引言
本應用筆記介紹AM/FM汽車天線的一個參考設計(RD)。設計采用了適用于有源天線模塊的高度集成AM/FM低噪聲放大器(LNA) MAX2180。LNA在AM和FM信號通路上均集成了Maxim的自動增益控制技術，帶有用戶可選設置點。AM和FM信號通路的最大增益亦可變，以滿足各種各樣的用戶需求。RD詳盡展示了該集成式汽車解決方案的靈活性和性能。
概述
汽車天線要求更小、集成度更高的解決方案，并同時保證現代AM/FM無線通信裝置所需的高性能。有些解決方案需要自動增益控制(AGC)，而有些則采用固定增益LNA，以獲得最低成本。有些解決方案為有源天線提供一個穩壓電源電壓，但是大多數仍然采用電池供電。對天線方案提供商的挑戰是：如何在避免需要反復設計的分立式解決方案或不使用昂貴IC (仍然需要外部PIN二極管和調節器)的情況下滿足各種各樣的行業要求。在資源和空間有限的情況下，天線供應商的理想解決方案必然是高性能、低成本且非常靈活的IC，并且無需重新設計、BOM變化及電路板變動，即可輕松滿足各種要求。
現在有少數廠商為有源天線提供集成式AM/FM解決方案。可惜的是他們需要外部PIN二極管提供AGC。這些解決方案在使用電池供電時，還需要一個穩壓電源，或者一個外部調整管。外部元件增加了成本，擴大了解決方案的占位面積。如果不需要AGC，解決方案通常采用分立器件，以獲得最低成本。分立設計的問題是，增益、電源電壓或占位面積的任何變化都將導致重新設計，從而占用更多的設計資源，而設計資源在多數情況下非常匱乏。
最優天線解決方案和MAX2180
Maxim Integrated Products開發了一套AM/FM天線解決方案，其中集成了全部有源元件，滿足當今苛刻的汽車天線需求。天線采用MAX2180 LNA。MAX2180采用了內部高壓CMOS工藝，在一片小型4mm x 4mm TQFP封裝內集成了AM和FM AGC，以及高壓調節器。這種設計避免了所有PIN二極管和外部穩壓電路或傳輸晶體管，同時還可采用電池或穩壓電源工作。MAX2180可實現最大AM和FM增益，并且AGC設置點可變。它還包括天線監測功能，在故障條件下吸入15mA電流。
LNA的片上穩壓電路工作于7V至24V。為防止過熱損壞，集成溫度傳感器通過折返電流限制最高結溫。這樣可保證放大器在任何環境條件下都保持工作。
AM輸入為高阻、輸出為低阻，FM放大器提供50Ω輸入和輸出阻抗。最大AM增益可通過改變外部電阻在0dB至6dB范圍內設置。最大FM增益可在5.8dB至8.5dB (R1 = 0Ω)范圍內變化。為了改善噪聲系數，R1應為390Ω，從而將增益范圍提高至10.0dB至10.8dB。兩條信號通路均采用Maxim擁有專利的AGC電路，增益控制范圍為30dB。此外，AGC設置點可變，為主機提供希望的最大輸出水平。
采用MAX2180進行設計時，利用數據資料中的表格選擇所需的信號通路增益和AGC設置點，可簡化設計。這種自定義參數值范圍使得一款設計即可滿足多種需求，無需重新布置電路板。如圖1所示，與競爭方案相比，MAX2180提供了更高的集成度，同時又具有滿足各種需求的靈活性。圖2所示為單天線解決方案的應用原理圖。
圖1. MAX2180高集成度解決方案(A)與AM/FM有源天線競爭方案(B)的比較。
圖2. 采用MAX2180的單天線解決方案應用原理圖。
設計實例
我們的測試實例為用于小型汽車的一款低增益天線。這種應用需要更大增益，但是小型汽車中的短電纜減小了從天線至主機的損耗，目標最大輸入水平對AM來說為+ 80dBµV，FM為+95dBµV。
AM：引腳1電阻= 0Ω，增益為6.5dB (表1)；引腳2短路至地，AM輸出AGC設置點為+79dBµV (表2)。
FM：引腳10短路至地，FM增益為8.5dB (表3)；引腳12對地電阻= 39kΩ，FM輸出AGC保護點為+94dBµV (表4)。
表1. AM信號通路增益
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引腳1 (Ω) |
