集成RF混頻器與無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于無源方案的主要優(yōu)點。

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

為了達到接收器整體噪聲系數(shù)的指標要求，需要在射頻(RF)增益級或中頻(IF)增益級補償無源混頻器的插入損耗。與集成混頻器相比，使用無源混頻器時，用戶不僅要考慮其輸入三階截點(IIP3)，還要考慮輸出三階截點(OIP3)。無源混頻器的二階線性指標一般都比集成平衡混頻器的差，而該指標在考慮接收器的半中頻雜散性能時非常重要。由于混頻器的線性度與本振驅(qū)動電平直接相關(guān)，所以必須產(chǎn)生相當大的本振注入，然后通過PCB布線饋入無源混頻器的本振端口。此外，還需要外部RF放大級對這些信號進行放大，使整個設(shè)計對本振輻射和干擾非常敏感。由于無源混頻器是一個全分立方案，成本更高、PCB尺寸更大，由于分立元件之間的偏差也會導(dǎo)致性能上的差異。

集成(或有源)混頻器設(shè)計可以獲得與無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真正的平衡混頻器(Gilbert單元)或帶有中頻放大的無源混頻器，借助增益補償了損耗。由于集成混頻器具有增益級，不再像無源混頻器那樣需要外部中頻放大器補償損耗。對于噪聲系數(shù)指標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。值得強調(diào)的是，如果通過在混頻器前端提高增益來改善串聯(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。Maxim的MAX9993、MAX9981和MAX9982混頻器還包括有本振(LO)驅(qū)動電路。

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頻帶的指標如下：

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

圖2所示是一個無源混頻器、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的集成混頻器進行比較，RF電路設(shè)計人員必須在無源設(shè)計中考慮各個分立元件的等效串聯(lián)特性。例如，設(shè)計人員不僅要注意無源混頻器的三階輸入截點，而且要考慮它的三階輸出截點和包括中頻放大級在內(nèi)的整體系統(tǒng)響應(yīng)。此外，設(shè)計者還必須計算無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)進行比較。

圖2. 分立混頻器/中頻放大器

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

實例
參照圖2，計算中頻放大器參數(shù)，得到與MAX9993增益、噪聲系數(shù)和三階截點性能相當?shù)恼w串聯(lián)響應(yīng)。假定Mini-Circuits® HJK-19MH無源混頻器用于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 = +23.5dBm
OIP3sys = 系統(tǒng)輸出三階截點 = +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

= G1 + G2由此解得G2，
G2 = Gsys - G1 = 8.5dB - (-7.5dB)
= 16dB

所需中頻放大器噪聲系數(shù)：
為了得到9.5dB的串聯(lián)噪聲系數(shù)，假定無源混頻器的噪聲系數(shù)等于7.5dB，使用通用的串聯(lián)噪聲系數(shù)方程可求得所要求的中頻放大器噪聲系數(shù)，其中，噪聲系數(shù)(以dB為單位)等于10 * log (噪聲系數(shù))。

NFsys = 9.5dB
= 10 * log (系統(tǒng)噪聲系數(shù))
= 10 * log (Fsys)
= 10 * log (F1 + (F2 - 1) / G1)

用下式求解NF2：
NF2 = 10 * log ((Fsys - F1) * G1 + 1)
= 10 * log ((10^(9.5 / 10) - 10^(7.5 / 10)) * (10^(-7.5 / 10)) + 1)
= 10 * log ((8.91 - 5.62) * 0.18 + 1)
= 10 * log (1.59)
= 2dB

所需中頻放大器三階截點：
使用串聯(lián)輸入截點方程確定中頻放大器的輸入三階截。

IIP3sys (dBm) = +23.5dBm
= 10 * log (IIP3值)
= 10 * log (1 / (1/10^(IIP31 / 10) + 10^(G1 / 10) / 10^(IIP32 / 10)))

求解 以確定中頻放大電路所要求的三階截點：

IIP32 (dBm) = 10 * log (10^(G1 / 10) * (1 / (1 / 10^(IIP3sys / 10) - 1 / 10^(IIP31 / 10))))
= 10 * log (10^(-7.5/10) * (1 / (1 / 10^(23.5 / 10) - 1 / 10^(29 / 10))))
= 17.5dBm

由可得到放大器的輸出三階截點如下：
OIP32 (dBm) = OIP32 + G2
= +17.5dBm + 16dB
= +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. 無源混頻器與中頻放大器的串聯(lián)響應(yīng)

由計算所得的中頻放大器參數(shù)可知，要找到一個具有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到MAX9993所具備的二階線性指標。另外，還至少需要一個或兩個外部本振放大器，以產(chǎn)生Mini-Circuits HJK-19MH混頻器所要求的+13dBm本振驅(qū)動電平。

結(jié)論
設(shè)計接收機時，設(shè)計人員在選擇集成混頻器方案時會顧及到計算分立方案的等效串聯(lián)指標，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。比較兩種方案時，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)用筆記也給出了計算串聯(lián)參數(shù)的正確方法。