引言
本應(yīng)用筆記介紹AM/FM汽車天線的一個參考設(shè)計(jì)(RD)。設(shè)計(jì)采用了適用于有源天線模塊的高度集成AM/FM低噪聲放大器 (LNA) MAX2180。LNA在AM和FM信號通路上均集成了Maxim的自動增益控制技術(shù)，帶有用戶可選設(shè)置點(diǎn)。AM和FM信號通路的最大增益亦可變，以滿足各種各樣的用戶需求。RD詳盡展示了該集成式汽車解決方案的靈活性和性能。
概述
汽車天線要求更小、集成度更高的解決方案，并同時保證現(xiàn)代AM/FM無線通信裝置所需的高性能。有些解決方案需要自動增益控制(AGC)，而有些則采用固定增益LNA，以獲得最低成本。有些解決方案為有源天線提供一個穩(wěn)壓電源電壓，但是大多數(shù)仍然采用電池供電。對天線方案提供商的挑戰(zhàn)是：如何在避免需要反復(fù)設(shè)計(jì)的分立式解決方案或不使用昂貴 IC (仍然需要外部PIN二極管和調(diào)節(jié)器)的情況下滿足各種各樣的行業(yè)要求。在資源和空間有限的情況下，天線供應(yīng)商的理想解決方案必然是高性能、低成本且非常靈活的IC，并且無需重新設(shè)計(jì)、BOM變化及電路板變動，即可輕松滿足各種要求。
現(xiàn)在有少數(shù)廠商為有源天線提供集成式AM/FM解決方案?？上У氖撬麄冃枰獠縋IN二極管提供AGC。這些解決方案在使用電池供電時，還需要一個穩(wěn)壓電源，或者一個外部調(diào)整管。外部元件增加了成本，擴(kuò)大了解決方案的占位面積。如果不需要AGC，解決方案通常采用分立器件，以獲得最低成本。分立設(shè)計(jì)的問題是，增益、電源電壓或占位面積的任何變化都將導(dǎo)致重新設(shè)計(jì)，從而占用更多的設(shè)計(jì)資源，而設(shè)計(jì)資源在多數(shù)情況下非常匱乏。
最優(yōu)天線解決方案和MAX2180
Maxim Integrated Products開發(fā)了一套AM/FM天線解決方案，其中集成了全部有源元件，滿足當(dāng)今苛刻的汽車天線需求。天線采用MAX2180 LNA。MAX2180采用了內(nèi)部高壓CMOS工藝，在一片小型4mm x 4mm TQFP封裝內(nèi)集成了AM和FM AGC，以及高壓調(diào)節(jié)器。這種設(shè)計(jì)避免了所有PIN二極管和外部穩(wěn)壓電路或傳輸晶體管，同時還可采用電池或穩(wěn)壓電源工作。MAX2180可實(shí)現(xiàn)最大AM和 FM增益，并且AGC設(shè)置點(diǎn)可變。它還包括天線監(jiān)測功能，在故障條件下吸入15mA電流。
LNA的片上穩(wěn)壓電路工作于7V至24V。為防止過熱損壞，集成溫度傳感器通過折返電流限制最高結(jié)溫。這樣可保證放大器在任何環(huán)境條件下都保持工作。
AM 輸入為高阻、輸出為低阻，F(xiàn)M放大器提供50Ω輸入和輸出阻抗。最大AM增益可通過改變外部電阻在0dB至6dB范圍內(nèi)設(shè)置。最大FM增益可在5.8dB 至8.5dB (R1 = 0Ω)范圍內(nèi)變化。為了改善噪聲系數(shù)，R1應(yīng)為390Ω，從而將增益范圍提高至10.0dB至10.8dB。兩條信號通路均采用Maxim擁有專利的 AGC電路，增益控制范圍為30dB。此外，AGC設(shè)置點(diǎn)可變，為主機(jī)提供希望的最大輸出水平。
采用MAX2180進(jìn)行設(shè)計(jì)時，利用數(shù)據(jù)資料中的表格選擇所需的信號通路增益和AGC設(shè)置點(diǎn)，可簡化設(shè)計(jì)。這種自定義參數(shù)值范圍使得一款設(shè)計(jì)即可滿足多種需求，無需重新布置電路板。如圖1所示，與競爭方案相比，MAX2180提供了更高的集成度，同時又具有滿足各種需求的靈活性。圖2所示為單天線解決方案的應(yīng)用原理圖。
圖1. MAX2180高集成度解決方案(A)與AM/FM有源天線競爭方案(B)的比較。
圖2. 采用MAX2180的單天線解決方案應(yīng)用原理圖。
設(shè)計(jì)實(shí)例
我們的測試實(shí)例為用于小型汽車的一款低增益天線。這種應(yīng)用需要更大增益，但是小型汽車中的短電纜減小了從天線至主機(jī)的損耗，目標(biāo)最大輸入水平對AM來說為+ 80dBµV，F(xiàn)M為+95dBµV。
AM：引腳1電阻= 0Ω，增益為6.5dB (表1)；引腳2短路至地，AM輸出AGC設(shè)置點(diǎn)為+79dBµV (表2)。
FM：引腳10短路至地，F(xiàn)M增益為8.5dB (表3)；引腳12對地電阻= 39kΩ，F(xiàn)M輸出AGC保護(hù)點(diǎn)為+94dBµV (表4)。
