ADSL低噪声前置放大接收器的设计

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1 引言

  

随着因特网裂变般的发展,人们对信息的需求也从窄带的电话、传真、数据等业务向宽带领域延伸,电讯网的主干网、长途交换网和局间中继网已基本实现了数字化和宽带化。但在高速信息网的末端(即用户接入端)大多还使用窄带的铜环电话线路与之相连,这成为制约因特网发展的最大瓶颈之一。因此,ADSL技术作为实现用户端高速接入的一种低成本解决方案受到了广泛的关注。

  

目前,ADSL的标准和实现技术正在稳步发展,产品的开发也进入高速发展期,在这种前提下,越来越多的开发者意识到,ADSLModem模拟前端的高性能将为产品赢得巨大的市场,换句话说:模拟前端性能的优劣也决定了开发的成败。

  

2 ADSL的技术特点

  

ADSL(不对称数字用户线)技术有三个基本特性:一是可在一条铜环电话线路上同时传输高速数据和低速话音信号;二是不对称特性,上下载速度之比约为1:10,即下载速度大约为6Mbps,而上载大约640kbps;三是有较长的传输距离,其速率与传输距离的关系见表1〔3〕。ADSL的技术特点很适合Internet用户端的高速接入。

  

ADSL采用频分复用(FDM)技术,在同一条电话铜环线路上实现非对称高速传输,将一条铜环线分成三个信道:(1)普通电话业务(POTS)信道,频带为0~4kHz,通过前端数据分离器与数字信道分开;(2)上行数字信道,约为25kHz~150kHz,用于传输应答和控制信号;(3)下行数字信道,约为150kHz~1.1MHz。ADSL的调制一般采用DMT(离散多音频调制),它将调制器分成许多(通常256)个带宽为4k的小调制器,DMT使用许多载波建立子信道,每个子信道携带总信息的一个片段,子信道根据相应的载波中心频率独立调制、并行处理。子信道采用QAM调制技术并可携带0~15bits/ symbol/Hz(最大),当某个子信道噪声过大时,就将信息转移到噪声小的信道,并关闭该子信道。   

速率与传输距离的关系

  最大上载带宽的理论值为:

       25信道×15bit/symbol/Hz/信道×4kHz=1.5Mbps

       最大下载带宽的理论值为:

       249信道×15bit/symbol/Hz/信道×4kHz=14.9Mbps〔3〕

    子信道的实际带宽取决于线路的特性。

  

3 前置放大器设计指标的确定

  

ADSL采用DMT方案来处理信号,该规范使得ADSL线性接口电路的设计相当困难,它要求输  入编解码器的信号具有较低的失真和良好的线性特性。为了弥补信号的失真,数字信号处理器必须不断地改变其子信道,以寻找噪声最低的信道,这极大地降低了信号的传输速率。导致失真的噪声主要来源于ADSLmodem内部和外部,外部噪声主要有:线路冲击噪声、白噪声、衰减、串扰噪声以及互调失真等;内部噪声主要来自于器件内部,在信号路径上的每个电路对失真都有影响:线性驱动器、模拟滤波器、ADC、DAC、增益放大器等。因此,仔细地考虑和分析每个元件的噪声和失真对ADSL的设计尤其重要。

  

铜环双绞线对高频信号的衰减可达100dB〔1〕,放大器必须有足够的灵敏度来检测μV级的弱信号。更为重要的是,这样微弱的信号必然为放大器外部和内部噪声所淹没,而且其频谱也可能与有用信号重叠,仅用常规的滤波手段难以达到抑制噪声的目的。设计性能优异的高共模抑制比、低噪声前置放大器,尽量抑制共模和放大器本身噪声将是重要的解决方案。对微弱信号放大器而言,CMRR(共模抑制比)一般至少要求高于120dB,这样的指标一般仅用一个单运放是难以实现的。ADSL允许线路最大失真(THD)小于-65dB〔6〕、衰减小于35dB〔5〕,因此,放大幅度也将达35dB,由于后级编解码器一般又提供了二级放大〔9〕,其总增益达20dB,所以,前置放大器增益可取为Gain≤20dB左右。

  

ADSL标准的ANSIT1.413要求确保噪声功率谱密度为-140dBm,折合到100Ω线路阻抗的系统中,其等效输入噪声En应小于 在实际的系统中,噪声功率谱密度要求≤-150dBm/Hz,或者输入等效噪声电压En≤10nV [4]/般要求选择低噪声和低阻值的电阻。基于上述讨论,前置放大器主要技术指标如下:

    噪声:En≤10nV

    共模抑制比:CMRR≥120dB;

    失真:THD≤-65dB;

    带宽:Bandwidth≥50MHz;  增益:Gain≤20dB

  

4 低噪声前置放大电路的设计

  

4.1 THS6062简介

  

THS6062是TI公司开发的新一代ADSL差分放大接收器,具有低噪声、高速度、高共模抑制比等特点,其主要技术指标如下:

    噪声:电压 En≤1.6nV   电流In≤1.2pA

    带宽:100MHz〔-3dB,G=2(-1)〕

  摆率:100V/μs;

    驱动能力:90mA(典型值)   

THS6062内部电路

  谐波失真:THD=-72dBc(f=1MHz,RL=150Ω)

  THD=-90dBc(f=1MHz,RL=1kΩ)

  电压供电:5V,±5V,±15V

  共模抑制比:80~100dB

  电源抑制比:80~95dB

  输入阻抗:2MΩ  输出阻抗:13Ω

  

4.2 电路设计ADSL前置放大器电路如图2所示。   

ADSL前置放大器电路

  

1)电路元件参数的选取

       

根据噪声系数〔9〕

   噪声系数

  可知:当取Rs=1kΩ时,NF相对较小。其余阻值的选取如下:R2=100Ω,R1=200Ω  根据增益Gain=Rf/R=10,可选R=100Ω,Rf=1kΩ。

  

2)CMRR的计算

      

对于三运放组装放大器的共模抑制比〔8〕

   三运放组装放大器的共模抑制比

  其中:

   kf与CMRR的计算公式  

  

其中,CMRR1=CMRR2=CMRR3=80dB,分别为运放A1、A2、A3的共模抑制比,在一般情况下,同一封装中A1和A2的配对精度远远大于1%。CMRRR为电阻不对称时产生的共模抑制比,当电阻精度为0.01%时,CMRRR=80dB,故:CMRR=200dB。

  

5 结束语

  

本文所设计的放大器具有电路简单、性能指标高等特点,经测试表明各项技术指标符合预期目标,在开发的家居服务器外网接口模块中得到了成功的应用。

 

 

 

 

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