现代通信系统的差分电路设计与性能分析

通信系统设计的主要挑战之一是以足够的保真度成功捕获信号。严格的标准规范要求正确的接口拓扑选择。用于蜂窝电话的通信标准的部署，例如码分多址（CDMA）和宽带CDMA，需要高动态范围，高输入线性度和低噪声，以避免阻塞，信号失真和灵敏度降低的影响。过去，由于实际应用问题，全差分信号链的性能优势被单端选项所击败。然而，集成RF电路技术的最新进展和可用高性能差分RF构建模块的扩展允许差分架构应用于高性能接收器设计。

图1：单端信号示例根据定义，单端信号是不平衡的，并且通过感兴趣的信号与恒定参考点（通常为地）之间的差异来测量，该参考点用作信号的返回路径。如果将误差源引入单端信号，则可能遇到问题。由于接地参考不受注入误差的影响，因此误差通过信号传递。在单端配置中，引入所需信号的任何变化在移除时都是有问题的，而不涉及过于复杂的消除技术。因此，单端或非平衡信号更容易产生噪声和干扰，例如电磁耦合干扰。另外，如下所示，不平衡配置比平衡电路具有更高的失真。

图2：差分信号示例。

差分信号由围绕参考移动的成对平衡信号组成指向相等但相反的幅度。复合差分信号对应于正和负平衡信号之间的差异。例如，从两个1 VP-P信号中，结果是2 VP-P的复合信号。在这种情况下，如果将误差源引入差分信号路径，则可能将其均等地添加到两个平衡信号中的每一个。由于返回路径不是恒定的参考点，一旦两个平衡信号分量的差异抵消了误差，差分信号将不受影响，误差通常在每个信号转换时的幅度相等。由于这个原因，平衡信号比不平衡信号更不容易产生噪声和干扰。此外，正如将要讨论的，平衡信号的失真低于单端电路。

图3：传统的接收器架构。

这里显示的是传统的超外差接收器的框图。无论拓扑结构，单端还是差分，系统目标都是成功地将所需信号传送到模数转换器进行数字化。信号路径由几个RF模块组成：天线，滤波器，低噪声放大器（LNA），混频器，ADC驱动放大器和ADC。

天线之后的第一个模块是LNA，其任务是放大信号高于热噪声。此阶段的放大至关重要，因为它将决定系统的灵敏度，并确保LNA之后的后续混频器和放大器不会显着增加本底噪声。在此过程中，有带通滤波器可抑制任何带外内容，并减少接收器级可能沿信号路径添加的失真或噪声。下一个块，即跟随LNA的混频器，频率转换感兴趣的信号，将高频RF信号下变频到更低，更易管理的中频（IF）。 ADC驱动放大器和抗混叠滤波器（AAF）准备由ADC进行数字化的信号。驱动器提供增益，AAF抑制ADC的第一个奈奎斯特区以外的任何区域，包括将传递到ADC输入的噪声，以及仍存在于信号路径中的带外杂散分量。最后，在模拟信号路径的末端，ADC执行数字化基带信息的功能。

图4：通信系统注意事项。

为了对比单端到差分，有一些系统级的性能指标，必须遵守这些指标才能设计出一个好的整体系统。已经提到了通信系统中普遍存在的一些关键考虑因素，但重要的是要有一个完整的视图。

什么是良好的无线电设计？根据应用和架构，性能规格会有所不同。然而，通常存在通信系统中普遍存在的常见考虑因素，例如失真，本底噪声和动态范围。此外，良好的灵敏度要求低本底噪声和低时钟相位噪声。高输入，三阶截取（IP3）和高1 dB压缩点（P1dB）对于输入信号电平处理能力至关重要。

有很多传输共享空气波。需要一个稳健的系统来处理所需的信号，该信号通常很小并且存在可能很大的其他干扰信号。因此，在稳健系统的设计中需要高灵敏度，输入线性度，良好的选择性以及对大附近信号的高抗噪性。其他考虑因素包括低成本，低功耗（特别是便携式设备）和紧凑的尺寸。

