CN110868229A - 一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，属于电子电路技术领域；步骤一、建立具有宽带补偿结构的有源射频前端电路；步骤二、建立补偿电路，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2和电容C3；步骤三、建立有源射频前端电路的传输函数H(S)；步骤四、根据传输函数H(S)，计算出该补偿网络产生的两个极点；步骤五、调整补偿电路中各元器件的数值，使第一极点P1和第二极点P2构成一对共轭极点，实现在极点频率处产生幅频增益以补偿电路整体的射频增益衰减；本发明能够达到扩大系统输入带宽的效果且降低了射频前端电路对器件自身性能的依赖，有利于实现软件无线电架构的通用化数字处理系统。

Description

一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，涉及一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法。
背景技术
出于对有效载荷性能和成本的追求，可为不同通讯标准的多模式、多频段无线终端提供单一平台解决方案的软件无线电概念在航天器产品中得到了广泛关注。数字中频接收机(DIFR)作为实现软件无线电通信的关键技术以其良好的协议兼容性和应用的灵活性成为星上无线通信的研究热点。然而DIFR软件可定义优势的发挥在很大程度上受制于其射频前端(RFE)电路的性能。目前RFE电路的设计方法包括有源和无源两类。其中有源RFE电路主要采用运放完成单端/差分转换，并提供一定的增益放大，为了获得高的输出摆幅和谐波抑制能力，一般射频段的有源前端驱动电路采用全差分运放结构；无源RFE电路主要采用Balun完成单端/差分转换，具有谐波抑制高，噪声系数优的特点，目前这两类电路的共同的限制在于，电路输入带宽由器件自身频带范围决定。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，能够达到扩大系统输入带宽的效果且降低了射频前端电路对器件自身性能的依赖，有利于实现软件无线电架构的通用化数字处理系统。
本发明解决技术的方案是：
一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，包括如下步骤：
步骤一、建立具有宽带补偿结构的有源射频前端电路，包括全差分运放Amp、2个电容C4、2个前馈增益阻抗RG、2个反馈阻抗RF、补偿电路和差分输入型ADC；
步骤二、建立补偿电路，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2和电容C3；
步骤三、建立有源射频前端电路的传输函数H(S)；
步骤四、根据传输函数H(S)，得到该传输函数分母的复频域方程根，计算出该补偿网络产生的两个极点，分别为第一极点P1和第二极点P2；
步骤五、调整补偿电路中各元器件的数值，使第一极点P1和第二极点P2构成一对共轭极点，实现在极点频率处产生幅频增益以补偿电路整体的射频增益衰减。
在上述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，所述步骤一中，其中一个电容C4的一端与有源射频前端电路的外部输入端连接；另一端与其中一个前馈增益阻抗RG的一端连接；该前馈增益阻抗RG的另一端分别与全差分运放Amp的输入N端和其中一个反馈阻抗RF的一端连接；该反馈阻抗RF的另一端分别与全差分运放Amp的输出P端和补偿电路连接；
另一个电容C4的一端接地；另一端与另一个前馈增益阻抗RG的一端连接；该前馈增益阻抗RG的另一端分别与全差分运放Amp的输入P端和另一个反馈阻抗RF的一端连接；该反馈阻抗RF的另一端分别与全差分运放Amp的输出N端和补偿电路连接；差分输入型ADC的输入P端和输入N端分别与补偿电路连接。
在上述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，所述步骤二中，电阻R1、电容C2和电阻R3按顺序以串联方式连接在全差分运放Amp的输出N端和输出P端之间；电阻R2的一端分别与全差分运放Amp的输出P端、电容C1的一端、电容C2和电阻R3的公共点连接；电阻R2的另一端分别与全差分运放Amp的输出N端、电容C3的一端、电阻R1和电容C2的公共点连接；电阻R1分别与电容C1的另一端和差分输入型ADC的输入P端连接；电阻R3分别与电容C3的另一端和差分输入型ADC的输入N端连接。
在上述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，所述步骤三中，传输函数H(S)为：
Figure BDA0002249235420000031
式中，S为复频率；
Gm为全差分运放Amp单边跨导；
ROUT为全差分运放Amp单边输出阻抗；
R1为电阻R1的阻值；
R2为电阻R2的阻值；
C1为电容C1的容值；
C2为电容C2的容值。
在上述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，所述步骤四中，第一极点P1的计算公式为：
Figure BDA0002249235420000032
第二极点P2的计算公式为：
Figure BDA0002249235420000033
在上述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，所述步骤五中，调整补偿电路中各元器件的数值，使第一极点P1和第二极点P2构成一对共轭极点的具体方法为：
