应用笔记 4852

利用MAX2180 LNA设计AM/FM有源天线

By: Matthew Waight

摘要 : 本文介绍了一款汽车AM/FM有源天线的参考设计(RD)。该RD充分体现了MAX2180有源天线低噪声放大器(LNA)的灵活性,给出了AM和FM增益的设置方法以及自动增益控制的设置。详细介绍了单、双天线机制,包括输入和输出匹配电路。本设计配合数据手册、器件评估板(EV),能够轻松开发满足各种有源天线需求的天线拓扑。

引言

本应用笔记介绍了一个AM/FM汽车天线参考设计(RD)。设计采用高度集成的AM/FM低噪声放大器(LNA) MAX2180,非常适合有源天线模块。LNA在AM和FM信号通路均集成了Maxim的自动增益控制架构,用户可选择设置点。AM、FM信号通道的最大增益可以根据不同用户的需求进行调整。RD充分体现了这一集成汽车方案的灵活性。

概述

汽车天线要求更小、集成度更高的解决方案,同时还要满足现代AM/FM无线通信装置的高性能需求。有些解决方案需要自动增益控制(AGC),有些则采用固定增益LNA,以获得最低成本。有些方案中为有源天线提供了一个稳压电源电压,但多数采用电池供电。天线方案供应商所面临的挑战是:如何避免分立方案的重复设计,避免使用昂贵的IC (仍需外部PIN二极管和稳压器),同时还要满足各种行业要求。在资源、空间有限的情况下,天线供应商的理想方案必然是高性能、低成本且设计灵活的IC;而且在不需重复设计、重复更改BOM及电路板的条件下,即可轻松满足各种要求。

目前,只有少数厂商为有源天线提供AM/FM集成方案。但这些方案需要外部PIN二极管提供AGC,这些方案在电池供电时还需要配备一个稳压电源,或者一个外部调整管。外部元件增加了成本,扩大了方案尺寸。如果不需要AGC,解决方案通常采用分立设计,以获得最低成本。分立设计的问题是:增益、电源电压或电路板尺寸的任何变化都将导致重新设计,从而占用更多的设计资源,而设计资源在多数情况下非常匮乏。

天线优化方案和MAX2180

Maxim开发的AM/FM天线解决方案集成了所有有源器件,满足当前汽车天线的苛刻需求。天线采用MAX2180 LNA,MAX2180采用内部高压CMOS工艺,在4mm x 4mm小尺寸TQFP封装内集成了AM和FM AGC,以及高压稳压器。这种设计避免了所有PIN二极管和外部稳压电路或调整管,能够工作在电池或稳压电源下。MAX2180为AM、FM通道提供最高增益,可调整AGC设置点。器件内置天线监测功能,在故障条件下吸入15mA电流。

LNA的片上稳压器可接受7V至24V供电,为防止过热损坏,集成温度传感器通过折返限流来限制最高结温。保证放大器在任何环境条件下正常工作。

AM输入为高阻、输出为低阻,FM放大器提供50Ω输入、输出阻抗。最大AM增益可通过改变外部电阻在0dB至6dB范围内调整;最大FM增益可在5.8dB至8.5dB (R1 = 0Ω)范围内变化。为了改善噪声系数,R1应为390Ω,从而将增益范围提高至10.0dB至10.8dB。两条信号通路均采用Maxim拥有专利的AGC架构,增益控制范围为30dB。此外,可调节AGC设置点,为主机提供所要求的最大输出水平。

采用MAX2180设计时,参考数据手册中的表格选择所需要的信号通路增益和AGC设置点,以简化设计。这种自定义参数范围使得一款设计即可满足多种需求,无需重新布置电路板。如图1所示,与竞争方案相比,MAX2180提供了更高的集成度,同时又可以灵活支持不同的应用需求,图2所示为单天线解决方案的应用原理图。

图1. MAX2180高集成度解决方案(A)与AM/FM有源天线竞争方案(B)的比较。
图1. MAX2180高集成度解决方案(A)与AM/FM有源天线竞争方案(B)的比较。

图2. 采用MAX2180的单天线解决方案应用原理图。
图2. 采用MAX2180的单天线解决方案应用原理图。

设计实例

我们的测试实例为用于小型汽车的一款低增益天线。这种应用需要更大增益,但是小型汽车中的短电缆减小了从天线至主机的损耗,目标最大输入水平对AM来说为+80dBµV,FM为+95dBµV。