图5：差异优势。

使用差分信号链和单端信号链有几个优点;这里评论是最常见的。在输出转换方面，差分信号链与单端链相比具有优势。每个输出上的较低信号电压意味着可以实现更高的总信号电压。因此，与单端信号相比，可以实现相同的整体信号摆幅，并且功耗更低。由于更大的可用输出摆幅：可以实现更高的整体信号摆幅;可以实现相同的整体信号摆幅，但电源电压较低;并且可以降低功耗。

系统线性度也有好处。在极低失真应用中，与单端信号相比，电源的裕量可以增加两倍。差分系统中偶次谐波的固有消除意味着与奇次谐波相比，第2，第4，第6等谐波将非常低。重要的是要注意，不能实现完美的取消，但有明显的优势。差分架构还允许一些预失真技术来帮助减少奇次谐波。此外，对于相同的电源轨，输出1 dB压缩点（P1dB）和OIP3通常会提高约6 dB。最后，由于信号的返回路径不再通过接地，因此信号对接地噪声和干扰的敏感度较低，从而转换为具有改善的电源抑制比（PSRR）的更好的共模抑制比（CMRR）。此外，差分方法提供了对耦合电磁干扰（EMI）的更高抗扰度。

图6：不平衡信号与平衡信号。

这里显示的是两个与单端和差别方法。第一个图表示具有小的单侧输入信号的单端框图。蓝色信号说明了进入系统的任何类型的共模干扰。请注意，此蓝色干扰信号也会在输出端放大 - 它的放大程度与所需信号一样多。很难将所需信号与干扰信号分开。

差分框图显示了由两个极性相反的信号组成的所需信号，一个是正的，另一个是负的。在输入处引入的任何干扰在两个参考电平上都是相同的极性，如蓝色所示。尽管在每个输出处放大干扰信号，但是当观察复合信号时，两个差分信号之间的差异，所需信号加倍，并且干扰已被消除。虽然单端方法容易受到共模噪声，电源噪声或EMI的影响，但差分模块可以通过消除来抵抗这些干扰。

图7：偶数 - 除了共模干扰抗扰度之外，差分方法还具有偶次谐波的固有消除。这里显示的是对单端方法的回顾。非线性器件，在这种情况下是单端放大器，由功率系列扩展传递函数描述，并在其输入端提供正弦波。幂级数的扩展（底部的等式）揭示了一个常数与每个频率倍数，偶数和奇数相关联

图8：输出光谱图。

说明此等式可以更容易地显示其各种组件。表示基本信号的等式部分以灰色突出显示。表示二次和三次谐波的部分分别以粉色和绿色突出显示。功率系列的扩展表明，非零常数与每个频率倍数相关，偶数和奇数。很明显，单端非线性器件已经在整个频谱中产生了谐波，正如预期的那样。

图9：差分块的消除效应。

采取相同的方法观察差分方法的数学方法可以看出偶次谐波的固有消除，这种益处类似于前面讨论的共模干扰抗扰度。同样，非线性器件，在这种情况下是差分放大器模块，由功率系列扩展传递函数描述，并提供有一对极性相反的正弦波 - 这些表示器件输入端的差分信号。通过扩展，显示了差分块的消除效果。

图10：非线性器件的输出频谱。再次，说明这个等式可以更容易地显示其各种元件。功率系列的扩展表明，该系列中的所有偶次谐波都被相反幅度的对应物抵消。只有以灰色突出显示的基本信号和以绿色突出显示的三阶谐波具有非零贡献。在现实生活中，非理想器件无法实现完美的消除，但它们确实受益于较低的偶次谐波。

图11：驱动ADC的挑战。

通信系统设计的主要挑战之一是成功地将所需信号驱动到模数转换器中。此处显示的示例有助于说明差分信号链与单端信号链的优势。这里显示的三个主要模块是驱动放大器，抗混叠滤波器和模数转换器。足够的信号检测保真度需要适当的元件选择和接口的实现。

