ADMV7320 E-Band上变频器SiP：技术剖析与应用指南

在当今高速发展的通信领域，E - Band通信系统、高容量无线回传等应用对高性能上变频器的需求日益增长。ADMV7320作为一款备受关注的E - Band上变频器SiP，为工程师们提供了强大的解决方案。今天，我们就来深入剖析这款产品。

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一、产品概述

ADMV7320是一款完全集成的系统级封装（SiP）、正交（I/Q）上变频器。它的工作范围涵盖了中频（IF）输入范围从直流到2 GHz，射频（RF）输出范围在81 GHz至86 GHz之间。该设备采用了图像抑制混频器，由6倍本地振荡器（LO）乘法器驱动，混频器的RF输出后接可变增益放大器（VGA）和功率放大器（PA），典型转换增益可达33 dB。

二、关键特性

2.1 增益性能

• 最大转换增益：典型值为33 dB，在 - 20 dBm输入时，转换增益范围为23.5 - 43.5 dB。
• 增益调谐范围：最小为40 dB，增益平坦度为3 dB。这使得工程师可以根据实际需求灵活调整增益，以适应不同的应用场景。

2.2 功率性能

• 饱和输出功率（(P_{SAT})）：在不同增益下表现出色，例如在增益为23.5 dB时，典型值为26 dBm。
• 1 dB压缩点输出功率（OP1dB）：同样在不同增益下有良好的表现，如增益为23.5 dB时，典型值为25 dBm。

2.3 线性度性能

• 三阶交调截点（OIP3）：在增益为23.5 dB且输出功率（(P_{OUT})）为16.5 dBm per tone时，典型值为31 dBm，保证了信号的线性度。

2.4 其他特性

• 内置功率检测器：可用于监测输出功率，方便工程师进行功率控制和调整。
• 内置包络检测器：用于LO归零，有助于提高整体RF性能，特别是LO到RF的抑制。
• 封装形式：采用完全集成的表面贴装、50引脚、16.00 mm × 14.00 mm的LGA_CAV封装，便于安装和集成。

三、工作原理

3.1 混频器和LO路径

第一功能块是由6倍LO乘法器驱动的砷化镓（GaAs）I/Q上变频器。6倍乘法器允许使用13.4 GHz至14.6 GHz的较低频率范围LO输入信号，通过3倍和2倍乘法器级联实现。LO路径经过正交分离器和片上巴伦，驱动I和Q混频器核心，混频器核心由单平衡无源混频器组成，I和Q混频器的RF输出通过片上威尔金森功率合成器求和。

3.2 包络检测器、VGA和功率检测器

VGA利用多个增益级和交错电压可变衰减级形成低噪声、高线性度的可变增益放大器。第一级是低噪声前置放大器，部分信号被耦合出来并进一步放大后驱动片上包络检测器，包络检测器输出与输入信号的峰值包络功率成正比。在信号路径中，前置放大器后接第一个电压可变衰减器，然后是第二级放大器提供额外增益和隔离，再驱动第二个可变衰减器块，之后是三个级联增益级。在第二级输出，另一个耦合器提取一小部分输出信号，用于外部监测输出功率，同时包含匹配参考二极管（DET1）以校正检测器温度依赖性。

3.3 功率放大器和功率检测器

功率放大器使用四个级联增益级构成，在最后一级输出，耦合器提取一小部分输出信号，用于外部监测输出功率，同样包含匹配参考二极管（DET2）以校正检测器温度依赖性。

四、应用信息

4.1 上电偏置序列

由于ADMV7320功能块使用有源多放大器和乘法器级，且采用耗尽型伪晶高电子迁移率晶体管（pHEMTs），为避免晶体管损坏，需遵循特定的上电偏置序列，且在设备上电前不要在LO或IF端口施加RF功率。具体步骤如下：

1. 对VG_MULT、VG_AMP、VGA_VG12、VGA_VG345、VGA_VG6、PA_VG1和PA_VG2施加 - 2 V偏置。
2. 对VG_MIXER施加 - 1 V偏置。
3. 对VGA_CTL12施加 - 5 V（最小衰减）至 - 1 V（最大衰减）的偏置。
4. 对VD_MULT施加1.5 V偏置。
5. 对VD_AMP、VGA_VD12、VGA_VD345、VGA_VD6、PA_VD1、PA_VD2、DET1_REF_BIAS、DET1_OUT_BIAS、DET2_REF_BIAS和DET2_OUT_BIAS施加4 V偏置。
6. 在 - 2 V至0 V之间调整VG_AMP，使总IVD_AMP电流达到175 mA。
7. 在 - 2 V至0 V之间调整VGA_VG12，使总IVGA_VD12电流达到35 mA。
8. 在 - 2 V至0 V之间调整VGA_VG345和VGA_VG6，使总IVGA_VD345和IVGA_VD6电流达到215 mA。
9. 在 - 2 V至0 V之间调整PA_VG1，使总IPA_VD1电流达到400 mA。
10. 在 - 2 V至0 V之间调整PA_VG2，使总IPA_VD2电流达到400 mA。
11. 在LO端口施加LO输入信号，并在 - 2 V至0 V之间调整VG_MULT，使总IVD_MULT电流达到80 mA。

