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[参考译文] OPA838:RF–小信号低噪声放大和解调

Guru**** 1133960 points
Other Parts Discussed in Thread: OPA684, OPA820, OPA838, OPA683, TLV3501, LM2596, LM2674, TLE2426, LM27762, TINA-TI, LMV7219
请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1070680/opa838-rf-small-signal-low-noise-amplification-and-demodulation

部件号:OPA838
线程中讨论的其他部件:OPA820,OPA684 OPA683TLV3501LM2596LM2674TLE2426LM27762TINA-TILMV7219

由于该应用的要求(最显著的是温度和振动),我一直无法找到合适的 RF LNA 或 OOK 解调软件包作为现成产品。  因此,我正在设计一个专门用于此应用的接收器。  我在设计接收器时遇到了几个问题。  

关键问题:

  • 为什么高 Q 频带通滤波器输出失真?
  • 为什么使用 Boyle 模型在“现实”模拟中不放大第三放大器级?
  • 为什么放大器对大信号的管理不是很好?

本文档的其余部分旨在详细描述此接收器设计与问题1-3相关的缺点。

  

应用程序

我正在构建 RF 接收器以接收传输的串行数据流。  接收器可能非常靠近发射器,这会导致接收到非常强的信号。  接收器必须能够解调非常大的信号(最大为+24 dBm)。  接收器也可能离发射器非常远,这会导致接收到非常弱的信号。  接收器必须能够解调非常小的信号(小至-56 dBm)。  

射频发射器正在发射1.5 MHz 载波。  发射器使用开-关键控以133 KHz 的频率对载波进行调制,以对串行数据流消息进行编码。  主位以1.5 MHz 载波的7.5us 突发信号传输。  当载波关闭时,将传输隐性位。

  

  接收器设计要求

  • 环境
    • 125°C 最高工作温度
  • 接收来自天线的 RF 信号
    • 开-关键控(OOK)调制
    • 载波频率= 1.5 MHz
    • 消息频率= 133 KHz
  • 小信号放大
    • V_IN_MIN = 0.001 Vpp (-56.02 dBm)
    • V_OUT 最小值= 2 Vrms (19.03 dBm)
    • 所需总增益>= 75 dBm
    • 放大系数=~5500 V/V
  • 大信号衰减
    • 所需最大衰减>=-1.43 dBm
    • 放大系数=~5500 V/V
    • V_IN_MAX = 10 Vpp (23.98 dBm)
    • V_OUT _MAX = 3 V 有效值(22.55 dBm)
  • 过滤器
    • 隔离噪音非常大的环境中的载波频率
    • 农具高 Q 系数带通过滤器(Q>=10)
  • 解调
    • 农具信封检测器
    • 输入调制=开/关键控(OOK)
    • 载波频率= 1.5 MHz
    • 消息频率= 133 KHz
    • 显性位=单波
    • 隐性位=无单声波
    • 输出调制=串行数字
    • 显性位= 0伏
    • 隐性位= 5伏
    • 输出斜坡时间<= 0.5 uS
    • 输出下降时间<= 1.5 us

 接收器设计

 

问题1–为什么过滤器输出看起来失真?

此拓扑是根据 OPA820数据表的图60配置的。  根据 OPA820数据表10.2.1.2.1部分所述的设计过程,该过滤器设计为1.5 MHz 的截止频率,Q 为10。  

过滤器的交流响应按预期执行。  但是,在下一个解调阶段,不能接受瞬态响应。  在理想的模拟中,当载波信号被删除时,高 Q 波段通滤波器输出“振铃”,当应用载波信号时“充电”。  要使输出看起来像输入内容,我需要做些什么?  

   

 

 问题2–为什么这些运算放大器不能按预期使用 Boyle 模型进行放大?

此拓扑是根据 OPA838数据表的图75配置的。  放大器设计为50Ω Ω 阻抗,并分3个阶段进行配置。  为了减少噪音放大,他的第一阶段产生总增益的50%(45 dBm),第二阶段产生总增益的30%(30 dBm),第三阶段产生总增益的20%(23 dBm)。  该数据表包含15 dBm 到26 dBm 之间增益的推荐电阻值。  由于第1级和第2级需要超过26 dBm 的增益,因此已导出电阻值。  数据表表表2中显示的 Ri 和 RF 之间的关系已得到维护。  

在更现实的模拟中,使用波伊尔模型进行运算放大器,第一个放大器级会按预期放大信号。  但是,在第二和第三阶段,信号根本不会放大,实际上它会衰减到它比输入信号弱的程度。  这种情况在更理想的型号(如三级型号)中不会发生。  我需要做些什么来解决此问题?  这是否是某种阻抗匹配问题?  

