集成RF混頻器與無(wú)源混頻器方案的性能比較

摘要：本應(yīng)用筆記比較了集成RF混頻器與無(wú)源混頻器方案的整體性能，論述了兩種方案的主要特征，并指出集成方案相對(duì)于無(wú)源方案的主要優(yōu)點(diǎn)。

過(guò)去，RF研發(fā)人員在高性能接收器設(shè)計(jì)中使用無(wú)源下變頻混頻器取得了較好的整體線性指標(biāo)和雜散指標(biāo)。但在這些設(shè)計(jì)中使用分立的無(wú)源混頻器也存在一些缺點(diǎn)。

為了達(dá)到接收器整體噪聲系數(shù)的指標(biāo)要求，需要在射頻(RF)增益級(jí)或中頻(IF)增益級(jí)補(bǔ)償無(wú)源混頻器的插入損耗。與集成混頻器相比，使用無(wú)源混頻器時(shí)，用戶不僅要考慮其輸入三階截點(diǎn)(IIP3)，還要考慮輸出三階截點(diǎn)(OIP3)。無(wú)源混頻器的二階線性指標(biāo)一般都比集成平衡混頻器的差，而該指標(biāo)在考慮接收器的半中頻雜散性能時(shí)非常重要。由于混頻器的線性度與本振驅(qū)動(dòng)電平直接相關(guān)，所以必須產(chǎn)生相當(dāng)大的本振注入，然后通過(guò)PCB布線饋入無(wú)源混頻器的本振端口。此外，還需要外部RF放大級(jí)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行放大，使整個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)本振輻射和干擾非常敏感。由于無(wú)源混頻器是一個(gè)全分立方案，成本更高、PCB尺寸更大，由于分立元件之間的偏差也會(huì)導(dǎo)致性能上的差異。

集成(或有源)混頻器設(shè)計(jì)可以獲得與無(wú)源混頻器相媲美的性能，因而備受歡迎。集成混頻器包含一個(gè)真正的平衡混頻器(Gilbert單元)或帶有中頻放大的無(wú)源混頻器，借助增益補(bǔ)償了損耗。由于集成混頻器具有增益級(jí)，不再像無(wú)源混頻器那樣需要外部中頻放大器補(bǔ)償損耗。對(duì)于噪聲系數(shù)指標(biāo)非常好的集成混頻器，如Maxim的MAX9993、MAX9981和MAX9982，在混頻電路前端需要較小的RF增益，從而改善了接收器的整體線性指標(biāo)。值得強(qiáng)調(diào)的是，如果通過(guò)在混頻器前端提高增益來(lái)改善串聯(lián)噪聲系數(shù)，也必須提高混頻器的線性度，以保持接收器的整體線性指標(biāo)。Maxim的MAX9993、MAX9981和MAX9982混頻器還包括有本振(LO)驅(qū)動(dòng)電路。

Maxim的MAX9993高線性度下變頻混頻器具有圖1所示功能：


圖1. MAX9993等效電路

MAX9993在PCS和UMTS頻帶的指標(biāo)如下：

• 變頻增益 = 8.5dB
• 噪聲系數(shù) = 9.5dB
• 三階輸入截點(diǎn)(IIP3) = +23.5dBm
• 三階輸出截點(diǎn)(OIP3) = +32dBm
• 二階輸入截點(diǎn)(IIP2) = +60dBm
• 二階輸出截點(diǎn)(OIP2) = +68.5dBm
• 低本振驅(qū)動(dòng)電平：0到+6dBm
• 兩路開關(guān)(SPDT)為GSM應(yīng)用選擇LO輸入(本振開關(guān)在無(wú)切換應(yīng)用重，如cdma2000?，選擇固定本振信號(hào))

圖2所示是一個(gè)無(wú)源混頻器、中頻放大器和LO放大器組成的分立方案。圖中使用了單端元件，其二階線性度與Maxim的集成混頻器相比較差。從集成RF混頻器的數(shù)據(jù)資料看，為了與Maxim的集成混頻器進(jìn)行比較，RF電路設(shè)計(jì)人員必須在無(wú)源設(shè)計(jì)中考慮各個(gè)分立元件的等效串聯(lián)特性。例如，設(shè)計(jì)人員不僅要注意無(wú)源混頻器的三階輸入截點(diǎn)，而且要考慮它的三階輸出截點(diǎn)和包括中頻放大級(jí)在內(nèi)的整體系統(tǒng)響應(yīng)。此外，設(shè)計(jì)者還必須計(jì)算無(wú)源混頻器方案的等效增益和噪聲系數(shù)，并將結(jié)果與集成混頻器參數(shù)進(jìn)行比較。


圖2. 分立混頻器/中頻放大器

對(duì)每級(jí)電路都使用了以下符號(hào)：
G = 變頻功率增益
NF = 噪聲系數(shù)
IIP3 = 輸入三階截點(diǎn)
OIP3 = 輸出三階截點(diǎn)

實(shí)例
參照?qǐng)D2，計(jì)算中頻放大器參數(shù)，得到與MAX9993增益、噪聲系數(shù)和三階截點(diǎn)性能相當(dāng)?shù)恼w串聯(lián)響應(yīng)。假定Mini-Circuits? HJK-19MH無(wú)源混頻器用于PCS和UMTS頻帶，給定參數(shù)為：

G₁ = -7.5dB
NF₁ = 7.5dB (假設(shè))
IIP3₁ = +29dBm
OIP3₁ = IIP3₁ + G₁ = +21.5dBm

將MAX9993的典型指標(biāo)作為PCS和UMTS頻帶的典型參數(shù)：
Gsys = 系統(tǒng)總增益 = +8.5dB
NFsys = 系統(tǒng)噪聲系數(shù) = 9.5dB
IIP3sys = 系統(tǒng)輸入三階截點(diǎn) = +23.5dBm
OIP3sys = 系統(tǒng)輸出三階截點(diǎn) = +32dBm

所需中頻放大器增益：
由下式確定中頻放大器的增益：
Gsys = 8.5dB

= +33.5dBm

串聯(lián)結(jié)果
圖3總結(jié)了等效的串聯(lián)參數(shù)：


圖3. 無(wú)源混頻器與中頻放大器的串聯(lián)響應(yīng)

由計(jì)算所得的中頻放大器參數(shù)可知，要找到一個(gè)具有16dB增益和2dB噪聲系數(shù)的中頻放大器非常困難，而且使用該分立方案不能達(dá)到MAX9993所具備的二階線性指標(biāo)。另外，還至少需要一個(gè)或兩個(gè)外部本振放大器，以產(chǎn)生Mini-Circuits HJK-19MH混頻器所要求的+13dBm本振驅(qū)動(dòng)電平。

結(jié)論
設(shè)計(jì)接收機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)人員在選擇集成混頻器方案時(shí)會(huì)顧及到計(jì)算分立方案的等效串聯(lián)指標(biāo)，而后將其與Maxim的集成混頻器比較。本文明確給出了集成混頻器方案與分立混頻器方案相比所具備的優(yōu)點(diǎn)。比較兩種方案時(shí)，必須考慮的重要參數(shù)包括：變頻增益、噪聲系數(shù)和線性度(主要是二階和三階)。本應(yīng)用筆記也給出了計(jì)算串聯(lián)參數(shù)的正確方法。