模拟乘法器ADL5391的原理与应用

摘要：简单介绍了ADI公司推出的新一代高性能模拟乘法器ADL5391的主要特性和工作原理。给出了基于ADL5391的宽带乘法器的典型应用电路，并对其进行了测试。最后设计了基于ADL5391的二倍频电路，测试结果表明该二倍频电路具有性能稳定、工作频带宽、测量精度高、抗干扰能力强等优点。
关键词：ADL5391；模拟乘法器；宽带乘法器；二倍频电路

    模拟乘法器是现代信号处理系统的重要组成单元，它广泛应用于锁相环、混频器、滤波器等信号处理电路中。ADL5391是美国ADI公司推出的宽频带、高性能、超对称的模拟乘法器。它具有2 GHz的可用带宽，是此前所有模拟乘法器所无法相比的。同时，ADL5391也是目前速度最快的模拟乘法器芯片之一。它将所有电路集成于一块芯片之中，使得ADL5391具有极高的速度。在文中的应用实例中，设计了一种基于ADL5 391的二倍频电路，可对输入的信号进行准确的二倍频，电路性能稳定，可广泛应用于混频、倍频、脉冲调制等领域。

1 ADL5391的主要特性
    ADL5391凝聚了ADI公司三十年的先进模拟乘法器技术经验，其主要特性如下：
    1)DC至2 GHz对称乘法器，传递函数为VW=αx(VXxVY)／1 V+Vz；
    2)独特的设计确保了X、Y的绝对对称，X、Y的幅度／时间响应相同；
    3)可调、不随温度而变化、增益调整为α；
    4)完全差分输入／输出或单端操作；
    5)低噪声和高输出线性度；
    6)单电源供电：4．5～5．5 V，130 mA；
    7)3x3 mm、16引脚小型LFCSP封装。

2 ADL5391的工作原理
    ADL5391的功能结构框图如图1所示，传递函数由下式给出：
    W=aXY／U+Z      (1)
    其中：X和Y是被乘数；U是乘法器的比例因子；α是乘法器增益；W是乘法器的输出；Z是一个求和输入。所有的变量和比例因子单位都是伏特。

    ADL5391最重大的改进就是采用了新型乘法器内核架构，它与自1970年开始使用的传统架构明显不同。传统的模拟乘法器(如AD835)几乎完全由吉尔伯特单元的拓扑结构或与其相近的电路实现。X和Y不对称的信号路径造成了X和Y之间幅度和时延的不平衡，这在高频时会出现问题。在ADL5391中，新型的乘法器内核提供了X和Y之间绝对的对称，尽量减小吉尔伯特单元中本身的差异。
    ADL5391的功能结构框图展示了主乘法器单元和反馈乘法器单元，其中主乘法器用于接收X和Y输入信号，反馈乘法器位于反馈路径上，围绕在积分缓冲区附近，它的输入量是输出信号与求和输入信号之差(W-Z)，和内部比例参考值。其中，反馈乘法器和主乘法器是相同的，由于该反馈乘法器基本上补偿了主乘法器上产生的缺损，因此常见的噪声、漂移或失真基本上被限制在了一阶。

3 ADL5391的应用实例
    ADL5391主要运用于高频信号的运算和处理，如宽带的乘法和加法，高频模拟调制，自适应天线，平方律探测器，倍频等。以下给出了基于ADL5391的宽带乘法器电路，并且设计了基于该模拟乘法器的二倍频电路，并对其分别进行了性能测试。
3．1 宽带乘法器
3．1．1 宽带乘法器电路设计
    对于ADL5391，当输入X、Y、Z与输出W为差分驱动时，其性能最佳。另外，ADL5391也可以进行单端驱动。单端至差分转换(或者差分至单端转换)可以通过传输线变压器来实现。在没有交流耦合电容的情况下，如果ADL5391使用单端驱动，则需要将2．5 V作为参考电压。高于2．5 V的电压是正电压，低于2．5 V的电压是负电压。需要注意ADL5391不能负载太重，其最大参考电流是50 mA。

    宽带乘法器电路如图2所示，为了实现最佳性能，通过传输线变压器以差分形式驱动输入端口X、Y、Z和输出端口W，其中传输线变压器选用的是Mini-Circuits TC1-1-13M，该传输线变压器插入损耗小，工作频带宽，最高可工作在3 GHz。电阻R1、R2、R3、R12均为匹配电阻，因为X、Y、Z输入端的输入阻抗是相同的，所以为实现阻抗匹配，对于相同的频率，R1、R2、R3应该是相同的。
    ADL5391电源电压允许范围为4．5～5．5 V，一般采用5 V，因此，VPOS端接5 V电压，COMM1和COMM端均为接地端。图中，J1、J3、J4、J5采用的是单端、高频操作，XP、YP是乘法射频输入端，ZP是加法射频输入端，WP是射频输出端口，TP4、TP5、TP6、TP7、TP8、TP9为直流输入端，电压范围为0～2．5 V，TP1、TP2为直流输出端。ENBL为高使能端，接5 V电压时，ADL5391芯片开始正常工作。GADJ端电压驱动范围是0～2 V，用于调节乘法器增益α，GADJ悬空时，α=1或0 dB。若VGADJ=0 V，则增益大约降低4 dB；若VGADJ=2 V，则增益大约提高6dB。VMID端为参考输出端，当输出电压为Vpos／2时，则表明ADL5391芯片正常工作。
3．1．2 宽带乘法器电路的性能测试
    基于以上设计电路，利用Altium Designer Summer 09进行PCB布局设计。对于射频电路PCB设计而言，元器件的布局不仅直接影响到电路本身的干扰及抗干扰能力，这也关系到所设计电路的性能。因此，在进行射频电路PCB设计时除了要考虑普通PCB设计时的布局外，主要还需考虑如何减小射频电路中各部分之间相互干扰，如何减小电路本身对其它电路的干扰以及电路本身的抗干扰能力。
    在布局时，调整器件尽可能使RF路径最短，RF路径上过孔数量尽可能少，这样可以减小路径电感。电感不要并行靠在一起，这将形成空芯变压器并相互感应产生干扰信号，应将它们垂直排列将互感减到最小。避免长距离走线，尽可能拉开线与线之间的距离。由于该芯片正常使用时，芯片温度约为60℃，所以在该电路板上使用了大面积接地敷铜，以增强电路的抗干扰性及散热性。据此，该宽带乘法器电路的PCB设计如图3所示。

