개요: 이 응용 노트는 183.6MHz에서의 단일단 FM IF 필터에 대한 인터페이스 설계를 다루고 있다. "밸룬(balun)"을 사용한 수동 LC 네트워크는 평형-비평형 간 인터페이스를 제공해 준다. 이 설계는 4개의 인덕터와 3개의 커패시터를 사용한다. 삽입 손실은 매칭 네트워크와 FM 필터를 통틀어 4.9dB이다.
MAX2538 셀룰러 프론트엔드 IC는 AMPS 셀룰러 신호 경로를 위한 전용 믹서를 갖고 있다. 셀룰러 대역LNA(저잡음 증폭기) (869~894MHz)는 AMPS와 셀룰러 CDMA(코드 분할 다중 접속) 모두에 공통이다.믹서 설계는 최적의 노이즈 및 LO(자국 발진자) 제거를 위해 2중 평형을 이루고 있다. 이 믹서의 IC 핀아웃은차동 IF 출력, 그리고 단일단 RF 입력을 제공한다.
Maxim의 V3.5 셀룰러폰 레퍼런스 설계는 단일단 입출력이 있는 FM IF 필터를 채용하고 있으므로, 차동 믹서 출력을단일단 동작으로 변환할 필요가 있다. 개별 부품을 사용한 L-C 밸룬(평형-비평형 간 트랜스) 설계의 난점은 대부분 믹서 출력(3.3kΩ)으로부터 IF 필터 출력(180Ω)까지의 높은 임피던스 변환("Z")률에 기인한다. 18:1의 이 Z율은 단일 섹션 트랜스로는 구현하기가 매우 어렵다. 우리의 실험 결과 삽입 손실을 적게 하는범위에서의 실질적인 변환율 한계는 4:1임을 알 수 있었다. 부품 수를 최소한으로 유지하기 위해서는 단일 차수 LC 설계로1.5dB의 삽입 손실이 생기는 선에서 절충하였다.
이제부터 평형-비평형 간 LC 트랜스의 설계 방법, 그리고 FM 필터의 매칭 방법을 알아보도록 하자.
믹서 내장 소스 임피던스는 12kΩ||(병렬)0.75pF으로 보인다. 3.3kΩ의 외부 부하 저항은 믹서 IIP3(입력 3차간섭), 이득 및 NF(잡음지수) 간의 최상의 절충을 얻기 위해 선택하였다. MAX2538 성능을 최상으로 끌어내기 위해서약 +7dBm의 IIP3, 13dB의 이득, 그리고 8.5dB의 잡음지수 값을 목표로 하였다. 또한 저항성 부하는 상호변조성능에 심각한 악영향을 미치는 대역 외 반사를 흡수하기 위해 광대역 종단을 유지한다.
제 1 단계:
MAX2538 FM 믹서의 시뮬레이션을 통해 출력 임피던스 모델을 추출하였다. FM 믹서의 평형-비평형 LC 트랜스 및 FM필터 매칭 네트워크를 보다 단순화하고 적절히 시뮬레이션하기 위해서는 IF 부하 저항을 믹서의 출력 모델과 결합하고 차동 병렬회로를 차동 직렬 등가 회로로 변환하는 것이 편리하다.
그림 1. 믹서 출력 임피던스를 모델링하여 설계를 단순화한다.
제 2 단계:
목표 주파수에서 FM 필터 입력 및 출력 모델을 알아야 한다. 여기서 사용한 필터는 Toyocom사의 TF3-J3DC5(183.6MHz)이다.
그림2. FM 필터의 입출력 임피던스
제 3 단계:
이제 RF 시뮬레이션 소프트웨어를 사용, 필터의 2단자 S-파라미터를 써서 Toyocom사의 FM 필터를 시뮬레이션하고 이상적인부품 값을 써서 레퍼런스 포인트를 구성한다(그림 3 참조). 그림 4에는 이상적인 주파수 응답이 나와 있다. 이 레퍼런스 포인트는이상적인 성능 지표를 제시한다. 실제 인덕턴스 모델이 사용되면, 실제 인덕터의 낮은 Q 인자 값에 의해 성능의 열화가 발생한다.실제 회로 구현에서는 높은 Q 값을 갖는 권선형 인덕터를 사용하여 삽입 손실을 줄이도록 해야 한다.
그림 3. 이상적 부품 값을 설계의 시작점으로 한 단일단 매칭 네트워크
그림 4. 이상적인 FM 필터 성능
제 4 단계:
필터의 입출력 임피던스와 주파수 응답을 알고 있으므로, L-C 밸룬 트랜스를 설계할 수 있다. 트랜스의 공진 주파수는 183.6MHz이다.아래의 공식을 쓰면 회로의 공진 주파수를 구할 수 있다.
L = 238.5nH, C = 3.15pF (믹서 모델 = 3.15pF로부터 2.4pF + 0.75pF)로 선정하면 Fo= 183.6MHz가 된다.
필터의 입력 임피던스는 55.49-j64.33Ω이므로, 아래의 회로는 믹서의 출력 임피던스를 먼저 55.49Ω으로 매칭하게될 것이다. 평형-비평형 L-C 트랜스가 이상적이지 않고 여기에 사용된 인덕터의 Q 값이 35이므로, 회로는 삽입 손실을 갖게되고 원래의 238.5nH 인덕터를 사용할 때 183.6MHz에서 공진하지 않게 된다. 따라서 이 설계는 220nH 인덕터를써서 183.6MHz에서 공진하도록 재조정하여야 한다(그림 5 참조). 그림 5의 회로는 -1.44dB의 삽입 손실을 갖는다(그림6 참조).
그림 5. 220nH 인덕터를 사용하여 183.6MHz에서 공진이 일어나도록 설계를 조정한다.
그림 6.
제 5 단계:
평형-비평형 간 L-C 트랜스가 Toyocom FM 필터에 매칭되었다.
그림 7. 최종 설계는 3개의 커패시터를 사용한다.
그림 8. 완성된 회로의 주파수 응답.
결론
평형-비평형 L-C 트랜스는 최소한의 개별 부품(2개의 인덕터와 1개의 커패시터)을 사용하여 설계되고, 삽입 손실은 최소한으로
유지된다. 밸룬 L-C 트랜스를 통한 삽입 손실은 -1.44dB이며, 183.6MHz에서 FM 필터를 통한 삽입 손실은 -3.16dB이다.그림 7에는 사용된 회로가 나와 있으며 그 성능은 그림 8에 나타내어져 있다.
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