调整R1、R2、ROUT、C1和C2的数值，实现
Figure BDA0002249235420000034
则第一极点P1和第二极点P2构成一对共轭极点。
在上述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，所述电容C2的容值C2小于1nF。
在上述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，所述电容C1的容值C1大于100nF。
在上述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，全差分运放Amp的输出P端的信号幅度与输出N端的信号幅度相差不大于50mV。
在上述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，全差分运放Amp自身的信号带宽大于整个射频前端电路的目标输入带宽。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明通过在前端驱动与ADC输入之间加入无源补偿电路，在原有RFE电路中构造一对共轭双极点，利用共轭双极点幅频响应增益补偿RFE电路原有的射频区幅度衰减，能够达到扩大系统输入带宽的效果；
(2)本发明降低了RFE电路对器件性能的依赖，有利于实现软件无线电架构的通用化数字处理系统；
(3)本发明在扩展频带的同时不影响RFE电路本身的链路阻抗匹配特性，非常适用于高速、宽带领域应用。
附图说明
图1为本发明射频前端电路带宽补偿流程图；
图2为本发明具有共轭双极点补偿网络的射频前端电路图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供了一种适用于全差分运放型RFE电路的具有共轭极点的无源补偿网络。利用全差分运放的两条反馈环路，构建包含双零点和一对共轭极点的补偿网络，在不影响运放闭环稳定性的情况下，通过共轭极点固有的幅频增益效应，产生射频段的额外幅度增益，以补偿前端电路由于寄生对地电容等原因造成的射频插损，达到拓展整个RFE前端电路的输入带宽的效果。
如图1所示，基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法主要包括如下步骤：
步骤一、建立具有宽带补偿结构的有源射频前端电路，包括全差分运放Amp、2个电容C4、2个前馈增益阻抗RG、2个反馈阻抗RF、补偿电路和差分输入型ADC；如图2所示，其中一个电容C4的一端与有源射频前端电路的外部输入端连接；另一端与其中一个前馈增益阻抗RG的一端连接；该前馈增益阻抗RG的另一端分别与全差分运放Amp的输入N端和其中一个反馈阻抗RF的一端连接；该反馈阻抗RF的另一端分别与全差分运放Amp的输出P端和补偿电路连接；另一个电容C4的一端接地；另一端与另一个前馈增益阻抗RG的一端连接；该前馈增益阻抗RG的另一端分别与全差分运放Amp的输入P端和另一个反馈阻抗RF的一端连接；该反馈阻抗RF的另一端分别与全差分运放Amp的输出N端和补偿电路连接；差分输入型ADC的输入P端和输入N端分别与补偿电路连接。全差分运放Amp自身应具有良好的增益对称性，即全差分运放Amp的输出P端信号幅度和输出N端信号幅度应基本一致，误差不超过50mV。全差分运放Amp自身的信号带宽大于整个射频前端电路的目标输入带宽。
步骤二、建立补偿电路，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2和电容C3；具体连接方法为：电阻R1、电容C2和电阻R3按顺序以串联方式连接在全差分运放Amp的输出N端和输出P端之间；电阻R2的一端分别与全差分运放Amp的输出P端、电容C1的一端、电容C2和电阻R3的公共点连接；电阻R2的另一端分别与全差分运放Amp的输出N端、电容C3的一端、电阻R1和电容C2的公共点连接；电阻R1分别与电容C1的另一端和差分输入型ADC的输入P端连接；电阻R3分别与电容C3的另一端和差分输入型ADC的输入N端连接。
步骤三、建立有源射频前端电路的传输函数H(S)；传输函数H(S)为：
Figure BDA0002249235420000051
式中，S为复频率；
Gm为全差分运放Amp单边跨导；
ROUT为全差分运放Amp单边输出阻抗；
R1为电阻R1的阻值；
R2为电阻R2的阻值；
C1为电容C1的容值；
C2为电容C2的容值。
步骤四、根据传输函数H(S)，得到该传输函数分母的复频域方程根，计算出该补偿网络产生的两个极点，分别为第一极点P1和第二极点P2；第一极点P1的计算公式为：
Figure BDA0002249235420000061
第二极点P2的计算公式为：
Figure BDA0002249235420000062
步骤五、粗调整补偿电路中各元器件的数值，使第一极点P1和第二极点P2构成一对共轭极点，调整补偿电路中各元器件的数值，使第一极点P1和第二极点P2构成一对共轭极点的具体方法为：
调整R1、R2、ROUT、C1和C2的数值，实现
Figure BDA0002249235420000063
则第一极点P1和第二极点P2构成一对共轭极点。实现在极点频率处产生幅频增益以补偿电路整体的射频增益衰减。为避免并联电容引起的射频幅度衰减，电容C2的容值C2小于1nF。为保证基带信号输入，电容C1的容值C1大于100nF。
需要保证
Figure BDA0002249235420000064
步骤六、进一步细调补偿电路各元器件的数值，调节共轭极点频率，使共轭极点频率位于步骤一中所述有源射频前端电路的整体输入频段的频率上限附近，以保证共轭极点产生的额外幅频增益精确抵消电路自身的射频幅度衰减。
