AD8348：50 MHz至1000 MHz正交解调器的卓越性能与应用

在通信接收机的设计中，正交解调器起着至关重要的作用。今天我们要深入探讨的是Analog Devices公司的AD8348正交解调器，它在50 MHz至1000 MHz的中频范围内展现出了卓越的性能。

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一、AD8348的特性亮点

1. 集成设计

AD8348集成了I/Q解调器、中频可变增益放大器（VGA）和基带放大器。这种集成设计不仅减少了外部元件的使用，还提高了系统的可靠性和稳定性。例如，在一些对空间要求较高的通信设备中，集成化的设计可以大大节省电路板的空间。

2. 宽频带工作

其工作中频范围为50 MHz至1000 MHz，3 dB中频带宽可达500 MHz（驱动源 (R_{s}=200 Omega) ），解调带宽为75 MHz。这使得它能够适应多种不同频率的通信信号处理需求，无论是在无线通信还是其他领域都有广泛的应用。

3. 出色的增益控制

线性分贝AGC范围达到44 dB，能够在不同的信号强度下保持稳定的增益。在不同增益设置下，其三阶截点IIP3表现也很出色，在最小增益时（(F{IF}=380 MHz) ）IIP3为 +28 dBm，最大增益时（(F{IF}=380 MHz) ）IIP3为 -8 dBm。这意味着它能够有效处理强信号和弱信号，减少信号失真。

4. 高精度解调

正交解调精度方面，相位精度为0.5°，幅度平衡为0.25 dB。如此高精度的解调能力，能够确保信号在解调过程中的准确性，对于一些对信号质量要求较高的应用场景，如QAM/QPSK解调等，具有重要意义。

5. 低噪声与低功耗

噪声系数在最大增益时（(F_{IF}=380 MHz) ）为11 dB，这有助于提高系统的信噪比。同时，它支持单电源2.7 V至5.5 V供电，还具备掉电模式，能够有效降低功耗，延长设备的续航时间。

6. 紧凑封装

采用28引脚的TSSOP封装，体积小巧，方便在各种电路板上进行布局。

二、工作原理剖析

1. VGA部分

VGA采用了专利的X - AMP架构。单端中频信号通过无源R - 2R梯形网络以8个离散的6 dB步长进行衰减，每个衰减后的信号被输入到跨导级。所有跨导级的电流输出相加，驱动VGA输出端的电阻负载。通过温度补偿插值电路平滑地开启和关闭相关跨导级，实现增益控制，增益可在44 dB范围内连续变化，且增益控制呈线性分贝特性。这种设计使得增益设置过程中相对动态范围保持恒定，但绝对互调截点和噪声系数会随增益直接变化。模拟电压VGIN用于设置增益，(VGIN = 0.2 V) 为最大增益设置，(VGIN = 1.2 V) 为最小电压增益设置。

2. 下变频混频器

VGA的输出驱动两个（I和Q）双平衡吉尔伯特单元下变频混频器。也可以通过将ENVG引脚置低来禁用VGA，直接通过MXIP和MXIN端口外部驱动混频器。在混频器输入处，退化差分对进行线性电压 - 电流转换，差分输出电流进入混频器核心，通过吉尔伯特单元的混频作用进行下变频。相位分离器提供正交LO信号，驱动同相和正交混频器的LO端口。混频器输出端的缓冲器驱动IMXO和QMXO引脚，这些缓冲器具有线性、低输出阻抗的特点，驱动每个输出引脚串联的40 Ω温度稳定无源电阻。VCMO引脚设置缓冲器的直流输出电平，可以外部设置或连接到片上1.0 V参考电压VREF。

3. 相位分离器

采用二分频频率分频器实现正交生成。与在有限频率范围内实现正交的多相滤波器不同，二分频方法在宽频率范围内保持正交，且不会衰减LO信号。用户需要提供一个外部信号XLO，其频率是所需LO频率的两倍。XLO驱动两个触发器的时钟输入，将频率分频为原来的一半。两个触发器的输出相位相差XLO的半个周期，相当于所需LO频率的四分之一周期（90°）。由于XLO上的转换定义了输出的相位差，偏离50%占空比会直接导致正交相位误差。如果用户从1×频率（(f{REF}) ）和倍频电路（(XLO = 2 × f{REF}) ）生成XLO，从根本上来说，(f_{REF}) 和AD8348内部正交LO之间存在180°的相位不确定性，但I和Q LO之间的相位关系始终为90°。