AM增益(dB，典型值) |
|
0 |
6.5 |
|
22 |
5 |
|
68 |
2.5 |
|
180 |
0.5 |
|
330 |
-1 |
表2. AM信號通路設置點
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引腳2 |
AM輸出設置點(dBµV，典型值) |
|
Ground |
79 |
|
Open |
83 |
|
VLDO |
86 |
表3. FM信號通路增益
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引腳10 |
FM增益(dB，典型值；無外部電阻) |
FM增益(dB，典型值；外部電阻= 390Ω) |
|
VLDO |
8.5 |
10.8 |
|
Open |
7.1 |
10.3 |
|
Ground |
5.8 |
10 |
表4. FM信號通路設置點
|
引腳12 (kΩ) |
FM輸出保護點(dBµV，典型值) |
|
0 |
104 |
|
10 |
100 |
|
18 |
96 |
|
27 |
95 |
|
39 |
94 |
|
47 |
93 |
|
56 |
92 |
|
68 |
90 |
輸入電路
對于單天線，天線共用器必須將有效輸入電容最小化，不饋入高阻AM輸入。在AM頻帶，天線通常為高阻，所以增加的并聯電容將衰減AM信號。電路還必須與FM輸入良好匹配，在獲得最佳噪聲系數和頻率響應的同時抑制其他頻帶的信號。
在AM輸入，使用一個FM“陷阱”將進入至AM輸入的FM信號電平最小化。為避免饋入FM頻帶，陷波器深度為60dBc，并在天線和陷波器之間安裝一個4.7µH電感。為防止FM-AM失真，在AM輸入安裝一個串聯電感，改善FM頻帶的反饋。天線共用器的FM部分匹配50Ω天線至FM輸入，同時還將AM頻帶衰減90dB以上。電感數量應最少，由于有限Q的原因，增加的每個元件都會造成噪聲系數變差。
雙天線解決方案(圖3)允許采用更少元件實現簡化濾波和稍好的FM匹配。
圖3. 采用MAX2180的雙天線解決方案應用原理圖。
輸出電路
輸出電路需要組合AM和FM輸出，同時將隱含電源送至集成式高壓調節器。為了便于衰減任何到達調節器的AM信號，隱含電源通過一個連接至隔交AM輸出的大電感送至集成穩壓器。AM輸出通過較小的第二個電感連接至輸出連接器，防止FM輸出造成AM輸出級失真。FM輸出為交流耦合，帶有一個小隔直電容，防止IM2分量(A-B)造成AM輸出失真。也有反饋通路。建議的解決方案是390Ω電阻(R1)與2200pF電容(C1)串聯，以獲得最優的噪聲系數性能。如果需要，可利用輸出隔直電容(C2)后邊的衰減器調節總增益。連接至FMOUT的上拉電感(L1)根據阻抗匹配和增益確定大小。LDO輸出(VLDO)之間的簡單R/C濾波器(3.3Ω/10nF)改善了FM噪聲系數。FMBYP引腳需要100pF旁路電容提供30dB的AGC范圍。
熱事項
電路板設計需要在部件的裸焊盤至模塊外殼之間具有低熱阻。為實現這一目的，可將引腳20至23接地，使裸焊盤至外殼焊接點或通過這些引腳下方的通孔之間形成穩固的銅區域(圖4)。部件集成了溫度傳感器，一旦管芯達到+135°C溫度，則逐漸減小電流。部件在熱保護時仍然保持工作。
圖4. 印制板(PCB)具有低熱阻
總結
MAX2180 AM/FM天線LNA集成了設計汽車天線所需的功能和特性，可滿足各種高性能需求。由于LNA的靈活性，無需重新設計或代價不菲的BOM變化，即可將天線修改為滿足各種應用需求。成本敏感的方案可使用高度集成的MAX2180，減少分立式外部元件的數量、節省電路板空間，并且仍然滿足當今的低噪聲、高線性度要求。
本參考設計中的FM信號通路提供了133dBµV的OIP3和+180dBµV的OIP2。工作于7V至24V電源電壓，在8V至15V范圍內保證性能。MAX2180采用4mm x 4 mm TQFP封裝，ESD額定值為±4kV HBM。備有樣品和評估板。