通信系统设计中的主要挑战之一是用足够的保真度成功捕获信号。严格的标准规范要求正确的接口拓扑选择。蜂窝电话通信标准的部署，如码分多址(CDMA)和宽带CDMA，需要高动态范围、高输入线性和低噪声，以避免阻断剂、信号失真和灵敏度退化的影响。在过去，由于实际应用问题，全差分信号链的性能优势被单端选项所支配。然而，在集成RF电路技术和可用的高性能差分RF构建块的扩展方面的最新进展允许差分架构应用于高性能接收机设计。
单端信号实例图像
图1：单端信号示例。
单端信号按定义是不平衡的，并且由感兴趣的信号和常参考点之间的差值来测量，该基准点通常是接地的，它作为信号的返回路径。如果将误差源引入单端信号，则会遇到问题。由于地面基准将不受注入误差的影响，通过信号进行误差。在单端配置中，引入到期望信号的任何变化将有问题而不涉及过度复杂的消除技术。由于这个原因，单端或不平衡信号更容易产生噪声和干扰，如电磁耦合干扰。此外，如稍后所示，不平衡配置比平衡电路具有更高的失真。
差分信号实例图像
图2：差分信号示例。
差分信号由一对平衡信号组成，这些信号在参考点上以相等但相反的振幅移动。复合差分信号对应于正平衡信号和负平衡信号之间的差值。例如，从两个1 VP P信号，结果是2 VP P的复合信号。在这种情况下，如果误差源被引入到差分信号路径，那么它将很可能被均匀地添加到两个平衡信号中的每一个。由于返回路径不是恒定的参考点，一旦两个平衡信号分量的差值抵消了误差，则差分信号将不受影响，该误差通常在每个信号转换的幅度上相等。由于这个原因，平衡信号比不平衡信号更不容易产生噪声和干扰。同样，正如将要讨论的，平衡信号比单端电路具有更低的失真。
传统接收机结构的图像
图3：传统接收器架构。
这里显示的是传统超外差接收机的框图。不管拓扑结构，单端或差分，系统的目标是成功地将期望的信号传递给模数转换器进行数字化。信号路径由多个RF块组成：天线、滤波器、低噪声放大器(LNA)、混频器、ADC驱动器放大器和ADC。
天线后的第一个块是LNA，其被设计为放大高于热噪声的信号。在这个阶段的放大是至关重要的，因为它将确定系统的灵敏度，并确保后续的混频器和放大器在LNA之后不显著地增加噪声基底。一路上有带通滤波器以抑制任何带外内容，并减少接收机级沿信号路径添加的失真或噪声。下一个块，跟随LNA的混频器，频率转换感兴趣的信号，将高频RF信号向下转换为较低的、更易管理的中频(IF)。ADC驱动器放大器和抗混叠滤波器(AAF)准备由ADC数字化的信号。驱动器提供增益，AAF抑制ADC的第一奈奎斯特区之外的任何东西，包括将被传送到ADC输入的噪声，以及在信号路径中仍然存在的带外杂散分量。最后，在模拟信号路径的末尾，ADC执行对基带信息进行数字化的功能。
通信系统的图像考虑
图4：通信系统的考虑。
为了对比单端到差分，存在系统级性能度量，必须观察到设计一个良好的整体系统。在通信系统中流行的一些关键考虑已经被提及，但是重要的是要有一个完整的视图。
是什么造就了一个好的无线电设计?取决于应用程序和体系结构，性能规范将有所不同。然而，在通信系统中普遍存在普遍的考虑因素，如失真、噪声基底和动态范围。此外，良好的灵敏度需要低噪声地板和低时钟相位噪声。高输入、三阶截距(IP3)和高1 dB压缩点(P1DB)对于输入信号电平处理能力至关重要。
有很多传输共享无线电波。需要一个鲁棒的系统来处理期望的信号，该信号通常很小，并且在存在其它干扰信号的情况下，这可能是大的。因此，在鲁棒系统的设计中需要高灵敏度、输入线性度、良好的选择性和对附近大信号的高噪声抗扰度。其他考虑包括低成本、低功耗(特别是便携式设备)和紧凑的尺寸。
差异优势形象
图5：差异优势。
使用差分与单端信号链有几个优点;这里综述的是最常见的。差分信号链相对于单端链相对于输出跃迁具有优势。在每个输出上的较低的信号电压意味着可以实现更高的总体信号电压。因此，与单端信号相比，可以实现相同的总体信号摆动，并且具有更低的功耗。作为更大的可用输出摆幅的结果：可以实现更高的总体信号摆动;可以实现相同的总信号摆动，但是可以在较低的电源上实现，并且可以降低功率耗散。
对系统线性也有好处。在非常低失真的应用中，与单端信号相比，电源的净空可以增加两倍。在微分系统中偶次谐波的固有消除，意味着与奇数阶谐波相比，第二、第四、第六等谐波将相当低。重要的是要注意，无法实现完美的取消，但有明显的优势。差分结构还允许一些预失真技术来帮助减少奇次谐波。此外，对于相同的供电轨，输出1 dB压缩点(P1dB)和OIP3通常有大约6 dB的改进。最后，由于信号的返回路径不再通过接地，因此信号对地面噪声和干扰的敏感度较低，这就转化为具有更好的电源抑制比(PSRR)的更好的共模抑制比(CMRR)。此外，差分方法提供了对耦合电磁干扰(EMI)的改进的免疫力。
不平衡与平衡信号的图像
图6：不平衡与平衡信号。
这里显示的是两个框图对比单端和差分方法。第一个图表示具有小单边输入信号的单端块图。蓝色信号说明进入系统的任何类型的共模干扰。注意，蓝色干扰信号在输出端也被放大，它被放大到和期望信号一样多。将期望信号与干扰信号分离是困难的。
差分方块图显示了由相反极性的两个信号组成的期望信号，一个信号是正信号，另一个信号是负极信号。在输入端引入的任何干扰在两个参考电平上都是相同的极性，如蓝色所示。虽然干扰信号在每个输出处被放大，但是当观察复合信号时，两个差分信号之间的差异，所需信号加倍，并且干扰被消除。虽然单端方法容易受到共模噪声、电源噪声或EMI的影响，但是差分块由于抵消的作用而对这些干扰具有免疫力。
偶次消除图像
图7：偶数阶对消。
除了共模干扰免疫之外，差分方法还具有偶次谐波的固有消除。这里展示的是单端方法的回顾。一种非线性装置，在这种情况下是单端放大器，用幂级数展开传递函数来描述，并在其输入端提供正弦曲线。幂级数的展开(在底部的方程)揭示了常数与每个频率倍数、偶数和奇数相关。
输出频谱图图像
图8：输出频谱图。
说明这个方程式可以更容易地可视化它的各种组成部分。表示基本信号的方程的部分用灰色来突出显示。代表第二和第三谐波的部分分别以粉红色和绿色突出显示。幂级数的展开揭示了非零常数与每个频率倍数、偶数和奇数相关。显然，单端非线性器件在整个频谱中产生了谐波，正如预期的那样。
微分块的抵消效应图像
图9：差分块的抵消效应。
以相同的数学方法来看待差分方法，可以看到偶次谐波的固有抵消，类似于先前讨论的共模干扰免疫的好处。同样，非线性装置，在这种情况下是差分放大器块，用幂级数展开传递函数来描述，并提供一对相反极性的正弦波——这些代表在器件输入端的差分信号。通过扩展，示出了差分块的消除效果。
非线性器件的输出光谱图像
图10：非线性器件的输出光谱。
同样，说明这个方程式可以更容易地可视化它的各种组件。幂级数的扩展揭示了级数中的所有偶次谐波被其相反大小的对应物抵消。只有在灰色中突出的基本信号和第三阶谐波，在绿色中突出，具有非零贡献。在实际生活中，非理想设备将无法实现完美的抵消，但它们受益于更低的偶次谐波。
ADC驱动的挑战形象
图11：驱动ADC的挑战。
通信系统设计中的主要挑战之一是成功地将所需信号驱动到模数转换器中。这里所示的例子有助于说明差分信号链与单端信号链的好处。这里所示的三个主要模块是驱动器放大器、抗混叠滤波器和模数转换器。足够的保真度用于信号检测需要适当的部件选择和接口的实现。