4. I/Q基带放大器

提供两个（I和Q）固定增益（20 dB）的单端转差分放大器，用于在片外滤波后放大解调信号。放大器使用电压反馈来线性化解调带宽内的增益，可用于最大化AD8348后续ADC输入的动态范围。基带放大器的输入IAIN（QAIN）连接到一个输入阻抗约为50 kΩ的双极晶体管的基极，放大器检测IAIN（QAIN）和VCMO之间的单端差。IAIN（QAIN）可以通过与VCMO连接的并联电阻进行直流偏置，例如在IMXO（QMXO）和IAIN（QAIN）之间插入外部滤波器时。或者，任何与IMXO（QXMO）的直流连接都可以通过失调消除环路提供适当的偏置。

5. 使能与基带失调消除

通过ENBL引脚可以控制芯片的偏置。如果ENBL引脚保持低电平，整个芯片进入低功耗睡眠模式，在5 V电源下通常消耗75 μA电流。基带失调消除通过一个低输出电流积分器实现，该积分器检测IOPP和IOPN（QOPP和QOPN）的输出电压失调，并向信号路径注入消除电流。失调消除环路的积分时间常数由从IOFS（QOFS）到VCMO的电容COFS设置，形成基带信号路径的高通响应，其3 dB下限频率为 [f{PASS}=frac{1}{2 pi × 2650 Omega × COFS}] 。用户也可以通过数字 - 模拟转换器或其他电压源驱动IOFS（QOFS）来外部调整直流失调，此时基带电路可以工作到直流（(f{PASS} = 0 Hz) ）。积分器输出电流仅为50 μA，可以很容易地被外部电压源覆盖。为防止反馈环路振荡，IOFS（QOFS）引脚必须连接到旁路电容（(>0.1 μF) ）或外部电压源。如果在混频器输出和基带放大器输入之间放置交流耦合基带滤波器，反馈环路在直流处会断开，用户必须通过外部方式处理失调补偿。

三、应用场景

1. 调制解调应用

适用于QAM/QPSK解调，能够准确地将调制信号解调出原始信息。在无线通信系统中，如W - CDMA/CDMA/GSM/NADC等，AD8348可以有效地处理这些通信标准中的信号调制和解调过程，确保信号的准确传输和接收。

2. 无线接入应用

在无线本地环路（WLL）和本地多点分配系统（LMDS）中，AD8348可以作为关键的解调部件，帮助实现无线信号的高效传输和处理。

四、基本连接与配置

1. 电源供应

AD8348的电源电压范围为2.7 V至5.5 V，应将电源提供给 +VPOSx引脚，将地连接到COMx引脚。每个电源引脚应使用两个推荐值为100 pF和0.1 μF的电容器进行单独去耦。

2. 设备使能

将ENBL引脚驱动到 (V_{S}) 可以使能设备，将ENBL引脚接地则禁用设备。

3. VGA使能

将ENVG引脚的电压驱动到 (V_{S}) 可以使能VGA，此时MX输入被禁用，使用IF输入；将ENVG引脚接地则禁用VGA和IF输入，此时应使用MX输入。

4. 增益控制

当VGA使能时，施加到VGIN引脚的电压设置增益。增益控制电压范围为0.2 V至1.2 V，对应增益范围为 +25.5 dB至 -18.5 dB。

5. LO输入

为获得最佳性能，本地振荡器端口应通过巴伦进行差分驱动，推荐的巴伦是M/A - COM ETC1 - 1 - 13。LO输入应进行交流耦合，除非使用交流耦合变压器。为了与50 Ω源进行宽带匹配，应在LOIP和LION引脚之间放置一个60.4 Ω的电阻。也可以从单端源驱动LO端口，但会增加正交相位误差和LO泄漏。推荐的LO驱动电平为 -12 dBm至0 dBm，输入的LO频率应为混频器核心所需LO频率的两倍，应用的LO频率范围为100 MHz至2 GHz。

6. IF输入

IF输入的输入阻抗为200 Ω。可以通过使用最小损耗L型匹配网络为驱动源提供50 Ω的宽带匹配，但该匹配网络会在输入路径中引入11.46 dB的损耗，在计算增益和噪声系数等指标时必须考虑这一点。

7. MX输入

混频器输入MXIP和MXIN的标称阻抗为200 Ω，应进行差分驱动。如果从单端50 Ω源驱动MX输入，可以使用4:1巴伦将输入的200 Ω阻抗转换为50 Ω，同时进行单端到差分的转换，推荐的变压器是M/A - COM ETK4 - 2T。

