一、產(chǎn)品概述

ADMV4540 是模擬器件公司（Analog Devices）推出的一款 K 波段集成正交解調(diào)器，內(nèi)部集成可編程分頻比的分?jǐn)?shù) N 頻率合成器（Fractional-N PLL）和壓控振蕩器（VCO）。該器件覆蓋 17 GHz 到 24 GHz 的寬工作頻段，支持高精度、高線性度的射頻信號(hào)下變頻與正交解調(diào)，能夠直接輸出 I/Q 基帶信號(hào)，無(wú)需外部二次混頻或額外相位校準(zhǔn)電路，適用于雷達(dá)、無(wú)線通信、測(cè)試測(cè)量等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

　　產(chǎn)品詳情

　　ADMV4540是一款高度集成的正交解調(diào)器，帶有集成頻率合成器，非常適合下一代K波段衛(wèi)星通信。

　　ADMV4540的RF前端由兩個(gè)低噪聲放大器(LNA)路徑組成，每個(gè)路徑都具有可獲得最大增益的最佳級(jí)聯(lián)5 dB雙邊帶噪聲系數(shù)，同時(shí)最大限度地減少外部元件數(shù)量。雙路徑允許支持天線極化。LNA路徑的選擇可以通過(guò)SPI完成。

　　然后使用同相和正交(I/Q)混頻器將LNA輸出下變頻到基帶。然后將I/Q混頻器輸出饋入全差分低噪聲、低失真可編程濾波器和可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)。每個(gè)通道都能夠抑制較大的帶外干擾源，同時(shí)可靠地提升有用信號(hào)，從而降低系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的帶寬和分辨率要求。通道之間的出色匹配及其在所有增益和帶寬設(shè)置下的較高無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)使ADMV4540成為具有密集星座圖、多個(gè)運(yùn)營(yíng)商和附近干擾源的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的理想選擇。

　　125 MHz、250 MHz和500 MHz三個(gè)濾波器角均可以通過(guò)串行外設(shè)接口(SPI)進(jìn)行編程。濾波器提供六階巴特沃斯響應(yīng)，具有141 MHz、282 MHz和565 MHz的?3 dB轉(zhuǎn)折頻率。對(duì)于超過(guò)565 MHz的操作，可以禁用并完全繞過(guò)濾波器，從而將?3 dB帶寬擴(kuò)展到900 MHz。

　　ADMV4540的高動(dòng)態(tài)范圍基帶輸出放大器提供57 dB的整體標(biāo)稱轉(zhuǎn)換增益。ADMV4540的三個(gè)基帶電壓可變衰減器(VVA)引腳(VCTRL_BBVVAx)可用于自動(dòng)增益控制(AGC)，為ADMV4540提供寬廣的RF輸入動(dòng)態(tài)范圍。

　　這款功能豐富的器件包含一個(gè)集成的小數(shù)N分頻鎖相環(huán)(PLL)和一個(gè)低相位噪聲壓控振蕩器(VCO)，可為兩個(gè)雙平衡I/Q混頻器生成必要的片內(nèi)本地振蕩器(LO)信號(hào)，而無(wú)需外部頻率合成。VCO利用內(nèi)部自動(dòng)校準(zhǔn)程序，允許PLL選擇必要的設(shè)置并鎖定。

　　ADMV4540 PLL的參考輸入(REFIN)采用50 MHz的差分激勵(lì)晶體振蕩器?；蛘撸琑EFIN可以由高達(dá)100 MHz的外部單端基準(zhǔn)頻率驅(qū)動(dòng)。鑒頻鑒相器(PFD)比較頻率高達(dá)100 MHz，允許以極其精細(xì)的步長(zhǎng)連續(xù)覆蓋17 GHz至21.5 GHz的LO。

　　ADMV4540采用3.3 V電源供電，總功耗低于3.2 W。采用符合RoHS的48引腳、7 mm × 7 mm LGA封裝，并帶有裸焊盤。ADMV4540采用3.3 V電源供電，并可在?40℃至+85℃溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

