下方布置了多個熱通孔。
使用熱像儀觀察EVAL-CN0551-EBZ可以發(fā)現(xiàn)，在RF輸入為-10dBm的情況下，ADL5324周圍的峰值電路板溫度約為46°C，如圖10所示。將布局中的散熱技術與過熱監(jiān)控電路相結合，可防止ADL5324達到其最高結溫。
圖10.CN0551熱性能（RF輸入功率 = -10dBm）
USB電源管理
CN0551通過micro-USB端口獲得電源，并由LTM4693 μModule調節(jié)至+5V。這款超薄、獨立的降壓-升壓DC/DC轉換器簡化了穩(wěn)壓器電路設計，因為它已經(jīng)包括了開關模式控制器和用于低噪聲放大器電源的功率器件。CN0551中的+5V器件在正常工作期間消耗大約175mA電流，這主要由ADL5324和AD8353消耗。兩個放大器級在較高溫度下還會消耗額外的電源電流（如其各自的數(shù)據(jù)手冊所述）。憑借2A的最大連續(xù)輸出電流，LTM4693足以滿足CN0551的電流要求。
LTM4693正常運行只需要幾個旁路電容、一個反饋電阻和一個RC補償電路。如圖11所示，CN0551遵循LTM4693數(shù)據(jù)手冊中針對旁路電容和RC補償電路的推薦值。SS和MODE/SYNC引腳連接到CN0551上的VIN，將器件配置為低噪聲、恒定頻率脈寬調制(PWM)工作模式，默認軟啟動周期為2ms。
圖11.LTM4693連接圖
LTM4693的輸出電壓由VOUT+和FB引腳之間連接的外部反饋電阻(RFB)設置；其值通過式1計算。
其中：
VOUT是所需輸出電壓，單位為V。RFB是反饋電阻，單位為kΩ。
對于所需的+5V輸出電壓，該公式得出RFB值為15.1kΩ。這在設計中實現(xiàn)為15kΩ電阻。
默認情況下，LTM4693的開關頻率為1MHz。然而，在FREQ引腳和GND上連接一個外部電阻(RT)可以提高此頻率；其值通過式2計算。
其中：
fSW是所需的開關頻率，單位為MHz。RT是外部電阻，單位為kΩ。
使用更高開關頻率會降低電源效率，但這也會降低輸出電壓紋波，從而為放大器提供更穩(wěn)定的電源電壓。如圖12所示，更高頻率還有助于減少近載波相位噪聲。對于CN0551，開關頻率設置為2MHz；使用此值和式2得出RT為110kΩ。
圖12.LTM4693不同開關頻率（1MHz和2MHz）下CN0551的相位噪聲
ADM7160低壓差(LDO)穩(wěn)壓器產(chǎn)生ADG901 RF開關所需的+2.5V電源電壓。該器件具有2.3V至6.5V的輸入電壓范圍和一個固定輸出電壓，可提供最大200mA電流。
為確保LDO的穩(wěn)定性，必須使用有效電容(CEFF)大于0.7μF的優(yōu)質電容（例如X5R或X7R）。這還需要考慮溫度和直流偏置效應。式3可用于根據(jù)所選電容的規(guī)格來計算CEFF。
其中：
CEFF是最壞情況下的電容，單位為μF。
CBIAS是工作電壓下的有效電容，單位為μF。
TEMPCO是最壞情況下的電容溫度系數(shù)。
TOL是最壞情況下的電容容差。
在CN0551中，配合ADM7160使用的電容的額定電容值為4.7μF，最壞情況溫度系數(shù)為0.15，最壞情況容差為0.20。根據(jù)電容與偏置電壓的關系圖，輸入旁路電容（+5V偏置）和輸出旁路電容（+2.5V）的有效電容分別約為2.13μF和3.60μF。在式3中使用這些值可得出1.45μF和2.45μF的最壞情況電容值，二者均高于0.7μF的最低要求。
常見變化
如果不需要0.5W的功率水平，可以改用ADL5320作為433.92MHz ISM頻段的驅動放大器。與ADL5324相比，該器件提供略高的增益和較低的噪聲系數(shù)，但代價是OIP3更低。ADL5320的飽和輸出電平僅為250mW左右。
ADT6402也可用作溫度開關；該器件與ADT6401引腳兼容，并具有與后者相同的規(guī)格，但輸出為低電平有效。使用ADT6402時需要一個反相緩沖器。
ADI還提供類似的用于在915MHz和2.45GHz ISM頻段中進行傳輸?shù)姆糯笃髟O計。欲了解更多信息，請參閱CN0522和CN0417電路筆記。
電路評估與測試
本節(jié)介紹用于測試CN0551的S參數(shù)和相位噪聲的設置和步驟。如需完整的詳細信息，請參閱EVAL-CN0551-EBZ用戶指南。
設備要求
以下設備用于開展測試：
?CN0551電路評估板(EVAL-CN0551-EBZ)
?Keysight? E5061B矢量網(wǎng)絡分析儀
?Rohde & Schwarz? SMA100A信號發(fā)生器