8. 基带输出

基带放大器输出IOPP、IOPN、QOPP和QOPN应连接至少2 kΩ的负载（单端接地），它们不适合直接驱动50 Ω负载。这些输出的典型摆幅为2 V p - p差分（1 V p - p单端），但只要确保信号保持在输出摆幅的下限0.5 V和上限 (V_{s}-1 V) 之间，也可以实现更大的摆幅。为了实现更大的摆幅，需要调整基带输出信号的共模偏置，这有助于提高基带放大器输出的信噪比。在将基带输出连接到其他设备时，要注意避免输出被大约20 pF或更大的电容负载，否则可能会使输出过载或引发振荡。可以通过插入大约200 Ω的串联电阻来减轻电容负载对基带放大器输出的影响。

9. 输出直流偏置电平

混频器输出以及基带放大器输入和输出的直流偏置由施加到VCMO引脚的电压决定。在5 V电源下工作时，该电压范围通常为500 mV至4 V。为了从基带放大器获得最大电压摆幅，应将VCMO驱动到2.25 V，这样可以实现高达7 V p - p差分（3.5 V p - p单端）的摆幅。

10. 与检测器接口实现AGC操作

AD8348可以与如AD8362均方根 - 直流转换器等检测器接口，为基带输出提供自动信号电平控制功能。假设I和Q通道具有相同的均方根功率，可以将一个通道的混频器输出（或基带滤波器输出）用作AD8362的输入。AD8362应在其线性误差较小的区域工作，并且应使用一个外部电阻与AD8362输入的200 Ω输入阻抗串联实现分压器，以衰减AD8348混频器输出，避免AD8362输入过载。混频器输出和AD8362输入之间的电阻大小应选择为使AD8362输入的峰值信号电平比AD8362动态范围的约10 dBm最大值低约10 dB。AD8348基带输出的另一侧应连接一个电阻，其阻值等于与AD8362的200 Ω输入阻抗串联的衰减电阻的阻值，该电阻应连接到驱动VCMO的源，以避免从混频器输出吸取直流电流。可以通过改变输入到AD8362引脚11（VSET）的设定点电压来设置混频器输出（或基带滤波器输出）的电平。要注意确保感兴趣频段内的干扰信号（与所需信号一起解调的不需要的信号）不会主导AD8362输入的均方根功率，否则可能会导致混频器输出电平意外降低。可以通过实施基带滤波来滤除不需要的信号，然后再将信号输入到AD8362。

11. 基带滤波器

可以在混频器输出（IMXO和QMXO）和基带放大器输入之间方便地进行基带低通或带通滤波。要考虑混频器的输出阻抗（40 Ω）。例如，一个100 Ω、3 dB截止频率为20 MHz的四阶椭圆低通滤波器，源和负载阻抗约为100 Ω可以确保滤波器看到匹配的源和负载，同时也确保混频器输出驱动的总负载为200 Ω。注意分流终端电阻应连接到驱动VCMO的源，而不是接地，以确保基带放大器的输入偏置到适当的参考电平。VCMO不是输出引脚，必须由低阻抗源进行偏置。

12. LO生成

Analog Devices有一系列PLL可用于生成LO信号，如ADF4001、ADF4110等型号，它们具有不同的最大频率和相位噪声性能。此外，ADI还提供ADF4360完全集成的合成器和VCO单芯片，具有差分输出，可直接驱动AD8348的本地振荡器输入，用户可以省去用于单端到差分转换的巴伦。ADF4360有六个不同的工作频率范围可供选择。

五、评估板使用

AD8348评估板为工程师提供了一个方便的测试和验证平台。评估板由2.7 V至5.5 V的单电源供电，通过各种开关和跳线可以进行不同的配置。例如，通过SW11开关可以使能或禁用设备，通过SW12开关可以选择IF或MX输入，通过SW13开关可以选择使用电位器R15或外部电压设置增益。在使用评估板时，需要注意IF输入的衰减问题，以及MX输入的不同驱动方式。同时，评估板上还提供了各种测试点和SMA连接器，方便进行信号的输入和输出测试。

六、总结

AD8348正交解调器以其卓越的性能和丰富的功能，为通信接收机的设计提供了一个强大的解决方案。无论是在性能指标上，还是在应用灵活性上，都表现出色。在实际设计中，工程师可以根据具体的应用需求，合理配置和使用AD8348，以实现最佳的系统性能。大家在使用过程中，有没有遇到过一些特殊的问题呢？不妨在评论区分享一下。