CATV MAX3509 +68dBmV電纜電話上行通信方案

要：為提高MAX3509電纜上行放大器的輸出信號使其支持電路交換電話系統，本應用筆記給出了具體的設計修改方案。該放大器具有足夠的增益，可提供66dBmV輸出。本文詳細討論了輸出回波抑制、散熱以及諧波失真等問題。

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概述

電路交換的電纜電話系統需要一個大的上行信號來克服耦合器損耗(圖1)。MAX3509在保持低諧波失真、且符合電纜數據服務接口規范(DOCSIS)的同時可驅動高輸出功率。圖4所示電路為獲得大功率驅動而對MAX3509評估板做出了一些修改。

圖1. 電纜電話結構圖

MAX3509概述

MAX3509是可編程功率放大器，用于CATV上行系統。此芯片采用3線串行總線控制增益，增益控制級差為1dB，工作頻率范圍為5MHz至65MHz。MAX3509具有禁止發射模式，它在TDMA系統突發期之間能夠將芯片置于高度隔離狀態。這種模式下，所有模擬功能均被關斷，減小了輸出噪聲和功率損耗。在進入或脫離禁止發射狀態時，全增益范圍內瞬態響應保持在25mV。另外，電源電流降為7.8mA。

采用儀表放大器配置時，功率放大器提供兩個電流反饋放大器。這種結構具有極低的偶次諧波失真，但需要通過外部變壓器實現單端信號輸出的轉換。在發射禁止模式下，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的輸入信號驅動下，MAX3509可提供足夠的增益產生66dBmV (1:1變壓器)的輸出。在此輸入電平下可達到額定指標。減小輸入電平時，最大輸出電平相應減小、輸出線性得到改善。若輸入電平高于34dBmV則會增大失真。

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。采用耦合器時這一要求很容易滿足，對于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14dB。

MAX3509在發射模式下輸出阻抗為1.2Ω、發射禁止模式下的輸出阻抗為170Ω。此輸出阻抗通過一個阻抗比為1:4 (N = 1:2電壓)的MAX3509輸出變壓器進行轉換(此時可采用Toko 458PT-1087)。MAX3509的等效源阻抗和輸出變壓器可按照圖4進行計算。發射模式下，1.2Ω的輸出阻抗轉換成4.8Ω，與47Ω電阻串聯成為51.8Ω。發射禁止模式下，170Ω的輸出阻抗轉換成680Ω，與47Ω電阻串聯后成為727Ω。

安全工作區

電流反饋放大器將驅動足夠的電流維持輸出電壓，這有利于在動態負載下獲得低失真。當然，低阻抗負載會從放大器吸取更多電流，因此，必須考慮功耗和散熱問題。雙工濾波器的第一個元件是旁路電容，它會降低輸出負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動。

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

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


圖2功率耗散

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

求出Pd = V_CC × I_CC = 9V × 230mA = 2070mW，計算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。通常是根據周圍的金屬底板來設計散熱片，其中95%的熱量通過MAX3509底部的裸露焊盤耗散出去。如果將裸露焊盤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孔可有效增大散熱面，有助于熱耗散。對具體應用場合的溫度值(Tc)進行測量能夠保證適當的散熱器設計，測量溫度時要盡可能靠近裸露焊盤。注意，MAX3509頂部的導熱系數很小。如果把散熱器置于器件頂部將不會產生功效。

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。

本設計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，串聯一個47Ω的輸出電阻以增加輸出阻抗。第三，數據取自8.3V (比9V低一個二極管導通壓降)，可節省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。

系統設計

系統設計的最終目的是符合DOCSIS標準，其中最主要的屏障是抑制雜散輻射的要求。圖3給出了DOCSIS關于抑制雜散信號輻射的規范。最難克服的工作條件是滿功率輸出(+58dBmV)時，在54MHz至60MHz和60MHz至88MHz頻率范圍內對雜散信號輻射功率的限制。從圖3可以看出需要提供的抑制參數分別為93dBc和98dBc 。帶內(5至42MHz)雜散抑制為-47dBc，而通常由放大器提供帶內、帶外諧波抑制為-50dBc。用雙工濾波器衰減帶內諧波。為了設計雙工濾波器，需要知道上行放大器(MAX3509)的二次、三次諧波失真參數，再結合系統規范(DOCSIS參閱圖3) ，以此來確定雙工濾波器衰減量的設計要求。