4.2 下电偏置序列

下电时，按以下步骤操作：

1. 按应用电路对VD_MULT、VD_AMP、VGA_VD12、VGA_VD345、VGA_VD6、PA_VD1、PA_VD2、DET1_REF_BIAS、DET1_OUT_BIAS、DET2_REF_BIAS和DET2_OUT_BIAS电源电压施加0 V偏置。
2. 对VGA_CTL12施加0 V偏置。
3. 对VG_MIXER施加0 V偏置。
4. 对VG_MULT、VG_AMP、VGA_VG12、VGA_VG345、VGA_VG6、PA_VG1和PA_VG2施加0 V偏置。

4.3 LO归零

为实现最佳整体RF性能，特别是LO到RF的抑制，需要进行LO归零。通过在IF_IN、IF_IP、IF_QN和IF_QP端口施加 - 0.2 V至 + 0.2 V的直流电压（VDC），可在RF频段内将RFOUT端口的6倍LO信号抑制约40 dBc。具体归零序列如下：

1. 在 - 0.2 V至 + 0.2 V之间调整IF_IN VDC，监测RFOUT端口的6倍LO泄漏，达到期望或最大抑制水平后，进入步骤2。
2. 在 - 0.2 V至 + 0.2 V之间调整IF_IP VDC，监测RFOUT端口的6倍LO泄漏，达到期望或最大抑制水平后，进入步骤3。
3. 在 - 0.2 V至 + 0.2 V之间调整IF_QN VDC输入，监测RFOUT端口的6倍LO泄漏，达到期望或最大抑制水平后，进入步骤4。
4. 在 - 0.2 V至 + 0.2 V之间调整IF_QP VDC，监测RFOUT端口的6倍LO泄漏，达到期望或最大抑制水平后，进入步骤5。
5. 如果RFOUT端口的6倍LO信号仍未达到期望水平，通过重复步骤1至4进一步调整每个端口的直流电压，输入直流电压变化的分辨率必须在毫伏级。
6. 为确保混频器核心在LO归零过程中不损坏，将IF_IN、IF_IP、IF_QN和IF_QP的每个电流限制在3 mA。
7. 当输入LO频率变化、温度变化或进行增益调谐顺序1时，必须进行LO归零，因为抑制水平会随这些条件变化。

4.4 增益调谐程序

ADMV7320提供三种不同的机制来控制发射机的总增益：

• 机制一：通过VGA_CTL12引脚进行可变增益控制，电压控制范围为 - 5 V至 - 1 V，可实现最大和最小增益。
• 机制二：通过VGA_VG345和VGA_VG6引脚降低IVGA_VD345和IVGA_VD6的电流消耗，从标称的VGA_VG345 + VGA_VG6电压调整，以实现标称的IVGA_VD12 + IVGA_VD345 + IVGA_VD6电流消耗。
• 机制三：通过PA_VG1引脚降低IPA_VD1的电流消耗，从标称的PA_VG1电压调整，以实现标称的IPA_VD1 + IPA_VD2电流消耗。

具体的增益设置可参考下表：	增益调谐顺序	增益降低范围（dB）	增益调谐	推荐增益调谐电压范围（V）	增益调谐程序描述
1	0 - 10	VGA_CTL12	- 5 to - 1	要实现最大增益，将VGA_CTL12设置为 - 5 V。要实现0 dB至10 dB的增益降低，将VGA_CTL12在 - 5 V至 - 1 V之间调整（ - 1 V是VGA的典型最小增益）。对于这两种情况，遵循工作原理部分的偏置程序将ADMV7320偏置到正常工作电流。
2	10 - 25	VGA_VG345 + VGA_VG6	- 2 to 0	要实现大于10 dB至25 dB的增益降低，将VGA_CTL12在 - 5 V至 - 1 V之间调整。如果在进行增益调谐顺序1后需要进一步降低增益以实现25 dB的增益降低，通过在 - 2 V至0 V之间调整VGA_VG345 + VGA_VG6来降低IVGA_VD345 + IVGA_VD6，使总电流消耗降至45 mA（标称的IVGA_VD345 + IVGA_VD6为215 mA）。
3	25 - 40	PA_VG1	- 2 to 0	要实现大于25 dB至40 dB的增益降低，将VGA_CTL12调整为 - 1 V，并根据增益调谐顺序2将IVGA_VD345 + IVGA_VD6的总电流消耗在200 mA至45 mA之间调整。如果在进行增益调谐顺序2后需要进一步降低增益以实现40 dB的增益降低，通过在 - 2 V至0 V之间调整PA_VG1来降低IPA_VD1，使总电流消耗不低于100 mA（标称的IPA_VD1为400 mA）。

五、布局建议

将ADMV7320底面的暴露焊盘焊接到低热阻和低电阻的接地平面上，通常将该焊盘焊接到阻焊层的暴露开口处，并将这些接地过孔连接到所有其他接地层，以最大程度地提高设备封装的散热性能。同时，可参考推荐的机械布局和PCB焊盘图案足迹进行设计。

六、总结

ADMV7320凭借其出色的性能和丰富的功能，为E - Band通信系统、高容量无线回传、测试与测量、航空航天和国防等应用提供了可靠的解决方案。工程师们在使用过程中，需严格遵循上电和下电偏置序列、LO归零和增益调谐程序等操作，同时注意布局设计，以充分发挥该产品的优势。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。