Quadratur-Demodulator Störeinflüsse auf HF-ICs minimieren

Wie sich Störeinflüsse auf HF-ICs durch ein Power Management reduzieren lassen.
Wie sich Störeinflüsse auf HF-ICs durch ein Power Management reduzieren lassen.

Das Rauschen der Stromversorgung kann die Leistungsfähigkeit von HF-ICs beeinträchtigen. Am Beispiel eines Quadratur-Demodulators wird gezeigt, wie sich Störeinflüsse auf HF-ICs durch ein Power ­Management minimieren lassen.

Je mehr Funktionsblöcke man in ein HF-IC integriert, desto mehr Quellen für Rauscheinkopplungen entstehen. Deshalb wird das Power Management zunehmend wichtiger. Dieser Beitrag erläutert, wie das Rauschen der Stromversorgung die Leistungsfähigkeit von HF-ICs beeinträchtigen kann. Der Quadratur-Demodulator ADRF6820 mit integrierter Phasenregelschleife (PLL) und spannungsgesteuertem Oszillator (VCO) dient dazu als Beispiel. Die Ergebnisse lassen sich auf andere HF-ICs übertragen.

Je mehr Funktionsblöcke man in ein HF-IC integriert, desto mehr Quellen für Rauscheinkopplungen entstehen. Deshalb wird das Power Management zunehmend wichtiger. Dieser Beitrag erläutert, wie das Rauschen der Stromversorgung die Leistungsfähigkeit von HF-ICs beeinträchtigen kann. Der Quadratur-Demodulator ADRF6820 mit integrierter Phasenregelschleife (PLL) und spannungsgesteuertem Oszillator (VCO) dient dazu als Beispiel. Die Ergebnisse lassen sich auf andere HF-ICs übertragen.

Das Stromversorgungsrauschen kann die Linearität verschlechtern, indem Mischprodukte im Demodulator erzeugt werden und das Phasenrauschen im PLL/VCO verschlechtert wird. Eine detaillierte Leistungsevaluierung erfolgt mit empfohlenen Leistungsschaltungen, die LDOs (Low-Dropout-Regler) und Schaltregler enthalten.

Mit seiner bipolaren Versorgungsspannung und einer hohen HF-Integrationsdichte eignet sich der ADRF6820 ideal als Diskussionsgrundlage. Der Baustein nutzt einen ähnlichen aktiven Mischer-Kern wie der Quadratur-Demodulator ADL5380 und die gleichen PLL/VCO-Kerne wie der ADRF6720. Somit sind die hier präsentierten Informationen auf diese Bauteile übertragbar. Zusätzlich kann das Stromversorgungsdesign für weitere Entwicklungen verwendet werden, die Versorgungsspannungen von 3,3 oder 5,0 V bei ähnlicher Leistungsaufnahme benötigen.

Der in Bild 1 gezeigte Quadratur-Demodulator und Synthesizer ADRF6820 eignet sich ideal für Kommunikationssysteme der nächsten Generation. Das Bauteil mit hohem Funktionsumfang enthält einen Breitband-I/Q- Demodulator mit hoher Linearität, eine Fractional-N-PLL und einen Multicore-VCO mit geringem Phasenrauschen. Ebenfalls integriert sind ein 2:1-HF-Schalter, ein abstimmbarer HF-Balun, ein programmierbares HF-Dämpfungsglied und zwei LDOs. Das hochinte­grierte HF-IC steht in einem LFCSP-Gehäuse mit 6 × 6 mm² zur Verfügung.

Die Empfindlichkeiten

Die durch Stromversorgungsrauschen am meisten beeinträchtigten Funktionsblöcke sind der Mischer-Kern und der Synthesizer. In den Mischer-Kern eingekoppeltes Rauschen erzeugt unerwünschte Produkte, die sich negativ auf die Linearität und den Dynamikbereich auswirken. Dies ist besonders kritisch für einen Quadratur-Demodulator, da die niederfrequenten Mischerprodukte in die relevante Bandbreite fallen.

Auf ähnliche Weise kann das Stromversorgungsrauschen das Phasenrauschen der PLL/VCO beeinträchtigen. Die Effekte unerwünschter Mischprodukte und verschlechterten Phasenrauschens treten bei den meisten Mischern und Synthesizern auf. Das genaue Maß der Absenkung ergibt sich durch die Architektur und das Layout des Chips. Durch das Verständnis dieser Stromversorgungsempfindlichkeiten lassen sich robustere Stromversorgungen mit optimierten Eigenschaften und Effizienz entwickeln. Der ADRF6820 nutzt einen doppelt symmetrischen (Double-balanced), aktiven Mischer-Kern mit Gilbert-Zellen-Struktur (Bild 2). Symmetrisch bedeutet, dass beide LO- und HF-Ports differenziell getrieben werden.

Nach dem Filter, das die Harmonischen höherer Ordnung unterdrückt, stehen an den Mischer-Ausgängen die Summe und Differenz der HF- und LO-Eingänge zur Verfügung. Der Differenz-Ausdruck, auch ZF genannt, liegt innerhalb des relevanten Frequenzbandes und ist das gewünschte Signal. Die Summe fällt außerhalb des Frequenzbands und wird gefiltert.

Idealerweise gelangen nur die gewünschten HF- und LO-Signale an den Mischer-Kern. Doch dies ist selten der Fall. Stromversorgungsrauschen kann in die Mischereingänge einkoppeln und sich als Mischungsstörungen (Mixing Spurs) zeigen. Je nach Quelle der Rausch­einkopplung können die relativen Amplituden der Mischungsstörungen variieren.

Bild 3 zeigt das Ausgangsspektrum eines Mischers und die Stellen, an denen sich die Mischerprodukte bei einer Einkopplung von Stromversorgungsrauschen befinden können.

Im Bild entspricht CW einem Continuous-Wave- oder Sinussignal, das auf die Stromversorgung einkoppelt. Beim Rauschen kann es sich zum Beispiel um das Taktrauschen eines 600-kHz- oder 1,2-MHz-Schaltreglers handeln. Das Stromversorgungsrauschen kann zwei verschiedene Probleme hervorrufen: Falls das Rauschen in die Mischerausgänge einkoppelt, erscheint der CW-Ton ohne Frequenzübersetzung am Ausgang. Tritt die Einkopplung an den Mischereingängen auf, moduliert der CW-Ton die HF- und LO-Signale. Dies produziert Produkte bei ZF ± CW.

Diese Mischungsprodukte können sich in unmittelbarer Nähe des gewünschten ZF-Signals befinden. Somit wird ihre Filterung erschwert. Eine Herabsetzung des Dynamikbereichs ist unvermeidbar. Dies gilt speziell für Quadratur-Demodulatoren, da ihr Basisband komplex und um DC zentriert ist. Die Demodulationsbandbreite des ADRF6820 erstreckt sich von DC bis 600 MHz. Falls ein Schaltregler mit Rauschen bei 1,2 MHz den Mischer-Kern versorgt, treten unerwünschte Mischungsprodukte bei ZF ±1,2 MHz auf.

Die am Ende dieses Beitrags aufgelisteten Referenzen enthalten Information darüber, wie sich Stromversorgungsrauschen auf integrierte PLLs und VCOs auswirken. Gleiches gilt für andere Schaltungen mit der gleichen Architektur. Andere Schaltungen erfordern ihre eigene Leistungs-Evaluierung. Zum Beispiel bietet der integrierte LDO an der VCO-Stromversorgung des ADRF6820 eine höhere Rauschimmunität als eine PLL-Stromversorgung ohne integrierten LDO.