對于MAX3509這樣的差分、雙極型產品，三次諧波失真相對于二次諧波失真是更為關鍵的制約因素。三次諧波失真的兩個臨界點為fo = 18MHz (54MHz三次諧波)和fo = 20MHz (60MHz三次諧波)。22MHz足夠接近實際應用中的18MHz和20MHz頻點，圖6表示22MHz的三次諧波失真。


圖3. DOCSIS中關于雜散信號輻射的限制

圖5至圖8表示輸入頻率分別為9MHz、22MHz、33MHz和42MHz時，諧波失真與輸出功率的對應關系。DOCSIS規定在60MHz頻點處雜散信號需跌落至-40dBmV或為98dBc (58 - -40)。MAX3509在fo = 22MHz (3次諧波在66MHz)、Pin = 33dBmV (參閱圖6)時諧波抑制為-53dBc。雙工器需要在60MHz頻點提供45dBc(98-53)衰減。對雙工器在其它頻率區域的要求是：54MHz頻點DOCSIS規定雜散信號在-35dBmV以內。輸入頻率為18MHz時對應的三次諧波為54MHz，雙工器需要在54MHz頻點提供40dBc (58+35-53)的插入損耗。要注意的是三次諧波失真是一個關鍵因素。最佳輸入功率為33dBmV或盡可能低一些。

測試條件

所有測試均在室溫下進行。

輸出變壓器Toko 458PT-1087 N=1:2


圖4. 測試條件圖

圖5表示輸入為9MHz基頻時二次、三次諧波失真的數據。圖中曲線說明帶內諧波特性在Pin = +33dBmV (三次諧波限制在線性范圍)時優于59dBc。這項指標優于DOCSIS規范要求的47dBc。


圖5.

圖6表示輸入22MHz基頻時的二次、三次諧波失真數據。圖中曲線說明帶內諧波特性在Pin = +33dBmV、Pout = +67dBmV (三次諧波限制在線性范圍)時優于53dBc。


圖6.

圖7表示輸入33MHz基頻時的二次、三次諧波失真數據。圖中曲線說明帶內諧波特性在Pin = +33dBmV、Pout = +67dBmV (三次諧波限制在線性范圍)時優于51dBc。


圖7.

圖8表示輸入42MHz基頻時的二次、三次諧波失真數據。圖中曲線說明帶內諧波特性在Pin = +33dBmV、Pout = +67dBmV (三次諧波限制在線性范圍)時優于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據。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時三次諧波失真的數據變化。


圖10.

圖11表明采用V_CC = 8.3V供電時可節省功率100mW。


圖11.

圖12表示采用V_CC = 8.3V時可節省功率100mW。


圖12.

圖13表明V_CC的微小變化并不影響I_CC。


圖13.

結論

MAX3509能夠克服耦合器損耗(參閱圖4)并符合DOCSIS規范的功率標準。此方案的構建包括以下步驟：

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熱阻的導熱層。使MAX3509能夠在安全工作區內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，將輸入驅動降至+33dBmV以內。
4. 為保證線性特性，輸出功率降至+67dBmV。
5. 增加串聯輸出阻抗，限制MAX3509的功率損耗。

附錄

JEDEC熱量測試板規范摘要(JESD51-7)

本說明中給出的熱量測試板描述與Maxim IC的應用非常吻合。

• 材料: FR-4
• 電路板層: 2層信號線(正面和背面)和2層平面(內部)
• 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每側封裝尺寸小于27mm

元件面布線設計: 引線需布在外側使測試器件位于線路板中央。從封裝邊緣的引出線至少延長25mm。對于0.5mm或間隔更寬的封裝，引線寬度應為0.25 +/- 10%。對于較寬間隔的封裝，引線應等于引腳寬度。引線模式和引線端點需符合JESD51-7中的規范。

背面布線設計: 以過孔終止的元件面引線可能通過引線或導線(22 AWG或更小, 銅線)與連接器的邊緣相接。JESD51-7規范中對不同尺寸導線的電流限制作了明確規定。

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在連接器邊緣9.5mm以內。其它要求參見JESD51-7中的詳細說明。