本應(yīng)用筆記描述了MAX2683 3.5GHz上變頻器的特性。給出了一個典型的原理圖，其中包含用于3.55GHz輸出、1.6GHz LO和350MHz輸入的匹配組件。噪聲系數(shù)為~12.5dB，轉(zhuǎn)換增益為8.6dB。集成電路（IC）也可用于下變頻器。提供了指向 S 參數(shù)表的鏈接，以幫助設(shè)計工程師。

介紹

MAX2683是基于吉爾伯特單元的雙平衡有源混頻器，能夠接受高達3.5GHz的RF輸入，并產(chǎn)生高達3.6GHz的IF輸出。它具有可調(diào)偏置控制、轉(zhuǎn)換增益、對失配不敏感以及以非常緊湊的格式實現(xiàn)的出色隔離。

本應(yīng)用筆記簡要介紹了MAX2683的混頻器、設(shè)計技巧和典型性能特性。

上變頻器評論

混頻器的一個基本特性是變頻。幾乎所有變送器都使用了這一特性。對于典型操作，調(diào)制信號的工作頻率為f國防部注入混頻器的一個端口，并以f的頻率輸入本振（LO）信號瞧注入到第二個端口。產(chǎn)生的輸出射頻（RF）信號被上變頻為fMOD + fLO的頻率。頻率轉(zhuǎn)換由調(diào)制的fMOD波形cos（fMOD * t）和LO波形相乘產(chǎn)生。從三角學(xué)來看，我們有以下內(nèi)容：

Cos(fMOD* t) * cos(fLO* t) = 1/2 cos(fLO- fMOD) ± 1/2 cos(fLO± fMOD)

在這種理想的乘法中，混頻器的輸出僅包含頻率為f f的信號瞧， G國防部和 f瞧+ f國防部;即原始調(diào)制信號f國防部和本地信號 f瞧在上變頻器輸出RF端口處完全抑制。

吉爾伯特單元有源混頻器基于發(fā)射極耦合對放大器。該放大器的工作原理最好通過將調(diào)制信號分成共模和差模分量來理解。調(diào)制信號進入對的一側(cè)，而另一側(cè)通過電容器交流接地。從對稱性來看，共模元件在兩個支路之間轉(zhuǎn)換電流，對于小信號，則充當(dāng)標準共發(fā)射極放大器。MAX2683在基本放大器上采用<>個交叉耦合器件，以LO速率將調(diào)制信號乘以±，實現(xiàn)所需的雙平衡混頻器特性。這些器件與發(fā)射極耦合對的組合完成了基本的吉爾伯特單元。與調(diào)制信號輸入一樣，LO以單端方式注入，另一側(cè)通過電容器將交流接地。正LO電壓導(dǎo)致器件的外部組導(dǎo)通，導(dǎo)致調(diào)制信號以LO速率乘以±，而負電壓導(dǎo)致內(nèi)部對導(dǎo)通，也會在LO速率下將調(diào)制信號乘以±。

產(chǎn)品設(shè)計和性能特點

MAX2683采用+2.7V至+5.5V單電源供電。該器件采用超小型 16 引腳 TSSOP-EP 封裝，帶有裸露焊盤，適用于高達 3.6GHz 的特殊應(yīng)用。它采用雙平衡吉爾伯特單元架構(gòu)，具有單端RF和LO輸入以及差分集電極開路輸出端口。差分輸出端口為單端或差分應(yīng)用提供寬帶、靈活的接口。MAX2683具有可調(diào)偏置控制，由外部電阻設(shè)置，允許用戶以電源電流換取線性度，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。邏輯電平控制使能該器件上的內(nèi)部倍頻器，允許外部本地振蕩器源以全頻或半頻運行。內(nèi)部LO濾波器可降低LO諧波和雜散混頻。圖1為MAX2683應(yīng)用的簡化框圖。圖2是MAX2683的引腳說明。后續(xù)性能功能的詳細信息如下所述。

