Построение приемного тракта на базе микросхемы TE-RX1000

Введение

Одним из вариантов построения приемников является схема супергетеродинного приемника (рис. 1). Основными функциональными узлами (ФУ) тракта приемного устройства являются: малошумящий усилитель (МШУ), полоснопропускающий фильтр (ППФ), смеситель, усилитель гетеродина, усилитель промежуточной частоты (УПЧ), цифровой аттенюатор (ЦАТТ). В настоящее время для построения приемных и передающих трактов широко используют системы на кристалле (СнК). Такая микросхема может содержать несколько функциональных узлов, таких как смесители, аттенюаторы, усилители. Стоит отметить, что к СнК относятся любые монолитные интегральные схемы (МИС), имеющие в своем составе более одного из перечисленных ФУ, т. е. под определение понятия СнК попадает как целый приемо­передатчик, так и, к примеру, комбинация МШУ–смеситель, реализованные на одном кристалле. Для построения связных приемников S‑, C‑диапазона существует не так много широкополосных микросхем, содержащих в себе несколько ФУ, таких как смесители, аттенюаторы, усилители. Исключение составляют микросхемы для построения приемных устройств стандартов связи LTE, WiMax и др. Они работают в фиксированном диапазоне частот и не подходят для построения приемных устройств на других частотах.

Рис. 1. Структурная схема приемного устройства

В настоящее время в мире для построения СВЧ многофункциональных монолитных МИС используются следующие технологии:

• На основе GaAs и InP гетероструктурных транзисторов с высокой подвижностью электронов (англ. HEMT), а также гетеробиполярных транзисторов (англ. HBT).
• На базе GaN HEMT.
• SiGe BiCMOS, объединяющая биполярные и полевые CMOS-транзисторы.

В последнее время устройства все чаще реализуют в виде МИС на базе SiGe БиКМОП-технологий, которые имеют значительные преимущества при реализации устройств цифрового управления амплитудой и фазой СВЧ-сигнала в приемопередающих модулях (ППМ) (аттенюаторы, фазовращатели, переключатели), так как позволяют одновременно реализовать как функциональные элементы СВЧ, так и цифровые драйверы для управления ими.

Одним из примеров подобной реализации зарубежных СнК является микросхема HMC1090LP3 от Analog Devices. Ее структурная схема представлена на рис. 2. Она содержит в себе смеситель, усилитель гетеродина, УПЧ, также трансформаторы по гетеродину и радиочастотному входу. Из структурной схемы видно, что данная микросхема не содержит ЦАТТ, который может использоваться для автоматической регулировки усиления (АРУ) и расширения динамического диапазона приемника.

Рис. 2. Структурная схема микросхемы HMC1090LP3

Краткие характеристики микросхемы HMC1090LP3:

• дапазон рабочих частот 0,7–3,5 ГГц;
• диапазон промежуточных частот 50–700 МГц;
• коэффициент передачи не менее 8–10 дБ;
• мощность по сжатию на 1 дБ по входу +8…+13 дБм;
• коэффициент шума 10 дБ;
• точка пересечения интермодуляции 3‑го порядка по входу +25 дБм;
• мощность сигнала гетеродина –3…+3 дБм;
• потребляемая мощность 1,5 Вт.

Рис. 3. Структурная схема TE-RX1000

Одним из примеров отечественной СнК является микросхема TE-RX1000 ООО «ЛЭМЗ-Т». На рис. 3 представлена ее структурная схема. Микросхема выполнена по SiGe БиКМОП-технологии. Она состоит из ЦАТТ и смесителя, а также симметрирующих трансформаторов по гетеродину (LO) и радиочастотному входу (RF). Трансформаторы выполнены в интегральном виде на кристалле. Выход ПЧ — дифференциальный. Данный вариант построения СнК является наиболее универсальным, поскольку позволяет построить как полностью дифференциальный тракт ПЧ, так и гибридный. Отдельно выведен выход ЦАТТ и вход смесителя, это сделано для более гибкого построения тракта: в данный разрыв можно подключить внешний усилитель либо фильтр для обеспечения необходимой избирательности. Характеристики микросхемы TE-RX1000:

• диапазон рабочих частот 1–4,5 ГГц;
• диапазон промежуточных частот 50–500 МГЦ;
• коэффициент передачи всей схемы (при полностью открытом аттенюаторе) не менее –15 дБ;
• коэффициент передачи полностью открытого ЦАТТ (при f = 3 ГГц) –4,5 дБ;
• коэффициент преобразования смесителя –10 дБ;
• мощность по сжатию на 1 дБ по входу +12 дБм;
• глубина регулировки коэффициента передачи не менее 30 дБ;
• шаг регулировки коэффициента передачи не более 1 дБ;
• точка пересечения интермодуляции 3-го порядка по входу +25 дБм;
• мощность сигнала гетеродина +16 дБм;
• коэффициент шума 15 дБ;
• потреблямая мощность 0,1 Вт.