　　應(yīng)用

　　衛(wèi)星通信

　　特性

　　具有低相位噪聲 VCO 的小數(shù) N 頻率合成器

　　K 波段正交解調(diào)器

　　可通過(guò) 4 線 SPI 編程

　　射頻工作頻率范圍：17 GHz 至 22 GHz

　　LO 內(nèi)部頻率范圍：17 GHz 至 21.5 GHz

　　雙邊帶噪聲指數(shù)：5 dB（最大轉(zhuǎn)換增益時(shí)）

　　輸出集成相位噪聲，1 kHz 至 10 MHz：<1°

　　最大轉(zhuǎn)換增益為 >50 dB

　　轉(zhuǎn)換增益控制范圍為 >50 dB

　　在復(fù)合輸入電平為 ?30 dBm，ΔfRF = 1 MHz 時(shí)，IM3 為 ?54 dBc。

　　3 個(gè)基帶、SPI 可選 LPF，轉(zhuǎn)角頻率為：每個(gè)基帶路徑上為 125 MHz、250 MHz 和 500 MHz

二、主要型號(hào)及參數(shù)

ADMV4540 目前只有一種型號(hào)，但通過(guò) SPI 接口可靈活配置 PLL 分頻比、VCO 頻率及增益等參數(shù)。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

三、內(nèi)部架構(gòu)與工作原理ADMV4540 的核心由三部分構(gòu)成：可編程 PLL/VCO、射頻下變頻網(wǎng)絡(luò)和 I/Q 輸出緩沖電路。

1. 分?jǐn)?shù) N PLL 與 VCO
   ADMV4540 集成一個(gè)高性能壓控振蕩器，其輸出頻率可在 17 GHz 到 24 GHz 之間連續(xù)調(diào)諧。PLL 環(huán)路采用分?jǐn)?shù) N 結(jié)構(gòu)，最小可調(diào)分頻步進(jìn)為 0.0625，確保輸出頻率的高精度與低相位噪聲。通過(guò) SPI 總線編程，可以實(shí)時(shí)設(shè)置整數(shù)分頻比、分?jǐn)?shù)分頻分子和分母、鑒相器帶寬等參數(shù)，以平衡相位噪聲與鎖定時(shí)間。

2. 射頻前端與混頻
   射頻輸入信號(hào)（RF）通過(guò)射頻匹配網(wǎng)絡(luò)與變壓器耦合進(jìn)入解調(diào)器內(nèi)部，與 VCO 提供的 LO 信號(hào)進(jìn)行正交混頻。器件在 I 和 Q 兩路通道中各設(shè)置一個(gè)雙平衡混頻器，使得 I/Q 通道具有良好的隔離度與圖像抑制能力。

3. 基帶輸出與校準(zhǔn)
   混頻得到的 I/Q 基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)可編程增益放大器（PGA）和 DC 補(bǔ)償電路，然后輸出至差分緩沖器。內(nèi)部校準(zhǔn)功能可通過(guò) SPI 控制，在系統(tǒng)上電或定期自檢時(shí)自動(dòng)補(bǔ)償 I/Q 通道增益與相位不匹配，以提高解調(diào)精度。

四、關(guān)鍵性能指標(biāo)

1. 相位噪聲：在 LO 輸出端，相位噪聲典型值為 –94 dBc/Hz @ 1 MHz 偏移；PLL 輸出端可達(dá)到 –120 dBc/Hz @ 1 MHz 偏移，滿足高數(shù)據(jù)率無(wú)線通信和精密雷達(dá)系統(tǒng)的需求。

2. 增益與線性度：I/Q 通道增益可通過(guò) SPI 在 0 dB 到 20 dB 之間調(diào)節(jié)，典型 20 dB 增益下，1 dB 壓縮點(diǎn)（P1dB）為 –10 dBm，三階交調(diào)點(diǎn)（IP3）為 –5 dBm，能夠保證較寬動(dòng)態(tài)范圍。

3. 噪聲系數(shù)：噪聲系數(shù)典型值為 7 dB，結(jié)合高增益、低相位噪聲特性，可有效提高系統(tǒng)靈敏度。

4. 圖像抑制比與隔離度：圖像抑制比大于 40 dB，RF 到 LO 旁路隔離度超過(guò) 50 dB，確保強(qiáng)信號(hào)環(huán)境下的穩(wěn)定解調(diào)。

5. 轉(zhuǎn)換帶寬：I/Q 通道的 -3 dB 帶寬可達(dá) 1 GHz，支持寬帶信號(hào)解調(diào)。

五、功能特點(diǎn)

