CATV MAX3509 +68dBmV電纜電話上行通信方案

要：為提高M(jìn)AX3509電纜上行放大器的輸出信號(hào)使其支持電路交換電話系統(tǒng)，本應(yīng)用筆記給出了具體的設(shè)計(jì)修改方案。該放大器具有足夠的增益，可提供66dBmV輸出。本文詳細(xì)討論了輸出回波抑制、散熱以及諧波失真等問(wèn)題。

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概述

電路交換的電纜電話系統(tǒng)需要一個(gè)大的上行信號(hào)來(lái)克服耦合器損耗(圖1)。MAX3509在保持低諧波失真、且符合電纜數(shù)據(jù)服務(wù)接口規(guī)范(DOCSIS)的同時(shí)可驅(qū)動(dòng)高輸出功率。圖4所示電路為獲得大功率驅(qū)動(dòng)而對(duì)MAX3509評(píng)估板做出了一些修改。

圖1. 電纜電話結(jié)構(gòu)圖

MAX3509概述

MAX3509是可編程功率放大器，用于CATV上行系統(tǒng)。此芯片采用3線串行總線控制增益，增益控制級(jí)差為1dB，工作頻率范圍為5MHz至65MHz。MAX3509具有禁止發(fā)射模式，它在TDMA系統(tǒng)突發(fā)期之間能夠?qū)⑿酒糜诟叨雀綦x狀態(tài)。這種模式下，所有模擬功能均被關(guān)斷，減小了輸出噪聲和功率損耗。在進(jìn)入或脫離禁止發(fā)射狀態(tài)時(shí)，全增益范圍內(nèi)瞬態(tài)響應(yīng)保持在25mV。另外，電源電流降為7.8mA。

采用儀表放大器配置時(shí)，功率放大器提供兩個(gè)電流反饋放大器。這種結(jié)構(gòu)具有極低的偶次諧波失真，但需要通過(guò)外部變壓器實(shí)現(xiàn)單端信號(hào)輸出的轉(zhuǎn)換。在發(fā)射禁止模式下，功率放大器偏置降到最小，提供較高的輸入-輸出隔離和極低的輸出噪聲。

在34dBmV的輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，MAX3509可提供足夠的增益產(chǎn)生66dBmV (1:1變壓器)的輸出。在此輸入電平下可達(dá)到額定指標(biāo)。減小輸入電平時(shí)，最大輸出電平相應(yīng)減小、輸出線性得到改善。若輸入電平高于34dBmV則會(huì)增大失真。

輸出回波抑制

在5MHz至42MHz的上行通道上，DOCSIS要求6dB的回波抑制。采用耦合器時(shí)這一要求很容易滿足，對(duì)于7dB耦合器(圖1)，不管上行放大器的輸出阻抗為何值，回波抑制可達(dá)14dB。

MAX3509在發(fā)射模式下輸出阻抗為1.2Ω、發(fā)射禁止模式下的輸出阻抗為170Ω。此輸出阻抗通過(guò)一個(gè)阻抗比為1:4 (N = 1:2電壓)的MAX3509輸出變壓器進(jìn)行轉(zhuǎn)換(此時(shí)可采用Toko 458PT-1087)。MAX3509的等效源阻抗和輸出變壓器可按照?qǐng)D4進(jìn)行計(jì)算。發(fā)射模式下，1.2Ω的輸出阻抗轉(zhuǎn)換成4.8Ω，與47Ω電阻串聯(lián)成為51.8Ω。發(fā)射禁止模式下，170Ω的輸出阻抗轉(zhuǎn)換成680Ω，與47Ω電阻串聯(lián)后成為727Ω。

安全工作區(qū)

電流反饋放大器將驅(qū)動(dòng)足夠的電流維持輸出電壓，這有利于在動(dòng)態(tài)負(fù)載下獲得低失真。當(dāng)然，低阻抗負(fù)載會(huì)從放大器吸取更多電流，因此，必須考慮功耗和散熱問(wèn)題。雙工濾波器的第一個(gè)元件是旁路電容，它會(huì)降低輸出負(fù)載阻抗并增加吸取電流。低阻上行放大器在雙工濾波器42MHz的頻帶上能夠提供很好的驅(qū)動(dòng)。

MAX3509在+70°C時(shí)連續(xù)功率耗散為2200mW，超過(guò)70°C時(shí)按照27mW/°C遞減。此數(shù)據(jù)是基于JEDEC PCB板得出的。采用JESD51-7 PCB板時(shí)最大ICC被降低，在85°C 、V_CC=9V時(shí)，最大I_CC為: (2200 - (85 - 70) 27)/9 = 199mA。