AM:引脚1电阻 = 0Ω,增益为6.5dB (表1);引脚2短路至地,AM输出AGC设置点为+79dBµV (表2)。

FM:引脚10短路至地,FM增益为8.5dB (表3);引脚12对地电阻 = 39kΩ,FM输出AGC保护点为+94dBµV (表4)。

表1. AM信号通路增益
引脚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信号通路设置点
引脚2 AM输出设置点(dBµV,典型值)
Ground 79
Open 83
VLDO 86

表3. FM信号通路增益
引脚10 FM增益(dB,典型值;无外部电阻) FM增益(dB,典型值;外部电阻 = 390Ω)
VLDO 8.5 10.8
Open 7.1 10.3
Ground 5.8 10

表4. FM信号通路设置点
引脚12 (kΩ) FM输出保护点(dBµV,典型值)
0 104
10 100
18 96
27 95
39 94
47 93
56 92
68 90

输入电路

对于单天线应用,双工器必须将等效输入电容降至最小,不馈入高阻AM输入。在AM频段,天线通常为高阻,增大并联电容将衰减AM信号。电路还必须与FM输入保持匹配,在获得最佳噪声系数和频率响应的同时抑制带外信号。

在AM输入端连接一个FM “陷波器”,将耦合到AM输入的FM信号降至最小。为避免馈入FM频带,陷波抑制至少为60dBc,并在天线和陷波电路之间安装一个4.7µH电感。为消除FM-AM失真,在AM输入安装一个串联电感,改善FM频带的反馈。双工器的FM部分需要采用50Ω天线匹配,同时对AM频段提供90dB以上衰减。应保持最低电感,考虑到有限的Q值,增加的每个元件都会造成噪声系数变差。

双天线解决方案(图3)允许采用更少的元件,简化滤波设计并可获得较好的FM匹配。

图3. 采用MAX2180双天线解决方案应用原理图。
图3. 采用MAX2180双天线解决方案应用原理图。

输出电路

输出电路需要组合AM和FM输出,同时将幻象电源馈送到集成高压稳压器。为了便于衰减耦合到稳压器的AM信号,幻象电源通过一个连接在交流耦合AM输出的大电感馈送到集成稳压器。AM输出通过另一个小尺寸电感连接到输出连接器,防止FM输出在AM输出级产生失真。FM输出采用交流耦合,带有一个小尺寸隔直流电容,有助于避免IM2分量(A-B)在AM输出产生失真。对于反馈通路,建议采用390Ω电阻(R1)与2200pF电容(C1)串联,以获得最佳噪声系数。必要时,可以在输出隔直流电容(C2)后面增加一级衰减网络,调节总增益。根据阻抗匹配和增益确定FMOUT上拉电感(L1)的大小。LDO输出(VLDO)之间的R/C滤波器(3.3Ω/10nF)有助于改善FM噪声系数。FMBYP引脚需要100pF旁路电容,提供30dB的AGC范围。

散热

电路板设计需要在器件的裸焊盘与模块外壳之间保持尽可能低的热阻。为达到这一目标,将引脚20至23接地,使裸焊盘与底盘焊点或者这些引脚过孔之间形成覆铜区域(图4)。器件内置温度传感器,一旦管芯温度达到+135°C,则逐渐减小电流。热保护状态下,器件仍可保持工作。

图4. 具有低热阻的印制板(PCB)布局
图4. 具有低热阻的印制板(PCB)布局

总结

MAX2180 AM/FM天线LNA集成了设计汽车天线所需的功能和特性,满足各种高性能要求。由于LNA的设计灵活性,无需重新设计或更改BOM,即可省升级天线,以满足不同的应用需求。对于成本敏感系统,可以使用高集成度MAX2180,减少外部元件的数量、节省电路板空间,并满足低噪声、高线性度的要求。

本参考设计中的FM信号通路提供了133dBµV的OIP3和+180dBµV的OIP2,工作在7V至24V电源电压,在8V至15V范围内保证性能。MAX2180采用4mm x 4mm TQFP封装,ESD额定值为±4kV HBM。备有样品和评估板。