    

问题3–为什么这些放大器不像更大的信号?

使用运算放大器的理想型号,小信号可以按预期从1uVpp 放大到10uVpp。  但是,在100uVpp 以上时,放大器的行为不符合预期。 它的行为就像超载或“卡住”一样。  如何解决此问题?  

 

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    嗨,Kai,由于 SOT-23封装的可用性不足,我不得不将 TLV3501比较器换为 LMV7220。   在 TI 的 LMeh V7220站点上,没有可用的 SPICE 模型,但 LMV7219提供了示例。  假设 LMV7220的 SPICE 模型与 LMV7219相同,我向前迈进了一步。  如果这是一个正确的假设,结果几乎与我们之前建模的 TLV3501的模拟完全相同。   

    e2e.ti.com/.../RECEIVER_5F00_COMP_5F00_SWAP.TSC

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    进度更新- PCB 已构建并按预期工作,但一个零件除外。  比较器参考电压"Vb4"的测量值为~850mV,而不是设计/模拟的~400mV。  我几乎探测了比较器附近的所有东西,所有的焊接接头似乎都连接正确。  我很想知道为什么现实与这里的模拟不匹配。 所附的是我为接收器这个阶段所做的 TINA 模拟。  

    有没有关于“Vb4”为什么在现实中似乎不存在的想法?

     e2e.ti.com/.../comparator.TSC

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    你好,瑞安,

    这与 R4和 R5相等以及 R4比 R6大得多有关。 这使得 LMV7219发出低电平和高电平时,分压器会有所不同。 在第一种情况下,R4与 R6并行,而在第二种情况下,R4与 R5并行。 当 LMV7219在其输入端获得足够高频率的交流信号时,您将看不到这一点,因为去耦合帽会平均出差。 但在静态情况下,如果没有交流信号,您将看到以下区别:

    e2e.ti.com/.../ryan_5F00_opa838_5F00_9.TSC

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    谢谢凯,这很有意义。  当我跟踪这个问题时,其他几个问题出现了。  对响应缓慢表示歉意,我花了很多时间调试此接收器。  当我发布这个问题时,我使用信号发生器来创建接收器的输入。  当使用信号发生器发出的未调制信号(正弦波)时,所有阶段似乎都工作良好。  我已继续使用实际天线测试接收器,同时传输调制信号。  我在这里看到了一些问题,任何我真的不知道从哪里开始解决这些问题。  我想从一个新的 PCB 开始,每次焊接一个阶段,并确保该阶段正常工作,然后再转到下一个阶段。 您认为什么?

    来自天线的信号似乎良好。 天线无反射或振铃。

    放大器/滤波器阶段1噪音很大,但可以看到调制信号,即使它不如天线的输入那么干净。

    放大器/滤波器阶段2实际上比阶段1更清洁,因此可以从无爆发中排除爆发。  此外,信号会按预期略微放大。

    放大器/滤波器第3阶段相当混乱。  我可以看到爆发,但有很多噪音,不应该有。

    信封探测器第4级受到第3级的噪声输出的影响。  我们在调制此信号时会遇到很多麻烦。   

    此外,以下是背景噪声 SA 供您参考。  这是在被测设备和发射器断电时执行的。   

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    你好,瑞安,

    增益是否过高? 信号是否使输入过载?

    省略带通滤波器的情况如何?

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    感谢 Kai 的洞察力和指导。  我已经穿过并拆除了所有的过滤器, 这些过滤器需要对0603电容器的跳线进行一些非常华丽的焊接... 我必须在背后拍拍拍拍拍拍拍:)   

    我会说我的总体评估是,这似乎已经很好地清除了信号。  但是,我是第2阶段的行为并没有达到我的预期,我似乎需要降低信封探测器对地的电阻以减少坠落时间。   

    下面是为每个安培删除的部件的图示:

    这看起来已经很好地清理了输出,所以我们朝着正确的方向前进。  范围捕获如下:

    天线输入:

    AMP 阶段1:

    AMP 阶段2:

    AMP 阶段3

    信封探测器输出: