在現(xiàn)有的電話雙絞線的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高帶寬的因特網(wǎng)接入的特點(diǎn)使ADSL應(yīng)用大受歡迎。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，ADSL的應(yīng)用日益普及，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵也開(kāi)始轉(zhuǎn)移到模擬部分，本文將從局端ADSL驅(qū)動(dòng)電路的各種參數(shù)設(shè)計(jì)以及功耗的優(yōu)化、變壓器的設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行探討，并說(shuō)明實(shí)用電路的設(shè)計(jì)。

ADSL技術(shù)在現(xiàn)有的雙絞線實(shí)現(xiàn)512KHz到8MHz的數(shù)據(jù)傳輸速率，相對(duì)傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)器而言接入速率有很大提高。國(guó)際電聯(lián)(ITU)將ADSL的傳輸規(guī)范分為全速(Full-Rate)，即G.dmt和低數(shù)據(jù)率的G.Lite。這兩個(gè)系統(tǒng)都采用離散多音(DMT)的技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)。該技術(shù)將1.2MHz的帶寬分割成256個(gè)獨(dú)立的子載波，子載波通道寬度為4.3125KHz，每個(gè)子載波各自傳送數(shù)據(jù)，像256個(gè)調(diào)制解調(diào)器并行地工作。為了進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)速率，每個(gè)子載波都采用正交幅度調(diào)制(QAM)。

在實(shí)際的應(yīng)用中，子載波通道的分配與數(shù)據(jù)傳輸方向和電話線環(huán)路的長(zhǎng)度有關(guān)。絕大多數(shù)的通道用作從局端到用戶端的數(shù)據(jù)傳送，即下傳通道，該方向數(shù)據(jù)量******，而上傳數(shù)據(jù)主要是實(shí)現(xiàn)向服務(wù)器的請(qǐng)求，數(shù)據(jù)量?。欢娫挱h(huán)路越短，功率要求越低，反之功率要求越高，而且使用到的通道數(shù)將降低，每通道的數(shù)碼率也將降低。由于傳輸數(shù)據(jù)速率的大小將會(huì)影響到電路電壓的選擇、功率和散熱等，認(rèn)識(shí)到這些對(duì)于局端和用戶端的接收、驅(qū)動(dòng)設(shè)備的設(shè)計(jì)很有意義。

驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的幾個(gè)要點(diǎn)

a.驅(qū)動(dòng)放大器的基本參數(shù)設(shè)計(jì)

以下為驅(qū)動(dòng)放大器的參數(shù)設(shè)計(jì)(相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1)，這些參數(shù)值與具體的放大器無(wú)關(guān)。

設(shè)定電話線功率為P_LINE, 單位為W，均方根(RMS)線電壓為：

變壓器的的初級(jí)功率為：

變壓器初級(jí)阻抗為：

變壓器終端電阻阻值為：

初級(jí)均方根電壓為：

變壓器初級(jí)均方根電流為：

放大器輸出均方根驅(qū)動(dòng)電壓為：

這個(gè)電壓是兩個(gè)放大器輸出之間的均方根電壓，選擇兩個(gè)適當(dāng)?shù)腞_BT值，這個(gè)電壓值可達(dá)到變壓器初級(jí)均方根電壓的兩倍。

驅(qū)動(dòng)放大器峰值輸出電流為：

實(shí)現(xiàn)該峰值電流的能力是選擇驅(qū)動(dòng)放大器的重要指標(biāo)。

放大器的輸出功率為：

驅(qū)動(dòng)放大器的總電壓增益為：

差值放大器增益為：

變壓器的匝數(shù)比在本設(shè)計(jì)中很關(guān)鍵：圖1中所示為驅(qū)動(dòng)器總供電電壓和峰值輸出電流與匝數(shù)比的函數(shù)關(guān)系。圖中所示的電壓為在假定放大器凈空電壓(Headroom Voltage)為0的理想放大器以及變壓器插入損耗為0的理想變壓器條件下的理想供電電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，電源電壓必須高于這個(gè)電壓值。

b. 驅(qū)動(dòng)電路的特性參數(shù)：凈空電壓和靜態(tài)電流

在計(jì)算供電電壓、功率和熱耗散大小時(shí)，必須考慮凈空電壓和靜態(tài)電流的大小。放大器的最低供電電壓為：

實(shí)際的放大器的供電電壓必須高于該電壓值以避免在信號(hào)峰值時(shí)對(duì)信號(hào)的削減，而電壓也不能過(guò)高，電壓過(guò)高會(huì)加大放大器的功率耗散。

放大器的凈空電壓決定于輸出電壓要求，也可能決定于輸出飽和電壓對(duì)輸出電流或?qū)Σ煌?fù)載電流的溫度曲線。(凈空電壓為在給定負(fù)載電流下供電電壓和******輸出電壓的差值，包括正、負(fù)電壓部分。) 圖1所示為決定放大器輸出飽和電壓的一個(gè)簡(jiǎn)單模型以及數(shù)據(jù)曲線示例。

c. 優(yōu)化功率損耗，調(diào)整靜態(tài)電流和關(guān)斷電流

在本文中所用的幾款放大器靜態(tài)電流都可外部設(shè)定。對(duì)于不同的DSL電路設(shè)計(jì)調(diào)整放大器的工作點(diǎn)可以最小化功率損耗，使失真最小化。但最小失真與功率損耗有矛盾關(guān)系，需要均衡考慮。靜態(tài)電流減小，功率損耗也將降低，但由于要使失真最小化必須為內(nèi)部放大器電路提供偏置電流，所以靜態(tài)電流降低將惡化失真特性。圖2所示為LT1795工作電流的調(diào)整方法，通過(guò)一個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)定內(nèi)部電流源，通過(guò)該內(nèi)部電流源的電流經(jīng)過(guò)放大作為兩個(gè)放大器的偏置電流，圖2中示意了調(diào)整工作電流對(duì)失真的影響。工作電流太低，信號(hào)將會(huì)嚴(yán)重失真，并且不可避免地會(huì)與其它通道之間產(chǎn)生干擾。應(yīng)該在實(shí)際的運(yùn)行條件下調(diào)整該電流使電路優(yōu)化。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功率和熱管理的最有效辦法是在無(wú)信號(hào)時(shí)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路。數(shù)字電路可以檢測(cè)到無(wú)信號(hào)傳輸狀態(tài)，在無(wú)信號(hào)時(shí)控制電路向驅(qū)動(dòng)部分發(fā)送一個(gè)數(shù)字信號(hào)，關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路。很多的放大器具有該控制信號(hào)接口，能將內(nèi)部電路電源全部關(guān)斷。例如，LT1796在沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)可以處于關(guān)斷狀態(tài)，消耗的電流僅200uA。當(dāng)要求電路啟動(dòng)時(shí)，電路必須在幾個(gè)毫秒內(nèi)完全恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。在關(guān)斷條件下放大器進(jìn)入高阻狀態(tài)。

圖2示意了放大器降低功耗功能，該功能也稱為部分關(guān)斷，放大器保持很小的偏置電流，該電流使調(diào)制解調(diào)器能繼續(xù)監(jiān)控線上的信號(hào)。在電路中用兩個(gè)電阻控制靜態(tài)電流的大小，使電路在關(guān)斷狀態(tài)下保持很小的維持電流。實(shí)現(xiàn)的具體辦法可以將DSP的一個(gè)I/O引腳通過(guò)一個(gè)電阻接到放大器的控制腳上，由DSP提供一個(gè)控制電平。驅(qū)動(dòng)電路關(guān)斷的辦法可以使功耗減小到正常運(yùn)行時(shí)的十分之一。

d. 電源的去耦合設(shè)計(jì)

與很多電路設(shè)計(jì)一樣，電源的噪聲去耦合設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。在電路板上所有接電源的引腳處分別接入一個(gè)大、小旁路電容，可以減小電源中很寬頻率范圍的噪聲和紋波電壓。建議在驅(qū)動(dòng)和接收電路的電源輸入引腳上接入高頻去耦合電容，在放大器的兩個(gè)電源輸入(正負(fù)電源端)引腳間直接接入一個(gè)10uF的電容，可以減小電源線上紋波的二次諧波分量。

e. 變壓器的設(shè)計(jì)

變壓器的選擇。電路中變壓器用于電話線和驅(qū)動(dòng)/接收電路之間的耦合以及實(shí)現(xiàn)電話線與驅(qū)動(dòng)/接收電路的隔離，要求變壓器的頻率響應(yīng)范圍為20kHz到2MHz，插入損耗低。變壓器的初次級(jí)線圈的匝數(shù)比會(huì)影響到放大器對(duì)電源電壓的要求，如果通過(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)信號(hào)電壓的提升，則不需要放大器的電壓變化。理想的變壓器的輸入輸出功率是相等的，因此如果輸出電壓升高則輸出電流將減小，相反電流將增高。采用升壓變壓器可以降低對(duì)輸入端運(yùn)算放大器工作電壓的要求，這樣可以采用一些常用電源，當(dāng)然放大器必須具有足夠的電流驅(qū)動(dòng)能力。另外，由于變壓器同時(shí)用作接收線上的信號(hào)，變壓器的匝數(shù)比的選擇還決定于接收電路的靈敏度。初、次級(jí)匝數(shù)比越高，接收到的信號(hào)電壓越低。

