通信系統(tǒng)設(shè)計的主要挑戰(zhàn)之一是如何成功捕獲高保真度信號。
為了避免強干擾效應(yīng)、信號失真和靈敏度降低，蜂窩通信系統(tǒng)必須滿足蜂窩標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求，比如具有高動態(tài)范圍、高輸入線性度和低噪聲的碼分多址(CDMA)和寬帶CDMA(W-CDMA)。
過去，一些實踐性問題常導(dǎo)致完全差分信號鏈的性能優(yōu)勢被單端信號鏈所掩蓋，但隨著集成射頻電路技術(shù)和高性能差分射頻構(gòu)建模塊的不斷發(fā)展，如今差分架構(gòu)已能應(yīng)用于高性能接收機設(shè)計中。本文將討論差分信號鏈在3G和4G無線應(yīng)用中的性能和優(yōu)點。
接收機信號鏈
圖1是傳統(tǒng)超外差接收機的拓撲結(jié)構(gòu)，它很好地描述了差分信號鏈相對單端信號鏈的優(yōu)勢。不管采用什么拓撲，我們的目標(biāo)就是將所需信號成功發(fā)送到ADC端進行數(shù)字轉(zhuǎn)化。信號路徑由以下幾個射頻模塊組成：天線、濾波器、低噪聲放大器(LNA)、混頻器、ADC驅(qū)動放大器和ADC。
圖1：接收機在不斷發(fā)展，越來越多的接收機將使用差分元件。這個趨勢開始于ADC，并將逐漸向信號鏈上游移動。先進的集成射頻電路技術(shù)和差分射頻構(gòu)建模塊的擴充允許差分架構(gòu)應(yīng)用于高性能接收機設(shè)計。
LNA是天線之后的第一個模塊，用于放大熱噪聲之上的信號。這級電路中的噪聲非常重要，因為它將決定系統(tǒng)靈敏度，而放大可以確保隨后的混頻器和放大器不會增加顯著的噪聲。沿信號路徑往后是帶通濾波器，用于抑制帶外信號，減少由其它電路級引起的失真和噪聲。
跟隨LNA之后，混頻器頻率轉(zhuǎn)換感興趣的信號，將高頻射頻信號下變頻至頻率更低、更易于管理的中頻信號(IF)。ADC驅(qū)動放大器和抗混濾波器(AAF) 對將要數(shù)字化的信號進行預(yù)處理。驅(qū)動器提供增益，AAF抑制第一奈奎斯特區(qū)外的信號，包括將會發(fā)送給ADC的噪聲和帶外雜散分量。在模擬信號路徑末端，由 ADC完成基帶信息的數(shù)字轉(zhuǎn)換。
理想情況下，只有感興趣的信號(圖1左邊的藍色圖形)才會被傳送到數(shù)字域。需要使用一個魯棒系統(tǒng)來處理這個可能很小的目標(biāo)信號，同時抑制可能較大的干擾信號。魯棒系統(tǒng)的設(shè)計，需要具有高靈敏度、輸入線性、選擇性和抗噪聲性能。根據(jù)具體的應(yīng)用和架構(gòu)，性能指標(biāo)可能有所變化，但在大多數(shù)通信系統(tǒng)中，像失真、本底噪聲和動態(tài)范圍等都是通常要考慮的要素。輸入三階截取點(IP3)和1dB壓縮點(P1dB)必須高。其它需要考慮的因素還包括低成本、低功耗和小尺寸。
差分優(yōu)勢
圖2比較了單端信號和差分信號之間的基本區(qū)別。這里使用了一個通用增益模塊，但相同的概念可應(yīng)用于信號鏈中的混頻器和其它器件。在比較單端和差分信號時，要將系統(tǒng)級性能評估標(biāo)準(zhǔn)牢記在心，以實現(xiàn)良好的總體接收機設(shè)計。
圖2：差分信號固有的抵消優(yōu)勢可抵抗噪聲和干擾，同時提供偶次諧波的抵消作用。
根據(jù)定義，單端信號是一種不平衡信號，通過感興趣信號與固定參考點之間的差值來進行衡量。這個參考點通常是地，用作信號的返回路徑。如果有誤差源被引入信號路徑，就會產(chǎn)生問題。因為地參考是不受注入誤差的影響，因此誤差將通過信號向前傳送。如果不使用極度復(fù)雜的抵消技術(shù)，在單端配置中引入的任何信號變化都很難消除。因此，單端信號很容易受噪聲和電磁耦合干擾的影響。