以射频前端电路输入频率为10MHz～500MHz为例，共轭极点频率应为500MHz左右，全差分运放THS4513的输出阻抗ROUT约为10欧姆，则一组可行的参数值为：R1＝1kΩ，R2＝2kΩ，C1为＝3pf，C2＝1.5pf。
本发明首先建立具有宽带补偿结构的有源射频前端电路，包括全差分运放Amp、2个电容C4、2个前馈增益阻抗RG、2个反馈阻抗RF、补偿电路和差分输入型ADC；建立补偿电路，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2和电容C3；推导所建立电路的传输函数并求解该传输函数的分母部分的复频域方程根，从而获得补偿网络引入的两个极点的数学表达式；分步骤调整补偿网络各元件参数的具体取值，首先使产生的两个极点组成共轭极点，其次细调元件参数使共轭极点的频率位于整个射频前端电路的通带频率上限处；以保证共轭极点产生的额外幅频增益精确抵消电路自身的射频幅度衰减。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、建立具有宽带补偿结构的有源射频前端电路，包括全差分运放Amp、2个电容C4、2个前馈增益阻抗RG、2个反馈阻抗RF、补偿电路和差分输入型ADC；
步骤二、建立补偿电路，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2和电容C3；
步骤三、建立有源射频前端电路的传输函数H(S)；
步骤四、根据传输函数H(S)，得到该传输函数分母的复频域方程根，计算出该补偿网络产生的两个极点，分别为第一极点P1和第二极点P2；
步骤五、调整补偿电路中各元器件的数值，使第一极点P1和第二极点P2构成一对共轭极点，实现在极点频率处产生幅频增益以补偿电路整体的射频增益衰减。
2.根据权利要求1所述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，其特征在于：所述步骤一中，其中一个电容C4的一端与有源射频前端电路的外部输入端连接；另一端与其中一个前馈增益阻抗RG的一端连接；该前馈增益阻抗RG的另一端分别与全差分运放Amp的输入N端和其中一个反馈阻抗RF的一端连接；该反馈阻抗RF的另一端分别与全差分运放Amp的输出P端和补偿电路连接；
另一个电容C4的一端接地；另一端与另一个前馈增益阻抗RG的一端连接；该前馈增益阻抗RG的另一端分别与全差分运放Amp的输入P端和另一个反馈阻抗RF的一端连接；该反馈阻抗RF的另一端分别与全差分运放Amp的输出N端和补偿电路连接；差分输入型ADC的输入P端和输入N端分别与补偿电路连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，其特征在于：所述步骤二中，电阻R1、电容C2和电阻R3按顺序以串联方式连接在全差分运放Amp的输出N端和输出P端之间；电阻R2的一端分别与全差分运放Amp的输出P端、电容C1的一端、电容C2和电阻R3的公共点连接；电阻R2的另一端分别与全差分运放Amp的输出N端、电容C3的一端、电阻R1和电容C2的公共点连接；电阻R1分别与电容C1的另一端和差分输入型ADC的输入P端连接；电阻R3分别与电容C3的另一端和差分输入型ADC的输入N端连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，其特征在于：所述步骤三中，传输函数H(S)为：
Figure FDA0002249235410000021
式中，S为复频率；
Gm为全差分运放Amp单边跨导；
ROUT为全差分运放Amp单边输出阻抗；
R1为电阻R1的阻值；
R2为电阻R2的阻值；
C1为电容C1的容值；
C2为电容C2的容值。
5.根据权利要求4所述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，其特征在于：所述步骤四中，第一极点P1的计算公式为：
Figure FDA0002249235410000022
第二极点P2的计算公式为：
Figure FDA0002249235410000023
6.根据权利要求5所述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，其特征在于：所述步骤五中，调整补偿电路中各元器件的数值，使第一极点P1和第二极点P2构成一对共轭极点的具体方法为：
调整R1、R2、ROUT、C1和C2的数值，实现
Figure FDA0002249235410000031
则第一极点P1和第二极点P2构成一对共轭极点。
7.根据权利要求6所述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，其特征在于：所述电容C2的容值C2小于1nF。
8.根据权利要求7所述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，其特征在于：所述电容C1的容值C1大于100nF。
9.根据权利要求8所述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，其特征在于：全差分运放Amp的输出P端的信号幅度与输出N端的信号幅度相差不大于50mV。
10.根据权利要求9所述的一种基于共轭双极点的射频前端电路宽带补偿方法，其特征在于：全差分运放Amp自身的信号带宽大于整个射频前端电路的目标输入带宽。
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