變壓器終端電阻阻值的確定。為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和檢測(cè)輸入信號(hào)，在變壓器初級(jí)和放大器的輸出端之間接入兩個(gè)電阻，即R_BT。該電阻的阻值是變壓器匝數(shù)比與電話線阻抗大小的函數(shù)關(guān)系，設(shè)次級(jí)線圈(即與電話線相連的一端)與初級(jí)線圈的匝數(shù)比為n，電話線阻抗為Z_LINE，為實(shí)現(xiàn)電話線阻抗與調(diào)制解調(diào)器的阻抗匹配，變壓器初級(jí)的總電阻(R_PRIMARY )必須滿足以下關(guān)系式：

為了對(duì)變壓器的初級(jí)均衡驅(qū)動(dòng)，每個(gè)放大器要均衡負(fù)擔(dān)部分負(fù)載，電阻R_BT設(shè)定為變壓器初級(jí)電阻的一半，即

ADSL G.Lite驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖3所示為ADSL G.Lite線驅(qū)動(dòng)電路，該電路的功耗低于1W。采用±12V供電，變壓器的初次級(jí)匝數(shù)比為1:1.2。該電路使用放大器LT1795CFE，采用TSSOP封裝，適合于局端設(shè)備中在單板上集成多個(gè)接口驅(qū)動(dòng)電路。

低功耗的ADSL G.dmt驅(qū)動(dòng)電路

圖4所示為低功耗的局端G.dmt線驅(qū)動(dòng)電路，該電路可實(shí)現(xiàn)8Mbps傳輸流驅(qū)動(dòng)，具有效率高的特點(diǎn)。

該電路采用匝數(shù)比為1.5:1的變壓器，使電流大大降低，功耗可降低300mW左右。為實(shí)現(xiàn)這種效果一般需要采用±14V的電壓和22.2歐姆的R_BT電阻，該電路采用的電阻為13.3歐姆，仍然可得到變壓器的初級(jí)阻抗為100歐姆，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，但這種設(shè)計(jì)對(duì)上傳信號(hào)的接收不利，造成電阻R_BT兩端的信號(hào)電平低。該電路設(shè)計(jì)適合于采用靈敏模擬前端接收的系統(tǒng)。

該設(shè)計(jì)中采用R_P電阻實(shí)現(xiàn)從一個(gè)放大器的輸出信號(hào)產(chǎn)生正反饋信號(hào)到另一個(gè)放大器的輸入。借助于這個(gè)反饋?zhàn)饔?，盡管R_BT電阻從22.2歐姆減小到 13.3歐姆，但從節(jié)點(diǎn)C和D看進(jìn)去的電阻為100歐姆，仍然實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配。該電阻還可以減小，但相應(yīng)地接收信號(hào)將減小。設(shè)定一個(gè)因子K，電阻R_BT可以用下式表示：

如果變壓器匝數(shù)比設(shè)定為1:1.5，R_BT的值應(yīng)為22.2歐姆，在圖4的設(shè)計(jì)中該電阻值為13.3歐姆，所以K=0.6。信號(hào)從正向通道到輸出的信號(hào)增益設(shè)為G，則

正反饋信號(hào)的增益設(shè)定為P，則

為達(dá)到正常的阻抗匹配，應(yīng)滿足以下關(guān)系：P=1-K

為得到從模擬前端(AFE)到線輸出的適當(dāng)電壓增益A_V，G設(shè)定為：

V_PRI為初級(jí)電壓，V_LINE為線電壓。計(jì)算驅(qū)動(dòng)電路的增益還需要考慮到變壓器的匝數(shù)比和插入損耗。

本電路中采用正反饋修正閉環(huán)增益，不會(huì)對(duì)電路性能產(chǎn)生任何影響，可以大大降低電路的功耗。由于前面所述的因素，本電路僅適合對(duì)接收信號(hào)電平要求不高的系統(tǒng)中。

將電路中的R_p1和R_p2省去，將R_G改為133歐姆，R_BT1,R_BT2改為12.4歐姆，變壓器的匝數(shù)比改為2:1，該電路也可實(shí)現(xiàn)G.dmt線驅(qū)動(dòng)功能，而且R_BT兩端的信號(hào)電平將恢復(fù)正常，但電路的峰值輸出電流將達(dá)到335mA，其中一半的功耗消耗在電阻(R_BT)上。可以減小該電阻降低功耗，但是同時(shí)也改變了輸出阻抗，不能與電話線阻抗匹配，也減小了接收信號(hào)的電平值。

本文總結(jié)

ADSL局端驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜，要全面考慮電壓、電流、功耗、干擾以及變壓器和放大電路等器件的設(shè)計(jì)，由于在局端常常需要在單板上集成很多接口驅(qū)動(dòng)電路，在設(shè)計(jì)時(shí)如何減小電路的功率耗散也很重要。只有完全考慮多方面的因素才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)完美的設(shè)計(jì)