?Rohde & Schwarz FSUP信號分析儀
?20dB衰減器（選配），用于信號分析儀的輸入保護
?5V；≥0.5A交流/直流電源適配器，帶microUSB電纜
?SMA電纜
設置和測試
圖13顯示了CN0551與矢量網(wǎng)絡分析儀的正確端口連接。要測量S參數(shù)，請遵循以下程序：
1.配置矢量網(wǎng)絡分析儀的掃描范圍和頻率步長。起始和停止頻率應分別設置為433MHz至435MHz。掃描的頻率步長應設置為10kHz。
2.使用校準套件對矢量網(wǎng)絡分析儀執(zhí)行完整的2端口校準。請注意，EVAL-CN0551-EBZ的RF輸入可以直接連到測試端口，因此測試設置僅需要一根測量電纜。
3.使用5V電源適配器和micro USB電纜為EVAL-CN0551-EBZ供電。
4.使用校準的測試設置將EVAL-CN0551-EBZ連接在矢量網(wǎng)絡分析儀的測試端口上。
5.設置網(wǎng)絡分析儀以顯示各個S參數(shù)的跡線。
6.在矢量網(wǎng)絡分析儀上執(zhí)行自動縮放功能。如果需要，隨后可調整比例。
圖13.S參數(shù)測量設置
圖14顯示了執(zhí)行相位噪聲測試時CN0551與信號源分析儀和信號發(fā)生器的正確連接。要測量相位噪聲，請遵循以下程序：
1.設置信號源分析儀測量相位噪聲并配置其測量范圍。起始和停止偏移應分別設置為1kHz和30MHz。
2.將信號發(fā)生器的輸出設置為433.92MHz的頻率和-10dBm的電平。
3.如果設備可以處理放大器輸出（-10dBm輸入時約為25.85dBm），請參考信號源分析儀數(shù)據(jù)手冊上的最大輸入電平。如有必要，將衰減器連接到信號源分析儀的輸入。
4.使用5V電源適配器和micro USB電纜為EVAL-CN0551-EBZ供電。
5.將信號發(fā)生器輸出連接到EVAL-CN0551-EBZ的RF輸入。
6.將EVAL-CN0551-EBZ的RF輸出連接到信號源分析儀。
7.在信號源分析儀上啟動新的測量運行。
圖14.相位噪聲測量設置
了解更多
-AD8353 S-參數(shù)
-ADL5324 S-參數(shù)
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-LTspice? SPICE仿真軟件
-LTpowerCAD?設計工具
-功耗與芯片溫度計算器
-教程MT-093，熱設計基礎，ADI公司。
-教程MT-101：解耦技術，ADI公司。
-Tompsett，Kevin。2017.設計開關電源中使用的二級輸出濾波器。ADI公司。
-Kumbhar，Abhaykumar。2017.ISM頻段概述和軟件定義無線電實驗。無線個人通信：國際期刊，第97卷。
-Rao，Shreharsha。2005.充分利用免許可ISM頻段。EETimes.com。
-Sylla，Iboun。2009.設計免許可頻段的無線產(chǎn)品時應了解法規(guī)要求。EE-Times.com。
-Schweber，Bill。2018.RF功率放大器，第一部分：功能。AnalogICTips.com。
-Kundert，Ken。2006.電源降噪。The Designer’s Guide Community。
數(shù)據(jù)手冊和評估板
CN0551評估板、AD8353數(shù)據(jù)手冊、AD8353評估板、ADL5324數(shù)據(jù)手冊、ADL5324評估板、ADG901數(shù)據(jù)手冊、ADG901評估板、ADM7160數(shù)據(jù)手冊、ADM7160評估板、ADT6401數(shù)據(jù)手冊、LTM4693數(shù)據(jù)手冊、LTM4693評估板
ESD警告
ESD（靜電放電）敏感器件。帶電器件和電路板可能會在沒有察覺的情況下放電。盡管本產(chǎn)品具有專利或專有保護電路，但在遇到高能量ESD時，器件可能會損壞。因此，應當采取適當?shù)腅SD防范措施，以避免器件性能下降或功能喪失。
ADI的Circuits from the Lab?電路由ADI工程師設計構建。每個電路的設計和構建都嚴格遵循標準工程規(guī)范，電路的功能和性能都在實驗室環(huán)境中以室溫條件進行了測試和檢驗。不過，您需負責自行測試電路，并確定其是否適用。因而，ADI將不對由任何原因、連接到任何所用參考電路上的任何物品所導致的直接、間接、特殊、偶然、必然或者懲罰性的損害負責。
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