在線路板布局和輸出負(fù)載一定時(shí)，利用散熱片有可能安全增大最大吸取電流(Icc)。MAX3509最大結(jié)溫限制在+150°C Θjc = 2.43°C/W。


圖2功率耗散

例如：若已知MAX3509在42MHz、70dBmV輸出且工作環(huán)境為溫度85°C時(shí)，吸取230mA電流，則可用以下公式來(lái)計(jì)算散熱器要求：

求出Pd = V_CC × I_CC = 9V × 230mA = 2070mW，計(jì)算Θjc + Θca = (Tj - Ta)/Pd = (150 - 85)/2.070 = 31.4C/W，然后用此值減去Θjc就得到Θca = 28.97C/W. Θca為散熱片的熱耗散。通常是根據(jù)周?chē)慕饘俚装鍋?lái)設(shè)計(jì)散熱片，其中95%的熱量通過(guò)MAX3509底部的裸露焊盤(pán)耗散出去。如果將裸露焊盤(pán)下方的散熱面與散熱器直接接觸將獲得較高的散熱效率。另外，在散熱面與地平面之間添加過(guò)孔可有效增大散熱面，有助于熱耗散。對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)合的溫度值(Tc)進(jìn)行測(cè)量能夠保證適當(dāng)?shù)纳崞髟O(shè)計(jì)，測(cè)量溫度時(shí)要盡可能靠近裸露焊盤(pán)。注意，MAX3509頂部的導(dǎo)熱系數(shù)很小。如果把散熱器置于器件頂部將不會(huì)產(chǎn)生功效。

降低MAX3509功耗有三種基本方法。

1. 降低輸出功率。
2. 增大輸出阻抗。
3. 降低V_CC。

本設(shè)計(jì)就利用了以上三種方法。首先，把輸出功率降為+67dBmV (參閱圖6)。第二，串聯(lián)一個(gè)47Ω的輸出電阻以增加輸出阻抗。第三，數(shù)據(jù)取自8.3V (比9V低一個(gè)二極管導(dǎo)通壓降)，可節(jié)省100mW功率且不影響諧波(參閱圖10，11)。

為保證工作特性不受影響，散熱片是最佳選擇。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目的是符合DOCSIS標(biāo)準(zhǔn)，其中最主要的屏障是抑制雜散輻射的要求。圖3給出了DOCSIS關(guān)于抑制雜散信號(hào)輻射的規(guī)范。最難克服的工作條件是滿功率輸出(+58dBmV)時(shí)，在54MHz至60MHz和60MHz至88MHz頻率范圍內(nèi)對(duì)雜散信號(hào)輻射功率的限制。從圖3可以看出需要提供的抑制參數(shù)分別為93dBc和98dBc 。帶內(nèi)(5至42MHz)雜散抑制為-47dBc，而通常由放大器提供帶內(nèi)、帶外諧波抑制為-50dBc。用雙工濾波器衰減帶內(nèi)諧波。為了設(shè)計(jì)雙工濾波器，需要知道上行放大器(MAX3509)的二次、三次諧波失真參數(shù)，再結(jié)合系統(tǒng)規(guī)范(DOCSIS參閱圖3) ，以此來(lái)確定雙工濾波器衰減量的設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于MAX3509這樣的差分、雙極型產(chǎn)品，三次諧波失真相對(duì)于二次諧波失真是更為關(guān)鍵的制約因素。三次諧波失真的兩個(gè)臨界點(diǎn)為fo = 18MHz (54MHz三次諧波)和fo = 20MHz (60MHz三次諧波)。22MHz足夠接近實(shí)際應(yīng)用中的18MHz和20MHz頻點(diǎn)，圖6表示22MHz的三次諧波失真。


圖3. DOCSIS中關(guān)于雜散信號(hào)輻射的限制

圖5至圖8表示輸入頻率分別為9MHz、22MHz、33MHz和42MHz時(shí)，諧波失真與輸出功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。DOCSIS規(guī)定在60MHz頻點(diǎn)處雜散信號(hào)需跌落至-40dBmV或?yàn)?8dBc (58 - -40)。MAX3509在fo = 22MHz (3次諧波在66MHz)、Pin = 33dBmV (參閱圖6)時(shí)諧波抑制為-53dBc。雙工器需要在60MHz頻點(diǎn)提供45dBc(98-53)衰減。對(duì)雙工器在其它頻率區(qū)域的要求是：54MHz頻點(diǎn)DOCSIS規(guī)定雜散信號(hào)在-35dBmV以內(nèi)。輸入頻率為18MHz時(shí)對(duì)應(yīng)的三次諧波為54MHz，雙工器需要在54MHz頻點(diǎn)提供40dBc (58+35-53)的插入損耗。要注意的是三次諧波失真是一個(gè)關(guān)鍵因素。最佳輸入功率為33dBmV或盡可能低一些。

測(cè)試條件

所有測(cè)試均在室溫下進(jìn)行。

輸出變壓器Toko 458PT-1087 N=1:2


圖4. 測(cè)試條件圖

圖5表示輸入為9MHz基頻時(shí)二次、三次諧波失真的數(shù)據(jù)。圖中曲線說(shuō)明帶內(nèi)諧波特性在Pin = +33dBmV (三次諧波限制在線性范圍)時(shí)優(yōu)于59dBc。這項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于DOCSIS規(guī)范要求的47dBc。


圖5.