这里（图11）是两个例子，一个单端和一个差分。目标是捕获左侧信号传输的蓝色部分。在存在其他较大的干扰信号时，它是一个小信号。要捕获它，有必要考虑噪声，动态范围和ADC要求特定的其他因素。这对于仅提取感兴趣的信号并将其传递给ADC来说都是必需的。该接收器信号如右图所示;它已被放大并且阻塞器已被移除，仅留下信号的所需部分，以蓝色显示。

图12：通信的单端和差分信号链性能比较图12比较了通信系统接收器端的实际例子中的单端和差分信号链性能。第一个例子是单端方法，首先是单端IF驱动放大器，然后是单端抗混叠滤波器，然后由ADC输入端的变压器转换为差分信号。请注意，在许多情况下，单端方法被认为是被动方法，因为变压器用于将信号转换为差分ADC。

差分示例以变压器输出端的差分信号开始，差分ADC驱动放大器，后面是差分抗混叠滤波器，以及ADC的输入。差分方法称为有效，因为可以使用放大器进行转换。列出了每个组件的性能指标，但下图使用具有这些相同指标的信号链性能表来帮助分析级联系统性能并比较单端和差分方法。

图13 ：信号链性能表。

对于单端拓扑，使用级联噪声系数和IIP3的公式，可以计算输入参考RF性能。对于此示例，输入参考IIP3为18.8 dBm，噪声系数（NF）为11.4 dB。这导致5 MHz分析带宽的SFDR（无杂散动态范围）为76 dB。级联功率增益为14.7 dB，输入参考满量程为-10.7 dBm使用相同的公式来计算差分方法的输入参考RF性能，结果如下：输入参考IIP3为21.5 dBm，噪声系数为13.7 dB。这导致5 MHz分析带宽的SFDR为76.5 dB，级联功率增益为14 dB，输入参考满量程为-10 dBm。两种方法的数字非常相似。然而，有源差分方法具有更高的失真性能，噪声系数略高。此外，有源配置的无杂散动态范围更高。请记住，没有IF放大器，单端方法的输入参考满量程仅为6 dBm。还应注意，差分抗混叠滤波器将需要两倍于单端方法的串联元件。尽管如此，无源接口通常需要更多的电阻填充并且需要来自上游驱动器的更高输出功率，这通常意味着更高的电源电流。还要考虑单端驱动放大器往往具有更差的偶阶失真和CMRR和PSRR。因此，通过消除ADC驱动器，放大需求正在向上游移动。差分方法将是基于整体性能的逻辑选择。

图14：ADL5562的主要规格和功能。

ADL5562是利用偶数阶的器件示例取消差分方法以减少失真。它是一款高性能差分放大器，针对RF和IF应用进行了优化。该放大器具有2.1 nV/√Hz的低噪声和宽频率范围内的低失真性能，是高速8位至16位ADC的理想驱动器。 ADL5562通过引脚可绑定配置提供3 dB增益级别，分别为6 dB，12 dB和15.5 dB。如果在单端输入配置中使用，增益将降至5.6 dB，11.1 dB和14.1 dB。该器件针对宽带，低失真性能进行了优化。这些属性及其可调增益能力使其成为低失真，低噪声和低功耗至关重要的通用IF和宽带应用的理想选择。 ADL5562还针对压摆速度，带宽和宽带失真的良好组合进行了优化，可以驱动各种ADC，非常适合驱动混频器，pin二极管衰减器，SAW滤波器和多元件分立器件。 。

图15：ADL5562谐波失真图。

图15中的曲线图显示了ADL5562配置为单端和差分拓扑时产生的二次和三次谐波。虽然单端模式下的失真性能非常低，但在差分运算的偶数阶性能方面具有明显的优势。在单端模式下，ADL5562在100 MHz时具有-82 dBc的二阶谐波值。在差分操作中，器件具有较低的二阶谐波值，在相同频率下小于-100 dBc。此外，相同电源轨上的差分拓扑结构可以预期输出1 dB压缩点和OIP3的性能提高约6 dB。

