引言
本文介紹AM/FM汽車(chē)天線(xiàn)的一個(gè)參考設計(RD)。設計采用了適用于有源天線(xiàn)模塊的高度集成AM/FM低噪聲放大器(LNA) MAX2180。LNA在A(yíng)M和FM信號通路上均集成了Maxim的自動(dòng)增益控制技術(shù)，帶有用戶(hù)可選設置點(diǎn)。AM和FM信號通路的最大增益亦可變，以滿(mǎn)足各種各樣的用戶(hù)需求。RD詳盡展示了該集成式汽車(chē)解決方案的靈活性和性能。
概述
汽車(chē)天線(xiàn)要求更小、集成度更高的解決方案，并同時(shí)保證現代AM/FM無(wú)線(xiàn)通信裝置所需的高性能。有些解決方案需要自動(dòng)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(xiàn)提供一個(gè)穩壓電源電壓，但是大多數仍然采用電池供電。對天線(xiàn)方案提供商的挑戰是：如何在避免需要反復設計的分立式解決方案或不使用昂貴IC (仍然需要外部PIN二極管和調節器)的情況下滿(mǎn)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(xiàn)供應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(wú)需重新設計、BOM變化及電路板變動(dòng)，即可輕松滿(mǎn)足各種要求。
現在有少數廠(chǎng)商為有源天線(xiàn)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(shí)，還需要一個(gè)穩壓電源，或者一個(gè)外部調整管。外部元件增加了成本，擴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。分立設計的問(wèn)題是，增益、電源電壓或占位面積的任何變化都將導致重新設計，從而占用更多的設計資源，而設計資源在多數情況下非常匱乏。
最優(yōu)天線(xiàn)解決方案和MAX2180
Maxim Integrated Products開(kāi)發(fā)了一套AM/FM天線(xiàn)解決方案，其中集成了全部有源元件，滿(mǎn)足當今苛刻的汽車(chē)天線(xiàn)需求。天線(xiàn)采用MAX2180 LNA。MAX2180采用了內部高壓CMOS工藝，在一片小型4mm x 4mm TQFP封裝內集成了AM和FM AGC，以及高壓調節器。這種設計避免了所有PIN二極管和外部穩壓電路或傳輸晶體管，同時(shí)還可采用電池或穩壓電源工作。MAX2180可實(shí)現最大AM和FM增益，并且AGC設置點(diǎn)可變。它還包括天線(xiàn)監測功能，在故障條件下吸入15mA電流。
LNA的片上穩壓電路工作于7V至24V。為防止過(guò)熱損壞，集成溫度傳感器通過(guò)折返電流限制最高結溫。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，FM放大器提供50Ω輸入和輸出阻抗。最大AM增益可通過(guò)改變外部電阻在0dB至6dB范圍內設置。最大FM增益可在5.8dB至8.5dB (R1 = 0Ω)范圍內變化。為了改善噪聲系數，R1應為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(zhuān)利的AGC電路，增益控制范圍為30dB。此外，AGC設置點(diǎn)可變，為主機提供希望的最大輸出水平。
采用MAX2180進(jìn)行設計時(shí)，利用數據資料中的表格選擇所需的信號通路增益和AGC設置點(diǎn)，可簡(jiǎn)化設計。這種自定義參數值范圍使得一款設計即可滿(mǎn)足多種需求，無(wú)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(shí)又具有滿(mǎn)足各種需求的靈活性。圖2所示為單天線(xiàn)解決方案的應用原理圖。
圖1. MAX2180高集成度解決方案(A)與AM/FM有源天線(xiàn)競爭方案(B)的比較
圖2. 采用MAX2180的單天線(xiàn)解決方案應用原理圖
設計實(shí)例
我們的測試實(shí)例為用于小型汽車(chē)的一款低增益天線(xiàn)。這種應用需要更大增益，但是小型汽車(chē)中的短電纜減小了從天線(xiàn)至主機的損耗，目標最大輸入水平對AM來(lái)說(shuō)為+80dBμV，FM為+95dBμV。
AM：引腳1電阻= 0Ω，增益為6.5dB (表1)；引腳17短路至地，AM輸出AGC設置點(diǎn)為+79dBμV (表2)。
FM：引腳10短路至地，FM增益為8.5dB (表3)；引腳12對地電阻= 39kΩ，FM輸出AGC保護點(diǎn)為+94dBμV (表4)。
輸入電路
對于單天線(xiàn)，天線(xiàn)共用器必須將有效輸入電容最小化，不饋入高阻AM輸入。在A(yíng)M頻帶，天線(xiàn)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和頻率響應的同時(shí)抑制其他頻帶的信號。
在A(yíng)M輸入，使用一個(gè)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(xiàn)和陷波器之間安裝一個(gè)4.7μH電感。為防止FM-AM失真，在A(yíng)M輸入安裝一個(gè)串聯(lián)電感，改善FM頻帶的反饋。天線(xiàn)共用器的FM部分匹配50Ω天線(xiàn)至FM輸入，同時(shí)還將AM頻帶衰減90dB以上。電感數量應最少，由于有限Q的原因，增加的每個(gè)元件都會(huì )造成噪聲系數變差。
雙天線(xiàn)解決方案(圖3)允許采用更少元件實(shí)現簡(jiǎn)化濾波和稍好的FM匹配。
圖3. 采用MAX2180的雙天線(xiàn)解決方案應用原理圖
輸出電路
輸出電路需要組合AM和FM輸出，同時(shí)將隱含電源送至集成式高壓調節器。為了便于衰減任何到達調節器的AM信號，隱含電源通過(guò)一個(gè)連接至交流耦合AM輸出的大電感送至集成穩壓器。AM輸出通過(guò)較小的第二個(gè)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(gè)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)的噪聲系數性能。如果需要，可利用輸出隔直電容(C2)后邊的衰減器調節總增益。連接至FMOUT的上拉電感(L1)根據阻抗匹配和增益確定大小。LDO輸出(VLDO)之間的簡(jiǎn)單R/C濾波器(3.3Ω/10nF)改善了FM噪聲系數。FMBYP引腳需要100pF旁路電容提供30dB的AGC范圍。
散熱
電路板設計需要在部件的裸焊盤(pán)至模塊外殼之間具有低熱阻。為實(shí)現這一目的，可將引腳20至23接地，使裸焊盤(pán)至外殼焊接點(diǎn)或通過(guò)這些引腳下方的通孔之間形成穩固的銅區域(圖4)。部件集成了溫度傳感器，一旦管芯達到+135°C溫度，則逐漸減小電流。部件在熱保護時(shí)仍然保持工作。
圖4. 印制板(PCB)具有低熱阻
總結
MAX2180 AM/FM天線(xiàn)LNA集成了設計汽車(chē)天線(xiàn)所需的功能和特性，可滿(mǎn)足各種高性能需求。由于LNA的靈活性，無(wú)需重新設計或代價(jià)不菲的BOM變化，即可將天線(xiàn)修改為滿(mǎn)足各種應用需求。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量、節省電路板空間，并且仍然滿(mǎn)足當今的低噪聲、高線(xiàn)性度要求。
本參考設計中的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范圍內保證性能。MAX2180采用4mm x 4mm TQFP封裝，ESD額定值為±4kV HBM。備有樣品和評估板。
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