表1. AM信號通路增益
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引腳1 (Ω) |
AM增益(dB，典型值) |
|
0 |
6.5 |
|
22 |
5 |
|
68 |
2.5 |
|
180 |
0.5 |
|
330 |
-1 |
表2. AM信號通路設(shè)置點(diǎn)
|
引腳2 |
AM輸出設(shè)置點(diǎn)(dBµV，典型值) |
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Ground |
79 |
|
Open |
83 |
|
VLDO |
86 |
表3. FM信號通路增益
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引腳10 |
FM增益(dB，典型值；無外部電阻) |
FM增益(dB，典型值；外部電阻= 390Ω) |
|
VLDO |
8.5 |
10.8 |
|
Open |
7.1 |
10.3 |
|
Ground |
5.8 |
10 |
表4. FM信號通路設(shè)置點(diǎn)
|
引腳12 (kΩ) |
FM輸出保護(hù)點(diǎn)(dBµV，典型值) |
|
0 |
104 |
|
10 |
100 |
|
18 |
96 |
|
27 |
95 |
|
39 |
94 |
|
47 |
93 |
|
56 |
92 |
|
68 |
90 |
輸入電路
對于單天線，天線共用器必須將有效輸入電容最小化，不饋入高阻AM輸入。在AM頻帶，天線通常為高阻，所以增加的并聯(lián)電容將衰減AM信號。電路還必須與FM輸入良好匹配，在獲得最佳噪聲系數(shù)和頻率響應(yīng)的同時抑制其他頻帶的信號。
在 AM輸入，使用一個FM“陷阱”將進(jìn)入至AM輸入的FM信號電平最小化。為避免饋入FM頻帶，陷波器深度為60dBc，并在天線和陷波器之間安裝一個 4.7µH電感。為防止FM-AM失真，在AM輸入安裝一個串聯(lián)電感，改善FM頻帶的反饋。天線共用器的FM部分匹配50Ω天線至FM輸入，同時還將AM 頻帶衰減90dB以上。電感數(shù)量應(yīng)最少，由于有限Q的原因，增加的每個元件都會造成噪聲系數(shù)變差。
雙天線解決方案(圖3)允許采用更少元件實(shí)現(xiàn)簡化濾波和稍好的FM匹配。
圖3. 采用MAX2180的雙天線解決方案應(yīng)用原理圖。
輸出電路
輸出電路需要組合AM和FM輸出，同時將隱含電源送至集成式高壓調(diào)節(jié)器。為了便于衰減任何到達(dá)調(diào)節(jié)器的AM信號，隱含電源通過一個連接至隔交AM輸出的大電感送至集成穩(wěn)壓器。AM輸出通過較小的第二個電感連接至輸出連接器，防止FM輸出造成AM輸出級失真。FM輸出為交流耦合，帶有一個小隔直電容，防止 IM2分量(A-B)造成AM輸出失真。也有反饋通路。建議的解決方案是390Ω電阻(R1)與2200pF電容(C1)串聯(lián)，以獲得最優(yōu)的噪聲系數(shù)性能。如果需要，可利用輸出隔直電容(C2)后邊的衰減器調(diào)節(jié)總增益。連接至FMOUT的上拉電感(L1)根據(jù)阻抗匹配和增益確定大小。LDO輸出 (VLDO)之間的簡單R/C濾波器(3.3Ω/10nF)改善了FM噪聲系數(shù)。FMBYP引腳需要100pF旁路電容提供30dB的AGC范圍。
熱事項(xiàng)
電路板設(shè)計(jì)需要在部件的裸焊盤至模塊外殼之間具有低熱阻。為實(shí)現(xiàn)這一目的，可將引腳20至23接地，使裸焊盤至外殼焊接點(diǎn)或通過這些引腳下方的通孔之間形成穩(wěn)固的銅區(qū)域(圖4)。部件集成了溫度傳感器，一旦管芯達(dá)到+135°C溫度，則逐漸減小電流。部件在熱保護(hù)時仍然保持工作。
圖4. 印制板(PCB)具有低熱阻
總結(jié)
MAX2180 AM/FM天線LNA集成了設(shè)計(jì)汽車天線所需的功能和特性，可滿足各種高性能需求。由于LNA的靈活性，無需重新設(shè)計(jì)或代價不菲的BOM變化，即可將天線修改為滿足各種應(yīng)用需求。成本敏感的方案可使用高度集成的MAX2180，減少分立式外部元件的數(shù)量、節(jié)省電路板空間，并且仍然滿足當(dāng)今的低噪聲、高線性度要求。
本參考設(shè)計(jì)中的FM信號通路提供了133dBµV的OIP3和+180dBµV的OIP2。工作于7V至24V電源電壓，在8V至15V范圍內(nèi)保證性能。MAX2180采用4mm x 4 mm TQFP封裝，ESD額定值為±4kV HBM。備有樣品和評估板。