图16：ADI公司的差分放大器产品组合。 》ADL5562是ADI公司广泛的差分放大器产品系列中的众多产品之一。无论是驱动差分输入ADC，还是通过长电缆长度发送和接收信号，ADI都有一个差分放大器来满足需求。放大器具有固定增益或三种基本类型的增益控制：电阻设置增益，串行和并行数字控制或引脚可绑定增益选择。

图17：AD8375/6的主要规格和AD8375是一款数字控制，可变增益宽带宽放大器，可提供精确的增益控制，高OIP3和低噪声系数。 AD8376是AD8375的双通道版本;两个VGA采用5 mm x 5 mm单封装。两者都具有出色的失真性能和高信号带宽，使其成为各种接收器应用的理想增益控制器件。这些VGA提供宽泛的24 dB增益范围，分辨率为1 dB。 AD8376采用先进的高速SiGe工艺，并采用专有的失真消除技术，在200 MHz时可实现50 dBm输出OIP3。

图18：不断发展的差分接收器架构。

接收器不断发展，越来越多地使用差分组件。这种演变始于ADC，并逐渐向信号链上升。过去，信号应用问题和有限的高性能差分RF构建模块可用性导致单端或部分差分信号链。如前所述，部分差分信号链的一个示例是设计人员选择省略差分ADC驱动器，并使用单端器件直至ADC的变压器。虽然这提供了一个简单的解决方案，但性能需求只是向上游推动。除了消耗更高功率之外，单端驱动放大器解决方案往往具有更差的偶次失真，CMRR和PSRR。

此处所示的接收器信号链是一种常用于具有单端RF输入和差分的接收器的架构输出。单端和差分操作之间的分界线似乎已经在混频器中得到了解决，其中诸如LNA的RF组件仍然作为单端组件提供。大多数SAW滤波器和混频器内核也是自然差分电路，但由于应用限制，它们会转换为单端。多年来，由于其高线性性能，已经采用双平衡混频器拓扑结构用于蜂窝应用。遗憾的是，传统的变压器网络用于将信号耦合到混频内核，以保持系统差分，消耗相当大的电路板空间并为设计增加了大量成本。

图19：ADL5355的主要规格和特点。结果集成RF电路技术的最新进展使得易于使用的RF模块的设计具有单端RF输入到差分IF输出。 ADI公司的ADL5355混频器是将单端RF输入混合到差分IF输出的器件示例。它允许在顽固的单端世界中保持固有的差异优势。 ADL5355框图显示所有三个内部混频器端口均为差分端口。为了便于使用，RF和LO端口使用变压器连接到外部世界，允许单端接口。相比之下，包括驱动放大器的IF输出端口是差分的，输出阻抗为200欧姆，以便于连接到差分SAW滤波器。 LO和RF平衡 - 不平衡转换器（平衡到非平衡变压器）的集成限制了器件的工作频率范围，需要一系列指定用于在蜂窝频率范围内工作的器件。结果，该器件的输入频率范围被限制在1200MHz至2500MHz的范围内，具有低侧LO;也就是说，LO频率始终小于RF频率。

图20：ADI公司高线性度接收器产品组合。

由于平衡 - 不平衡转换器的集成限制了混频器的工作频率，ADI提供覆盖流行频率的大型设备系列。请注意，图20表中的某些设备具有非常宽的频率范围。这些器件确实具有宽频率范围，但它们的LO和RF端口需要外部平衡 - 不平衡转换器才能获得最佳性能。

图21：无线电设计要求和差分优势。总之，差分性能优势是现代通信系统的必需品，其严格的标准规范要求在阻塞，信号失真和灵敏度降低的情况下实现无与伦比的性能。为了满足这一需求，不断发展的差分信号路径提供了高动态范围，高输入线性度和低噪声等优点。 ADI公司提供广泛的差分RF元件产品组合，这些产品是集成RF电路技术的进步所带来的。高性能差分RF构建模块的可用性越来越高，允许在最严格的无线蜂窝应用中将差分架构应用于高性能接收器设计。