圖1.MAX2683應(yīng)用的簡化框圖

圖2.MAX2683的引腳說明

直流偏置

MAX2683需要直流偏置。傳統(tǒng)的無源混頻器使用交流信號來產(chǎn)生器件導(dǎo)通，而有源吉爾伯特電池混頻器則需要直流電源。直流偏置以電壓VCC的形式施加到器件上。必須施加足夠的電壓以使吉爾伯特電池中的晶體管導(dǎo)通，否則將不會發(fā)生所需的開關(guān)動作。混頻器工作所需的最小電壓為2.7V。隨著VCC的增加，簡單的偏置方案允許晶體管更難導(dǎo)通。混頻器的增益增加，壓縮點也增加。由于偏置的變化會影響線性度，因此這種變化會改變混頻器產(chǎn)生的諧波和雜散信號的電平。偏差變化也會影響 ft芯片中的晶體管，從而增加混頻器工作的頻率范圍。MAX2683的線性度和電源電流可通過單個電阻BIAS從外部設(shè)置，范圍為偏置至GND。標稱電阻值為1.2kΩ，電源電流將設(shè)置為55mA。減小電阻值可改善線性度，但代價是增加電源電流。增加電阻值會降低電源電流，同時降低線性度。使用820Ω至2.0kΩ范圍內(nèi)的電阻值。

獲得

MAX2683具有轉(zhuǎn)換增益，因此在傳統(tǒng)應(yīng)用中，輸出信號的功率電平高于輸入信號。MAX2683的大部分增益來自Gilbert單元中的發(fā)射極耦合放大器。實現(xiàn)的增益量隨頻率、工作溫度、振蕩器信號和偏置電平而變化。為了優(yōu)化增益和線性度，正確設(shè)計的印刷電路板是任何RF/微波電路的重要組成部分。保持RF信號線盡可能短，以減少損耗、輻射和電感。對于每個接地引腳，使用單獨的低電感過孔連接到接地層。為獲得最佳性能，請將器件封裝按鈕上的裸焊盤焊接到電路板接地層。差分集電極開路 RFOUT 和 RFOUT+ 端口需要外部上拉電感至 V抄送，以及用于最佳增益性能的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。調(diào)制信號輸入、LO輸入和RF輸出的S參數(shù)如表2所示。設(shè)計人員可以參考該表來開發(fā)優(yōu)化的匹配電路，以滿足其系統(tǒng)規(guī)格。

振蕩器信號

MAX2683需要低振蕩器驅(qū)動電平。在基于吉爾伯特電池的混頻器中，LO信號的主要功能是切換交叉耦合四通道的外部和內(nèi)部晶體管之間的導(dǎo)通路徑。這需要相對較少的功率。通常，吉爾伯特單元混頻器的雜散響應(yīng)將在較低的振蕩器驅(qū)動電平下得到改善。增加MAX2683上變頻器的LO功率會使四通道和發(fā)射極耦合對的晶體管飽和（實際上是“準飽和”），并降低線性度。當(dāng)LO驅(qū)動電平從標稱特性值降低時，存在5dB至10dB的范圍，在此范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換增益不會受到顯著影響。當(dāng)LO驅(qū)動電平進一步降低時，轉(zhuǎn)換增益將“滾落”。沒有正弦LO信號可以在許多（諧波相關(guān)）頻率下具有頻率分量。MAX5的典型LO輸入功率在50Ω匹配時為-2683dBm。

工作頻率范圍

MAX2683工作在非常寬的頻率范圍。它可以用作下變頻器或上變頻器。通過吉爾伯特四單元的調(diào)制信號的頻率可以達到3.8GHz。如果提供適當(dāng)?shù)妮敵銎ヅ渚W(wǎng)絡(luò)，輸出頻率范圍可以達到3.6GHz。MAX2683具有內(nèi)部LO倍頻器，允許外部LO以全頻或半頻工作。以半頻運行LO的好處是可以減少通過放大器到天線的不必要的LO泄漏。倍頻器之后集成了一個內(nèi)部LO帶通濾波器，有助于降低LO諧波含量和雜散混頻。要使能LO倍頻器，請將ENX2驅(qū)動至邏輯低電平，并將半頻外部LO連接到LOX2端口。要禁用并旁路LO倍頻器和LO濾波器，請將ENX2驅(qū)動至邏輯高電平，并將全頻外部LO連接到LOX1端口。禁用LO倍增器的好處是可將電源電流降低15mA。LOX1的最大頻率范圍高達3.9GHz，LOX2的頻率范圍高達1.95GHz。