    按照如上布局，对制成的电路板进行测试，本实验使用安捷伦公司的E5071B矢量网络分析仪来测试。该测试选用的是直流与交流信号相乘，YP_DC端接直流信号，该端口前接一电位器用于调节输入电压大小。VPOS端接5 V电压，COMM端接地，ENBL端接5 V电压，GADJ端悬空(α=1)，Z端也悬空。XP、WP端分别接网络分析仪的端口1和端口2，当YP_DC输入为1 V时，乘法器从X输入端到W输出端的插损如图4所示。

    从以上测试结果可以看出，Y端输入1 V直流电压时，在整个通带(30 MHz到600 MHz)内，乘法器的输出端插损在0 dB附近，并且较为平坦，没有波动，只有稍稍倾斜，最大插损和最小插损之差大约为5 dB。当改变Y端的直流输入电压时，S21参数在整个频带范围内仍然显示的比较平坦，没有波动。该测试结果表明，该宽带乘法器相对于传统乘法器，在如此宽的频带范围内性能更加稳定，抗干扰性更强，完全可以应用于射频电路中。
3．2 基于ADL5391的二倍频电路
3．2．1 二倍频电路的设计
    一个输入信号幅度E的平方可通过并联输入X、Y来产生，该输入可以是单端的、差分的或者通过传输线变压器。当输入是正弦波Esin(ωt)，信号的平方就相当于倍频，因为
   
    理想情况下，当乘法器用于平方和倍频时，输出端口没有原始信号的成分。但是由于存在内部偏置，所以事实上并非如此。如果包含这些偏移量重写等式(2)，输出将包含直流成分，原始频率成分和倍频部分。
    一般而言，实现倍频的原理有以下几种：1)利用晶体管的等非线性器件产生输入信号频率的各次谐波分量；2)将输入信号同时输入模拟乘法器的两个输入端实现二倍频；3)利用锁相倍频方式进行倍频。本设计采用的即为第二种方式。
    倍频电路在通信系统及其他电子系统里均有广泛的应用。在调频发射系统里使用倍频电路可以扩展调频信号的最大线性频偏。对振荡器的输出进行倍频，可以得到更高的所需振荡频率，降低了主振的振荡频率，有利于提高频率稳定度。在频率合成器里，倍频电路也是不可缺少的组成部分。

    本实验设计的二倍频电路结构框图如图5所示。输入射频信号后，经过功分器输出两路同频率同幅度信号，经过乘法器后即可实现二倍频。但由于乘法器内部存在偏置，乘法器输出端会存在直流成分和基波成分，因此，在乘法器后端接了一个中心频率为二倍频率的带通滤波器，经过滤波后即可得到二倍频成分。
3．2．2 二倍频电路的性能测试
    该设计中，功分器采用的是同相功率分配器，输出的两路信号频率、相位与输入信号均相同。宽带乘法器采用上述基于ADL5391的宽带乘法器电路。带通滤波器采用的是并联结构的RLC电路，其中心频率为70 MHz。功分器输出端X端和Y端分别接宽带乘法器的XP端和YP端，乘法器的输出WP端接带通滤波器的输入端，带通滤波器输出端接50Ω的匹配电阻。测试时，功分器输入频率为35MHz的正弦信号，经过功分器后，通过示波器显示X路信号如图6所示，Y路信号如图7所示，带通滤波器输出的信号如图8所示。

    由以上测试结果可知，输入频率为35 MHz的信号经过功分器后输出两路信号频率均约为35 MHz，经过宽带乘法器和带通滤波器后，输出频率约为70 MHz的正弦信号，其频率恰为输入信号频率的两倍，完全满足了二倍频电路的要求。由于电路中存在衰减，所以该系统输出信号幅度较小。该测试结果表明，设计的基于ADL5391的二倍频电路具有很好的二倍频效果。

4 结论
    文中设计的基于ADL5391的二倍频电路具有输出波形稳定、倍频精度高、电路简单、抗干扰能力强等优点，完全可以作为倍频器应用于其他领域。当然，二倍频电路的测试结果也表明模拟乘法器ADL5391是一个高性能的信号处理器件，应用于其他高频信号电路中可大大降低电路的复杂度，提高电路的整体性能，具有很好的应用前景。