圖6表示輸入22MHz基頻時(shí)的二次、三次諧波失真數(shù)據(jù)。圖中曲線說(shuō)明帶內(nèi)諧波特性在Pin = +33dBmV、Pout = +67dBmV (三次諧波限制在線性范圍)時(shí)優(yōu)于53dBc。


圖6.

圖7表示輸入33MHz基頻時(shí)的二次、三次諧波失真數(shù)據(jù)。圖中曲線說(shuō)明帶內(nèi)諧波特性在Pin = +33dBmV、Pout = +67dBmV (三次諧波限制在線性范圍)時(shí)優(yōu)于51dBc。


圖7.

圖8表示輸入42MHz基頻時(shí)的二次、三次諧波失真數(shù)據(jù)。圖中曲線說(shuō)明帶內(nèi)諧波特性在Pin = +33dBmV、Pout = +67dBmV (三次諧波限制在線性范圍)時(shí)優(yōu)于50dBc。


圖8.

圖9表示在擊中不同輸入基頻下三次諧波失真的數(shù)據(jù)。圖中曲線表明了不同頻率下的三次諧波性。


圖9.

圖10表示V_CC降低至8.3V時(shí)三次諧波失真的數(shù)據(jù)變化。


圖10.

圖11表明采用V_CC = 8.3V供電時(shí)可節(jié)省功率100mW。


圖11.

圖12表示采用V_CC = 8.3V時(shí)可節(jié)省功率100mW。


圖12.

圖13表明V_CC的微小變化并不影響I_CC。


圖13.

結(jié)論

MAX3509能夠克服耦合器損耗(參閱圖4)并符合DOCSIS規(guī)范的功率標(biāo)準(zhǔn)。此方案的構(gòu)建包括以下步驟：

1. 利用1:2輸出變壓器提高輸出電壓6dB。
2. 在底板上添加具有適當(dāng)熱阻的導(dǎo)熱層。使MAX3509能夠在安全工作區(qū)內(nèi)吸取足夠的電流保證較高的線性工作范圍。
3. 為提高線性工作范圍，將輸入驅(qū)動(dòng)降至+33dBmV以內(nèi)。
4. 為保證線性特性，輸出功率降至+67dBmV。
5. 增加串聯(lián)輸出阻抗，限制MAX3509的功率損耗。

附錄

JEDEC熱量測(cè)試板規(guī)范摘要(JESD51-7)

本說(shuō)明中給出的熱量測(cè)試板描述與Maxim IC的應(yīng)用非常吻合。

• 材料: FR-4
• 電路板層: 2層信號(hào)線(正面和背面)和2層平面(內(nèi)部)
• 成型厚度: 1.60 +/- .16mm
• 金屬厚度- 正面和背面 : 2 oz.銅(.070mm成型厚度)
  • - 2層內(nèi)平面: 1 oz.銅(.035mm成型厚度)
• 絕緣層厚度: 0.25mm - 0.50mm
• 板尺寸: 76.20mm x 114.30mm+/-0.25mm每側(cè)封裝尺寸小于27mm

元件面布線設(shè)計(jì): 引線需布在外側(cè)使測(cè)試器件位于線路板中央。從封裝邊緣的引出線至少延長(zhǎng)25mm。對(duì)于0.5mm或間隔更寬的封裝，引線寬度應(yīng)為0.25 +/- 10%。對(duì)于較寬間隔的封裝，引線應(yīng)等于引腳寬度。引線模式和引線端點(diǎn)需符合JESD51-7中的規(guī)范。

背面布線設(shè)計(jì): 以過(guò)孔終止的元件面引線可能通過(guò)引線或?qū)Ь€(22 AWG或更小, 銅線)與連接器的邊緣相接。JESD51-7規(guī)范中對(duì)不同尺寸導(dǎo)線的電流限制作了明確規(guī)定。

電源面和接地面: 除采用絕緣清除模式外，電源面和接地面必須保持完整。且電源面和接地面不能出現(xiàn)在連接器邊緣9.5mm以內(nèi)。其它要求參見(jiàn)JESD51-7中的詳細(xì)說(shuō)明。