噪聲系數(shù)

吉爾伯特電池結(jié)構(gòu)不是低噪聲配置。混頻器噪聲系數(shù)主要來自四個集電極交叉耦合晶體管的散粒噪聲、發(fā)射極耦合對中兩個晶體管的噪聲，以及與發(fā)射極耦合對一起使用的兩個反饋電阻的熱噪聲。當(dāng)輸入LO功率非常低時，LO的開關(guān)動作會影響混頻器噪聲系數(shù)。MAX2683的典型噪聲系數(shù)接近12.5dB。

匹配電路

三個端口需要正確匹配才能實現(xiàn)最佳性能。表1提供了三個端口的完整S參數(shù)，頻率范圍為50MHz至6GHz。設(shè)計人員可以參考此表選擇最佳匹配電路以滿足系統(tǒng)規(guī)格。本應(yīng)用筆記包括一個應(yīng)用原理圖，其中顯示了三個端口的典型匹配電路。輸入端口匹配到350MHz頻率，LO端口匹配到1.6GHz，輸出端口匹配到3.55GHz。

線性度和動態(tài)范圍

吉爾伯特電池結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生具有高動態(tài)范圍的混頻器。以下兩個公式描述了線性動態(tài)范圍和無雜散動態(tài)范圍：

線性動態(tài)范圍 = = P1dB - [NF + G + 3dB -114 dBm + 10 log10(BW)]
無雜散動態(tài)范圍 = 2/3 [IP3 - G - NF -10 log10(BW) + 114 dBm]

其中 P1分貝是1dB增益壓縮時混頻器的輸出功率（單位為dBm），NF是混頻器的噪聲系數(shù)（單位dB），G是混頻器的轉(zhuǎn)換增益（以dB為單位），BW是混頻器的帶寬（以dB為單位），IP3是輸出三階截點（以 dB 為單位）。這些公式表明，動態(tài)范圍是噪聲系數(shù)、輸出壓縮點、截取點和增益的函數(shù)。由于MAX2683具有中等dB轉(zhuǎn)換增益，因此其動態(tài)范圍不是很低。MAX2683的線性度可通過單個電阻從外部設(shè)置。增大或減小偏置電阻值都會改變MAX2683的線性度性能。當(dāng)偏置電阻值發(fā)生變化時，需要在線性度和電源電流之間進行權(quán)衡。

典型應(yīng)用

圖3所示為典型的上變頻器應(yīng)用電路。如圖所示，混頻器是基于吉爾伯特單元的乘法器，帶有RF輸入放大器。諸如此類的雙平衡混頻器在輸出端提供良好的端口間隔離和低LO自由直通。RF輸出端口輸入配置為差分操作。但是，RF輸入和LO輸入可以在單端操作中驅(qū)動。LO和RF輸入為50Ω。混頻器輸出需要一個外部匹配網(wǎng)絡(luò)，將高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為低阻抗，以滿足系統(tǒng)要求。這種阻抗變換和差分到單端變換需要一個巴倫或阻抗匹配變壓器。該應(yīng)用電路的測試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3.MAX2683的應(yīng)用原理圖

表 2.MAX2683應(yīng)用的測試數(shù)據(jù)

（測試條件：VCC = +5.0V，RBIAS = 1.2kΩ，/ENX2 = GND，fRFIN = 350MHz，PRFIN = -20dBm，fLO = 1600MHz，PLO = -5dBm;所有輸入/輸出端口端接在50Ω;RFOUT+ 和 RFOUT- 匹配至單端 50Ω 負載;TA = +25°C，除非另有說明。

審核編輯：郭婷