Рис. 4. Корпус модуля СВЧ для СнК:
а) исполнение с чип-компонентом;
б) исполнение в корпусе QFN32

Внешний вид микросхемы TE-RX1000 в составе модуля СВЧ для измерений ее параметров представлен на рис. 4. Питание данного СВЧ-модуля осуществляется с платы питания и управления (рис. 5).

Рис. 5. Плата управления и питания модуля СВЧ

Построение приемного тракта

Зададимся частотным диапазоном приемника. Рассчитаем приемный тракт на двух СнК и сравним их по коэффициенту передачи, коэффициенту шума, однодецибельной компрессии, при одинаковых МШУ. В качестве программы для расчетов воспользуемся ADISimRF. МШУ, ППФ и ФНЧ абстрактные, но с реально достижимыми характеристиками, предлагаемыми мировыми производителями. Их характеристики представлены в табл. 1. Используется структурная схема приемника, показанная на рис. 1.

В качестве ЦАТТ в тракте c HMC1090 будем использовать микросхему HMC624ALP4E, ее характеристики также приведены в табл. 1.

Исходные данные для расчета приемного тракта:

• диапазон рабочих частот 3–3,1 ГГц;
• промежуточная частота 150 МГц;
• выходная мощность (по сжатию на 1 дБ) +15 дБм;
• глубина регулировки коэффициента передачи не менее 30 дБ;
• шаг регулировки коэффициента передачи не более 1 дБ.

На рис. 6 представлено сравнение результатов расчета приемных трактов, построенных на базе микросхем HMC1090LP3 и TE-RX1000.

Рис. 6. Расчет бюджета для двух вариантов приемного тракта:
а) приемный тракт на базе микросхемы HMC1090LP3;
б) приемный тракт на базе микросхемы TE-RX1000

По результатам расчетов видно, что схема на базе TE-RX1000 уступает на 2 дБ по коэффициенту шума и на 21,6 дБ по коэффициенту передачи в сравнении со схемой на HMC1090LP3. Это связано с тем, что микросхема от Analog Devices имеет больший коэффициент передачи. Стоит заметить, что коэффициент шума 5 дБ достаточен для большинства современных приемников. При этом потребление микросхемы ООО «ЛЭМЗ-Т» меньше на 1,5 Вт. Кроме того, динамические характеристики приемного тракта, построенного на базе микросхемы TE-RX1000, выше на 14 дБ.

Рис. 7. Модифицированная схема приемного тракта на базе микросхемы TE-RX1000

Чтобы улучшить параметры схемы по коэффициенту шума и коэффициенту передачи, в схему на базе TE-RX1000 добавим усилитель между смесителем и ЦАТТ. Результаты расчета данного тракта с дополнительным усилением показаны на рис. 7. Для удобства сравнения полученных результатов все данные расчетов сведены в табл. 2.

Выводы

Из приведенных данных можно сделать следующие выводы:

1.  Микросхема TE-RX1000 подходит для построения приемных трактов. Ее характеристики находятся на уровне зарубежных аналогов.
2.  Микросхема содержит ЦАТТ и смеситель, что позволяет гибко строить тракт приемника. На базе данной СнК возможно построение высокодинамичных трактов.
3.  Потребление приемного тракта на базе этой микросхемы меньше на 0,7 Вт при похожих характеристиках. Это немаловажно при построении многоканальных систем.
4.  Возможно продолжение развития СнК TE-RX1000 при помощи добавления УПЧ после смесителя. Для сохранения динамического диапазона и улучшения коэффициента шума всей системы необходимо добавить усилитель с коэффициентом передачи не более 15 дБ.
5.  В настоящий момент ведется разработка следующей итерации микросхемы TE-RX1000. В данной разработке будут учтены все улучшения, необходимые для построения на ее основе современных приемных конвертеров с конкурентоспособными параметрами.