这里回顾(图11)是两个例子，一个单端和一个微分。目标是捕获左侧信号传输的蓝色部分。在其他较大干扰信号的存在下，这是一个小信号。为了捕获它，有必要考虑噪声、动态范围和特定于ADC要求的其他因素。这是必要的，只提取感兴趣的信号，并将其传递给ADC。该接收器信号在右侧显示;它已被放大，并且阻断器被移除，只留下信号的期望部分，以蓝色显示。
单端和差分信号链性能比较的图像
图12：通信系统单端和差分信号链性能的比较。
图12比较了通信系统接收器端的真实世界例子中的单端和差分信号链性能。第一个例子是从单端IF驱动器放大器开始的单端方法，接着是单端抗混叠滤波器，然后在输入到ADC时由变压器转换为差分信号。注意，在许多情况下，单端方法被认为是被动方法，因为变压器被用来将信号转换为差分ADC。
差分示例以变压器输出、差分ADC驱动器放大器、差分抗混叠滤波器、以及ADC的输入端的差分信号开始。差分方法称为有源，因为可以使用放大器来进行转换。列出了每个组件的性能度量，但是下面的图使用具有相同度量的信号链性能表来帮助分析级联系统性能，并比较单端和差分方法。
信号链性能表的图像
图13：信号链性能表。
对于单端拓扑，使用级联噪声系数和IIP3的方程，可以计算输入参考RF性能。对于这个例子，输入参考的IIP3是18.8 dBm，噪声系数(NF)是11.4分贝。这导致5 MHz分析带宽的76分贝的SFDR(无杂散动态范围)。级联的功率增益为14.7分贝，输入称为满量程的-10.7 dBm。
使用相同的方程来计算差分方法的输入参考RF性能，结果如下：输入参考IIP3为21.5 dBm，噪声系数为13.7 dB。这导致SFDR的76.5分贝为5 MHz的分析带宽，14分贝的级联功率增益，和一个输入参考的完整规模的-10 dBm。
这两种方法的数字非常相似。然而，有源差分方法具有更高的失真性能，噪声系数略高。此外，无杂散动态范围与有源配置相比更高。请记住，单端方法的输入称为满刻度，在没有中频放大器的情况下，仅为6 dBm。还应该注意的是，差分抗混叠滤波器将需要单端方法的两倍多的串联元件。然而，无源接口通常需要更多的电阻填充，并且需要来自上游驱动器的更高的输出功率，这通常意味着更高的电源电流。还认为单端驱动器AMPS往往有更坏的偶数阶失真和CMRR和PSRR。因此，通过消除ADC驱动器，放大需求正在向上游移动。差异化方法将是基于整体绩效的逻辑选择。
ADL5662的关键技术规范和特点
图14：ADL5662关键规范和特点。
ADL55 62是一种利用差分方法的偶数阶消除来减少失真的装置的例子。这是一个高性能的差分放大器，优化了射频和中频应用。该放大器提供低噪声2.1伏/平方赫兹和低失真性能在很宽的频率范围，使之成为理想的驱动器，高速8位至16位ADC。ADL55 62通过引脚可调配置提供三分贝增益，6分贝，12分贝和15.5分贝。如果在单端输入配置中使用，则增益降低到5.6 dB、11.1 dB和14.1 dB。该设备被优化为宽带，低失真性能。这些属性，以及其可调节增益能力，使之成为通用的IF和宽带应用的良好选择，其中低失真、低噪声和低功耗是关键的。ADL5662还优化了回转速度、带宽和宽带失真的良好组合，使其能够驱动各种各样的ADC，并使其理想地适合于驱动混频器、PIN二极管衰减器、SAW滤波器和多元件分立器件。
ADL55 62谐波畸变图的图像
图15：ADL55 62谐波失真图。
图15中的图显示了当ADL55 62被配置为单端和差分拓扑时产生的第二和三阶谐波。虽然单端模式的失真性能很低，但在差分运算的偶数阶性能方面也有明显的优势。在单端模式中，ADL55 62具有在100 MHz处的二阶谐波值-82 dBc。在差分运算中，该器件具有更低的二次谐波值，在相同的频率下小于100 dBc。此外，在同一供电轨上的差分拓扑可以预期输出1 dB压缩点和OIP3的大约6 dB的改进。
模拟器件差分放大器的图像组合
