LTC5593：2.3GHz - 4.5GHz 高动态范围下变频混频器的设计与应用

在当今的无线通信领域，高动态范围下变频混频器的需求日益增长。LTC5593 作为一款出色的双路 2.3GHz 至 4.5GHz 高动态范围下变频混频器，为工程师们提供了强大的解决方案。下面，我们就来深入了解一下 LTC5593 的特性、应用及相关设计要点。

文件下载：DC1710A-D.pdf

一、LTC5593 概述

产品定位

演示电路 1710A - D 采用了 LTC5593 混频器，它属于双信道高动态范围、高增益下变频混频器家族，覆盖 600MHz 至 4.5GHz 频率范围，尤其针对 2.3GHz 至 4.5GHz 的 RF 应用进行了优化。其 LO 频率需在 2.1GHz 至 4.2GHz 范围内以实现最佳性能，典型应用包括 2.3GHz 至 2.7GHz RF 输入的 LTE 或 WiMAX 多信道或分集接收机。

性能优势

LTC5593 的高转换增益和高动态范围，使得在高选择性接收机设计中能够使用有损耗的 IF 滤波器，同时最大程度降低了总体解决方案成本、电路板空间和系统级变化。

二、相关参数及特性

绝对最大额定值

参数	数值
电源电压 (VCC)	4.0V
IF 电源电压 (VCCIF)	5.5V
使能电压 (ENA, ENB)	- 0.3V 至 VCC + 0.3V
偏置调整电压 (IFBA, IFBB)	- 0.3V 至 VCC + 0.3V
功率选择电压 (ISEL)	- 0.3V 至 VCC + 0.3V
LO 输入功率 (1GHz 至 3GHz)	9dBm
RFA, RFB 输入功率 (1GHz 至 3GHz)	15dBm
工作温度范围	- 40°C 至 105°C

电源电压斜坡

快速的电源电压斜坡可能会在内部 ESD 保护电路中导致电流毛刺，根据电源电感的不同，这可能会导致电源电压瞬变超过最大额定值。因此，建议电源电压斜坡时间大于 1ms。在操作时，不要将带电测试线直接夹在演示电路的 VCC 和 VCCIF 端子上，应在电源关闭时进行所有必要的连接，然后再将电压升高到工作电压。

使能功能

LTC5593 的两个混频器通道可以独立启用或禁用。当使能电压 (ENA 或 ENB) 为逻辑高（>2.5V）时，相应的混频器通道启用；当使能电压为逻辑低（<0.3V）时，混频器通道禁用。使能引脚的电压不应低于 - 0.3V 或超过电源电压 0.3V 以上，并且必须拉高或拉低，否则 IC 的开/关状态将不确定。

低电流模式

LTC5593 具有低电流模式，当可以接受较低的 RF 性能时，可实现 37% 的总功率节省。当 ISEL 电压为逻辑低（<0.3V）时，两个混频器通道以标称直流电流运行并实现最佳性能；当 ISEL 电压为逻辑高（>2.5V）时，两个混频器通道处于低电流模式，性能会有所降低。ISEL 引脚的电压要求与使能引脚类似，也必须拉高或拉低。

三、端口特性

RF 输入

演示电路 1710A - D 的通道 A 和通道 B 的 RF 输入相同。为使 RF 输入匹配，必须施加适当的 LO 信号。RF 输入阻抗取决于 LO 频率，当施加 2.1GHz 至 4.2GHz 的 LO 信号时，演示电路 1710A - D 的 RF 输入在 2.3GHz 至 4.5GHz 范围内与 50Ω 良好匹配，回波损耗优于 12dB。

LO 输入

演示电路 1710A - D 的 LO 输入在 2.1GHz 至 3.4GHz 范围内与 50Ω 良好匹配，回波损耗优于 12dB。对于 3.4GHz 至 3.8GHz 的 LO 频率，使用 (C2 = 0.6pF) 和 (L4 = 10nH) 可实现良好匹配。LTC5593 的 LO 放大器针对 2.1GHz 至 4.2GHz 的 LO 频率范围进行了优化，超出此范围使用时性能会下降。LO 输入在芯片施加 VCC 时始终与 50Ω 匹配，即使一个或两个通道被禁用。标称 LO 输入电平为 0dBm，LO 输入功率范围在 - 4dBm 至 6dBm 之间。

IF 输出

演示电路 1710A - D 具有单端、50Ω 匹配的 190MHz IF 输出，通道 A 和通道 B 的 IF 输出相同，通过使用 IF 的带通拓扑实现阻抗匹配。通过简单更换电感器 L1A、L2A、L1B 和 L2B，可轻松将演示电路 1710A - D 重新配置为其他 IF 频率。