• 集成化高：內(nèi)部集成 PLL、VCO、混頻器和基帶放大器，減少外部器件數(shù)量，簡(jiǎn)化射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

• 寬帶覆蓋：一次芯片覆蓋 17 GHz 到 24 GHz，適應(yīng)多種 K 波段應(yīng)用，無(wú)需外部切換元件。

• 高精度分頻：分?jǐn)?shù) N 分頻結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最小 0.0625 步進(jìn)，頻率精度高，支持頻率合成靈活性。

• 快速鎖定時(shí)間：典型鎖定時(shí)間小于 50 微秒，適合快速跳頻與掃描應(yīng)用。

• 自動(dòng)校準(zhǔn)：內(nèi)置 I/Q 平衡校準(zhǔn)機(jī)制，提升解調(diào)精度，降低后級(jí)校準(zhǔn)復(fù)雜度。

• 數(shù)字可編程：通過(guò) SPI 總線可動(dòng)態(tài)配置所有工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)軟件定義無(wú)線電功能。

六、電氣性能及封裝ADMV4540 采用 5 mm × 5 mm 四方 LFCSP 封裝，32 引腳焊盤排列，使布局緊湊。主要引腳分布如下：

• 射頻輸入 RF_IN

• 射頻輸出 LO_OUT

• I/Q 輸出差分對(duì) I_OUT、Q_OUT

• 供電引腳 Vdd_RF、Vdd_PLL、Vdd_IO

• SPI 接口引腳 SCLK、MOSI、MISO、CS

• 地引腳 GND

建議在布局設(shè)計(jì)時(shí)貼近 RF_IN 和 LO_OUT 引腳放置射頻電容與電感，減少走線長(zhǎng)度，并在供電引腳附近部署去耦電容，以抑制電源噪聲。

七、典型應(yīng)用

• 雷達(dá)系統(tǒng)：氣象雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)和汽車毫米波雷達(dá)中，ADMV4540 可作為下變頻器，輸出 I/Q 基帶信號(hào)供后端 DSP 做目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤。

• 無(wú)線通信：5G 毫米波基站和用戶終端的射頻收發(fā)模塊，利用其低相位噪聲、高線性度特性提升鏈路質(zhì)量。

• 測(cè)試測(cè)量：矢量信號(hào)發(fā)生器和分析儀中，用于信號(hào)解調(diào)與基帶校準(zhǔn)，提高測(cè)量精度與穩(wěn)定性。

• 衛(wèi)星通信：Ka 波段鏈路中，可集成本地振蕩與解調(diào)功能，顯著降低系統(tǒng)體積與功耗。

八、使用注意事項(xiàng)與設(shè)計(jì)指南

1. 射頻匹配：推薦在 PCB 上為 RF_IN 和 LO_OUT 匹配 50 歐姆阻抗網(wǎng)絡(luò)，并使用微帶線或共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。避免懸空長(zhǎng)線導(dǎo)致反射。

2. 電源去耦：Vdd_RF 和 Vdd_PLL 兩路電源需使用 0.1 微法和 1 納法多級(jí)去耦電容，并在近引腳處焊接。

3. 溫度管理：高功率工作時(shí) VCO 會(huì)產(chǎn)生熱量，建議在芯片底部敷銅或加裝散熱片，保證環(huán)境溫度在 -40 ℃ 到 +85 ℃。

4. SPI 時(shí)序：SPI 時(shí)鐘最大頻率為 50 MHz，上電后需按照時(shí)序手冊(cè)進(jìn)行復(fù)位與配置，以免錯(cuò)失鎖定。

5. EMI 抑制：在 PCB 四周布置地平面，射頻區(qū)與數(shù)字區(qū)分離，減少數(shù)字信號(hào)對(duì)射頻信號(hào)的干擾。

九、總結(jié)

ADMV4540 憑借高度集成化的 PLL/VCO、混頻器和 I/Q 輸出電路，實(shí)現(xiàn)了 17 GHz 到 24 GHz 的寬帶正交解調(diào)功能，具有低相位噪聲、高線性度、可編程分頻和自動(dòng)校準(zhǔn)等優(yōu)勢(shì)。結(jié)合緊湊封裝和數(shù)字控制接口，使其在雷達(dá)、5G 通信、測(cè)試測(cè)量和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，合理布局、充分去耦和精確匹配是發(fā)揮其最佳性能的關(guān)鍵。