图16：模拟设备差分放大器组合。
ADL55是众多模拟设备中的一种，广泛应用于差分放大器。无论是驱动差分输入ADC，还是在长电缆长度上发送和接收信号，ADI都有一个差分放大器来满足需要。放大器以固定增益或三种基本类型的增益控制：电阻集增益、串行和并行数字控制或引脚可调增益选择。
AD8375/6图像关键规范及特点
图17：AD8375/6关键规范和特点。
AD8375是一种数字控制的可变增益宽带放大器，提供精确的增益控制、高的OIP3和低噪声系数。AD8366是AD8375的双通道版本;两个VGA在单个5毫米×5毫米封装中。两者都提供优良的失真性能和高信号带宽，使它们成为各种接收机应用的良好增益控制装置。这些VGA提供了宽的24分贝增益范围和1分贝分辨率。使用先进的高速SiGe工艺并结合专有失真消除技术，AD8366在200 MHz达到50 dBm输出OIP3。
演化差分接收机体系结构的图像
图18：演进的差分接收器架构。
接收器正在发展，越来越多地使用差分组件。这种进化始于ADC，并逐渐向信号链上移动。在过去，信号应用问题和有限的高性能差分RF构建块可用性导致单端或部分差分信号链。如前面所讨论的，偏微分信号链的一个例子是设计者选择省略差分ADC驱动器，并使用单端器件到变压器到ADC。虽然这提供了一个简单的解决方案，但是性能需求只是被推到上游。除了消耗更高的功率外，单端驱动放大器解决方案往往具有更差的偶数阶失真、CMRR和PSRR。
这里所示的接收机信号链是一种常用于单端RF输入和差分输出的接收机的结构。单端和差分操作之间的分界线似乎已经在混频器中得到解决，RF组件(例如LNA)仍然作为单端分量提供。大多数SAW滤波器和混频器核心也是自然差分电路，但由于应用限制，它们被转换为单端。多年来，双平衡混频器拓扑已经被用于蜂窝应用，因为它们的高度线性性能。不幸的是，传统的变压器网络用于将信号耦合到混合核心，以保持系统的差异，消耗相当大的电路板空间，并增加了显著的设计成本。
ADL5355的关键技术规范和特点
图19：ADL5355关键规范和特点。
集成RF电路技术的最新进展使得易于使用的RF模块的设计具有单端RF输入到差分中频输出。模拟设备ADL5355混频器是一种将单端RF输入混入差动中频输出的装置的一个例子。它允许在一个顽固的单端世界中保持固有的差别优势。ADL5355框图表明，所有三个内部混频器端口是差分。为了便于使用，RF和LO端口使用变压器连接到外部世界，允许单端接口。相比之下，包括驱动放大器的IF输出端口是差分的，输出阻抗为200欧姆，以便于连接到差分SAW滤波器。LO和RF baluns(平衡到不平衡变压器)的集成限制了设备的工作频率范围，需要一系列跨蜂窝频率范围操作的设备。结果，该装置的输入频率范围限制在1200 MHz至2500 MHz的范围内，具有低侧LO;即，总是小于RF频率的LO频率。
模拟设备图像高线性接收机组合
图20：模拟设备高线性接收器组合。
由于Baluns的集成限制混频器的工作频率，ADI提供了覆盖流行频率的一大系列设备。请注意，图20表中的一些设备具有非常宽的频率范围。这些器件确实具有较宽的频率范围，但它们需要在其LO和RF端口上的外部Baluns以获得最佳性能。
无线电设计要求与效益差异
图21：无线电设计要求和差别利益。
综上所述，差分性能优势对于现代通信系统是必要的，其严格的标准规范要求在阻断器、信号失真和灵敏度退化的情况下不妥协的性能。为了满足这一需要，演进的差分信号路径提供了高动态范围、高输入线性和低噪声，以及其他优点。模拟器件为集成RF电路技术的进步带来了广泛的差分RF组件。高性能差分RF构建块的可用性的增加允许差分架构应用于最严格的无线蜂窝应用中的高性能接收机设计。