IF 频率 (MHz)	L1A, L2A, L1B, L2B (nH)
140	270
190	150
240	100
300	56
380	33
470	22

四、测量设备及设置

测量设备要求

对 LTC5593 进行性能测量时，其准确性高度依赖于设备设置和测量技术。建议使用以下设备：

1. 高性能信号发生器：如罗德与施瓦茨 SME06，具有低谐波输出和低相位噪声，还可在信号发生器输出端使用滤波器抑制高阶谐波。
2. 高品质 RF 功率合成器：如 MCLI PS2 - 17，能在所有端口提供宽带 50Ω 端接，并具有良好的端口间隔离。
3. 高性能放大器：如 MiniCircuits ZHL - 1042J，具有高 IP3 和高反向隔离，用于 RF 信号发生器输出端，提高源隔离，防止源相互调制并产生互调产物。
4. 衰减器垫：在演示电路的输入和输出端口使用具有良好 VSWR 的衰减器垫，改善源和负载匹配，减少反射，提高测量准确性。
5. 高动态范围频谱分析仪：如罗德与施瓦茨 FSEM30，用于线性度测量。
6. 窄分辨率带宽 (RBW) 和视频平均：在频谱分析仪上使用窄 RBW 并启用视频平均，降低显示平均噪声电平 (DANL)，提高灵敏度和动态范围，但会增加扫描时间。
7. 避免频谱分析仪过载：频谱分析仪输入滤波器或预选器的输入约为 - 30dBm 时性能最佳，应使用足够的输入衰减以避免仪器饱和，但过多衰减会降低灵敏度和动态范围。

测量前系统评估

在进行测量前，应评估系统性能，确保：

1. 能产生干净的输入信号，双音信号的 OIP3 应比被测设备的 IIP3 至少好 15dB。
2. 频谱分析仪的内部失真最小化。
3. 频谱分析仪具有足够的动态范围和灵敏度，测量系统的 IIP3 应比被测设备的 OIP3 至少好 15dB。
4. 系统的功率和频率校准准确。

五、快速启动程序

回波损耗测量

1. 配置网络分析仪进行回波损耗测量，设置适当的频率范围，将测试信号设置为 - 3dBm。
2. 校准网络分析仪。
3. 关闭信号发生器和直流电源，按图 5 连接所有测试设备。
4. 将直流电源电压升高到 3.3V，验证总电流消耗是否接近典型演示电路性能总结中的数值，在演示板的 VCC、VCCIF 和 GND 端子确认电源电压，以考虑引线欧姆损耗。
5. 施加 LO 信号，将所有未使用的演示板端口端接 50Ω，测量 RFA 输入和 IFA 输出端口的回波损耗。
6. 将测试信号设置为 0dBm，重新校准网络分析仪。
7. 将所有未使用的演示板端口端接 50Ω，测量 LO 输入端口的回波损耗。

RF 性能测量

1. 关闭信号发生器和直流电源，按图 6 连接所有测试设备。
2. 将直流电源电压升高到 3.3V，验证总电流消耗，确认电源电压。
3. 设置 LO 源（信号发生器 1）向演示板 LO 输入端口提供 0dBm 的 CW 信号，频率为适当的 LO 频率。
4. 设置 RF 源（信号发生器 2 和 3）向演示板 RFA 输入端口提供两个 - 3dBm 的 CW 信号，频率间隔 2MHz，频率为适当的 RF 频率。
5. 在频谱分析仪上测量 IFA 输出：
   • 对于低端 LO，所需的双音 IF 输出信号为 (f{IF1}=f{RF1}-f{LO}) 和 (f{IF2}=f{RF2}-f{LO})；对于高端 LO，为 (f{IF1}=f{LO}-f{RF1}) 和 (f{IF2}=f{LO}-f{RF2})。
   • 最接近所需 IF 信号的三阶互调产物用于计算输入三阶截点：
     • 对于低端 LO，(f{IM3,1}=f{RF1}-f{LO}-Delta{IF}) 和 (f{IM3,2}=f{RF2}-f{LO}+Delta{IF})；对于高端 LO，(f{IM3,1}=f{LO}-f{RF1}+Delta{IF}) 和 (f{IM3,2}=f{LO}-f{RF2}-Delta{IF})，其中 (Delta{IF}=f{RF2}-f_{RF1})。
6. 计算输入三阶截点：(IIP3 = (Delta{IM3}) / 2 + P{RF})，其中 (Delta{IM3}=P{IF}-P{IM3})，(P{IF}) 是 (f{IF1}) 或 (IF2) 处的最低 IF 输出信号功率，(P{IM3}) 是 (f{IM3,1}) 或 (f{IM3,2}) 处的最高三阶互调产物功率，(P_{RF}) 是单音 RF 输入功率。
7. 关闭一个 RF 信号发生器，测量转换增益、RF 到 IF 隔离、LO 到 IF 泄漏和输入 1dB 压缩点。

噪声系数测量

1. 配置并校准噪声系数仪进行混频器测量。
2. 关闭信号发生器和直流电源，按图 7 连接所有测试设备。
3. 将直流电源电压升高到 3.3V，验证总电流消耗，确认电源电压。
4. 测量单边带噪声系数。

六、RF 端接注意事项

LTC5593 由高线性度无源双平衡混频器核心和 IF 缓冲放大器组成。由于所有无源混频器的双向特性，LO±IF 混频产物始终存在于 RF 输入处，通常比 RF 输入信号低 12dB。如果 LO±IF “伪镜像杂散” 未正确端接，可能会干扰源信号，显著降低测量的线性度和噪声系数。为避免干扰，应使用隔离器、双工器或衰减器端接 RF 输入端口。在推荐的测量设置中，演示电路 RF 输入处的 6dB 衰减器垫就起到了这个作用。

通过以上对 LTC5593 的详细介绍，电子工程师们可以更好地了解其特性和应用，在实际设计中充分发挥其优势。你在使用 LTC5593 过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。