另一方面，差分信號由成對的平衡信號組成，這些信號以參考點中心，幅度相同，相位相反。正和負平衡信號之間的差值對應(yīng)于復(fù)合差分信號。如果誤差被引入差分系統(tǒng)路徑，它將以相同的幅度同時增加到兩個平衡信號上。因為返回路徑并不是一個固定的參考點，誤差將在差分信號中抵消。因此差分信號鏈不易受噪聲和干擾的影響。這種固有的誤差抵消功能還可以提供更好的共模抑制比(CMRR)和電源抑制比(PSSR)。
差分信號鏈還有一個單端信號鏈不具備的優(yōu)勢，即在相同電源電壓下復(fù)合信號擺幅可以達到單端擺幅的兩倍，從而增加了信噪比。換句話說，在相同電源電壓下增加了放大器余量，降低了失真；或者可以用更低的電源電壓提供相同的信號擺幅，從而降低功耗。
圖2顯示了差分系統(tǒng)中固有的偶次諧波抵消。非線性器件，如本例中的單端和差分放大器，可以用給定正弦輸入信號時的冪級數(shù)擴展傳遞函數(shù)來描述。在單端方案中，輸出的每個倍頻分量都有一個常數(shù)，包括偶次和奇次頻率。在差分模塊中，偶次非線性在復(fù)合輸出響應(yīng)中被抵消。雖然實際器件不能實現(xiàn)完美的抵消功能，但它們確實可以因偶次諧波降低而受益。
圖3顯示了針對驅(qū)動高速8位至16位ADC而優(yōu)化的超低失真、低噪聲差分放大器的諧波失真情況。圖中顯示了ADC器件被配置為單端和差分拓撲時的二次和三次諧波。雖然單端模式下的失真非常低，100MHz時的HD2值為82dBc，但采用差分操作時的偶次性能更好，在相同頻率點HD2值低于100dBc。因此在相同電源軌條件下，采用差分拓撲的整個信號鏈的P1dB和IP3有望提高約6dB。
圖3：雖然單端模式中的失真性能很低，但差分操作對偶次性能來說確實有明顯的好處。在相同電源軌條件下，差分拓撲的輸出１dB壓縮點和IP3有望提高約６dB。
差分信號鏈
隨著接收機的發(fā)展，差分元器件得到了越來越廣泛的使用，它們能提供更高的性能等級。這種演進最初始于ADC，并逐漸向信號鏈上游發(fā)展。
過去，信號應(yīng)用問題和有限的差分射頻構(gòu)建模塊導(dǎo)致人們只選用單端或部分差分信號鏈。部分差分信號鏈的一個例子是省去了差分ADC驅(qū)動器，代之以單端器件和放大器來驅(qū)動ADC。雖然這是一種簡單的解決方案，但對性能的不斷追求要求更多的上游電路采用差分拓撲。除了消耗更多的功耗外，單端驅(qū)動放大器通常具有更差的偶次失真、CMR和PSR。
如圖1所示，接收機常用的架構(gòu)是單端射頻輸入和差分輸出。單端和差分操作之間的分界線似乎在混頻器那兒，像LNA等射頻元件仍是單端元件。大多數(shù)SAW濾波器和混頻器內(nèi)核是固有的差分電路，但根據(jù)應(yīng)用目的被轉(zhuǎn)換成了單端方式。
多年來，雙平衡混頻器拓撲由于其高線性度而廣泛用于蜂窩設(shè)備。遺憾的是，用于將信號耦合至混頻內(nèi)核的傳統(tǒng)變壓器網(wǎng)絡(luò)占用了相當(dāng)大的電路板面積，給設(shè)計增加了很大的成本。較新的射頻元件，如ADL535x混頻器系列，集成了巴倫和變壓器，并提供帶單端射頻輸入和差分中頻輸出的簡單易用射頻模塊。
圖4表明所有三個混頻器端口內(nèi)部全部是差分結(jié)構(gòu)。為了方便作用，射頻和本振端口使用變壓器連接到外部，因此允許單端接口。相比之下，中頻輸出端口包含一個具有200Ω輸出阻抗的驅(qū)動放大器，并采用差分方式以方便與差分SAW濾波器連接。本振和射頻巴倫的集成限制了混頻器的工作頻率，因此要求使用專門工作在蜂窩頻率范圍的器件系列。
圖4：集成射頻電路技術(shù)的最新發(fā)展允許設(shè)計師方便地使用具有單端射頻輸入至差分中頻輸出的混頻器。所有三個內(nèi)部混頻器端口都可以充分發(fā)揮差分優(yōu)勢，同時更方便地與外部世界相連。