利用MAX2180 LNA设计汽车AM/FM有源天线LNA解决方案

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引言
本应用笔记介绍AM/FM汽车天线的一个参考设计(RD)。设计采用了适用于有源天线模块的高度集成AM/FM低噪声放大器(LNA) MAX2180。LNA在AM和FM信号通路上均集成了Maxim的自动增益控制技术，带有用户可选设置点。AM和FM信号通路的最大增益亦可变，以满足各种各样的用户需求。RD详尽展示了该集成式汽车解决方案的灵活性和性能。
概述
汽车天线要求更小、集成度更高的解决方案，并同时保证现代AM/FM无线通信装置所需的高性能。有些解决方案需要自动增益控制(AGC)，而有些则采用固定增益LNA，以获得最低成本。有些解决方案为有源天线提供一个稳压电源电压，但是大多数仍然采用电池供电。对天线方案提供商的挑战是：如何在避免需要反复设计的分立式解决方案或不使用昂贵IC (仍然需要外部PIN二极管和调节器)的情况下满足各种各样的行业要求。在资源和空间有限的情况下，天线供应商的理想解决方案必然是高性能、低成本且非常灵活的IC，并且无需重新设计、BOM变化及电路板变动，即可轻松满足各种要求。
现在有少数厂商为有源天线提供集成式AM/FM解决方案。可惜的是他们需要外部PIN二极管提供AGC。这些解决方案在使用电池供电时，还需要一个稳压电源，或者一个外部调整管。外部元件增加了成本，扩大了解决方案的占位面积。如果不需要AGC，解决方案通常采用分立器件，以获得最低成本。分立设计的问题是，增益、电源电压或占位面积的任何变化都将导致重新设计，从而占用更多的设计资源，而设计资源在多数情况下非常匮乏。
最优天线解决方案和MAX2180
Maxim Integrated Products开发了一套AM/FM天线解决方案，其中集成了全部有源元件，满足当今苛刻的汽车天线需求。天线采用MAX2180 LNA。MAX2180采用了内部高压CMOS工艺，在一片小型4mm x 4mm TQFP封装内集成了AM和FM AGC，以及高压调节器。这种设计避免了所有PIN二极管和外部稳压电路或传输晶体管，同时还可采用电池或稳压电源工作。MAX2180可实现最大AM和FM增益，并且AGC设置点可变。它还包括天线监测功能，在故障条件下吸入15mA电流。
LNA的片上稳压电路工作于7V至24V。为防止过热损坏，集成温度传感器通过折返电流限制最高结温。这样可保证放大器在任何环境条件下都保持工作。
AM输入为高阻、输出为低阻，FM放大器提供50Ω输入和输出阻抗。最大AM增益可通过改变外部电阻在0dB至6dB范围内设置。最大FM增益可在5.8dB至8.5dB (R1 = 0Ω)范围内变化。为了改善噪声系数，R1应为390Ω，从而将增益范围提高至10.0dB至10.8dB。两条信号通路均采用Maxim拥有专利的AGC电路，增益控制范围为30dB。此外，AGC设置点可变，为主机提供希望的最大输出水平。
采用MAX2180进行设计时，利用数据资料中的表格选择所需的信号通路增益和AGC设置点，可简化设计。这种自定义参数值范围使得一款设计即可满足多种需求，无需重新布置电路板。如图1所示，与竞争方案相比，MAX2180提供了更高的集成度，同时又具有满足各种需求的灵活性。图2所示为单天线解决方案的应用原理图。


设计实例
我们的测试实例为用于小型汽车的一款低增益天线。这种应用需要更大增益，但是小型汽车中的短电缆减小了从天线至主机的损耗，目标最大输入水平对AM来说为+80dB?V，FM为+95dB?V。
AM：引脚1电阻= 0Ω，增益为6.5dB (表1)；引脚17短路至地，AM输出AGC设置点为+79dB?V (表2)。
FM：引脚10短路至地，FM增益为8.5dB (表3)；引脚12对地电阻= 39kΩ，FM输出AGC保护点为+94dB?V (表4)。

表1. AM信号通路增益
　　
表2. AM信号通路设置点

表3. FM信号通路增益
　　
表4. FM信号通路设置点
  
输入电路
对于单天线，天线共用器必须将有效输入电容最小化，不馈入高阻AM输入。在AM频带，天线通常为高阻，所以增加的并联电容将衰减AM信号。电路还必须与FM输入良好匹配，在获得最佳噪声系数和频率响应的同时抑制其他频带的信号。
在AM输入，使用一个FM “陷阱”将进入至AM输入的FM信号电平最小化。为避免馈入FM频带，陷波器深度为60dBc，并在天线和陷波器之间安装一个4.7?H电感。为防止FM-AM失真，在AM输入安装一个串联电感，改善FM频带的反馈。天线共用器的FM部分匹配50Ω天线至FM输入，同时还将AM频带衰减90dB以上。电感数量应最少，由于有限Q的原因，增加的每个元件都会造成噪声系数变差。
双天线解决方案(图3)允许采用更少元件实现简化滤波和稍好的FM匹配。


输出电路
输出电路需要组合AM和FM输出，同时将隐含电源送至集成式高压调节器。为了便于衰减任何到达调节器的AM信号，隐含电源通过一个连接至交流耦合AM输出的大电感送至集成稳压器。AM输出通过较小的第二个电感连接至输出连接器，防止FM输出造成AM输出级失真。FM输出为交流耦合，带有一个小隔直电容，防止IM2分量(A-B)造成AM输出失真。也有反馈通路。建议的解决方案是390Ω电阻(R1)与2200pF电容(C1)串联，以获得最优的噪声系数性能。如果需要，可利用输出隔直电容(C2)后边的衰减器调节总增益。连接至FMOUT的上拉电感(L1)根据阻抗匹配和增益确定大小。LDO输出(VLDO)之间的简单R/C滤波器(3.3Ω/10nF)改善了FM噪声系数。FMBYP引脚需要100pF旁路电容提供30dB的AGC范围。
热事项
电路板设计需要在部件的裸焊盘至模块外壳之间具有低热阻。为实现这一目的，可将引脚20至23接地，使裸焊盘至外壳焊接点或通过这些引脚下方的通孔之间形成稳固的铜区域(图4)。部件集成了温度传感器，一旦管芯达到+135°C温度，则逐渐减小电流。部件在热保护时仍然保持工作。

  
总结
MAX2180 AM/FM天线LNA集成了设计汽车天线所需的功能和特性，可满足各种高性能需求。由于LNA的灵活性，无需重新设计或代价不菲的BOM变化，即可将天线修改为满足各种应用需求。成本敏感的方案可使用高度集成的MAX2180，减少分立式外部元件的数量、节省电路板空间，并且仍然满足当今的低噪声、高线性度要求。
本参考设计中的FM信号通路提供了+133dB?V的OIP3和+180dB?V的OIP2。工作于7V至24V电源电压，在8V至15V范围内保证性能。MAX2180采用4mm x 4mm TQFP封装，ESD额定值为±4kV HBM。备有样品和评估板。