基于ＡＤ８０１６的ＡＤＳＬ线路驱动电路的设计

    摘要：介绍了ＡＤＳＬ规范对于送到线路上的信号的要求，阐述了ＡＤＳＬ系统中的线驱动放大器的选择及电路的设计原理，给出一款基于ＡＤ８０１６的实用ＡＤＳＬ线路驱动电路。

    关键词：非对称数字用户线  线路驱动  大电流高速运算放大器

    非对称数字用户线ＡＤＳＬ是一项新兴的宽带接入技术，它在不影响电话服务的情况下可利用市话铜线向用户提供兆比特级接入服务。随着ＡＤＳＬ技术走向成熟以及因特网业务迅猛发展而对宽带接入需求的日益高涨，电信运营商和ＩＳＰ开始大量部署ＡＤＳＬ业务。这就要求那些ＡＤＳＬ设备的设计和生产者只有提供更富竞争力的产品，才能赢得更大的市场。

    ＡＤＳＬ优异性能的关键是基于高速数字信号处理技术的数字调制技术。然而要将已调信号无失真地送到双绞线上并满足所需的输出功率，则需要一个高性能的模拟接口电路。模拟接口电路主要由线路驱动电路、线路接收电路和混合电路组成。本文概述了ＡＤＳＬ规范对放大器信号的要求并着重介绍ＡＤＳＬ线路驱动电路中线驱动放大器的选择和实用电路的设计。

１ ＡＤＳＬ系统的基本概念

    随着越来越多的业务汇聚于因特网上，接入环路逐渐成为网络的瓶颈段。如何才能在现有接入网的设施基础上提供更高带宽的数据服务，就成为一个迫切需要解决的问题。在现有铜质双绞市话线上，目前绝大多数应用只使用了０～４ｋＨｚ的话音频带，使用高效数字调制技术后则可以利用高达１０ＭＨｚ的带宽。随着数字信号处理技术及大规模集成电路技术的发展，已经出现了各种充分利用双绞线带宽的方案，统称为数字用户线（ｘＤＳＬ）技术。ＡＤＳＬ即非对称数字用户线（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ ｌｉｎｅ）就是其中最引人注目的一员。它是利用已有的市话铜线，在不影响现有电话服务的情况下向用户提供两个传输方向上不对称速率的宽带传输业务，适应了接入网中绝大部分业务下行速率远大于上行速率的需求。下行（端局至用户）典型速率可达６Ｍｂｐｓ，上行（用户至端局）速率可达６４０ｋｂｐｓ，实际速率与线路状况及距离有关。图１所示为一个ＡＤＳＬ系统的典型应用示意图。

    在不影响现有普通电话业务（ＰＯＴＳ）情况下，ＡＤＳＬ采用频分复用（ＦＤＭ）实现在同一双绞铜线上进行非对称高速传输。因此铜线上存在三个信道：（１）普通电话业务（ＰＯＴＳ）信道，所占频带为０～４ｋＨｚ，通过数据分离器（Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）与数字信道分开（２）上行数字信道，约为２５ｋＨｚ～１５０ｋＨｚ，用于传输控制及应答信息（３）下行数字信道，约为１５０ｋＨｚ～１．１ＭＨｚ。ＡＤＳＬ的国际标准使用离散多音频调制ＤＭＴ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ ＭｕｌｔｉＴｏｎｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）作为调制方案。利用频分调制（ＦＤＭ）把可用的下行带宽１．１０４ＭＨｚ分成２５６个４ｋＨｚ带宽子信道，分别使用ＱＡＭ独立调制，每个子信道保护间隔为０．３１２５ｋＨｚ。一般地，上行信道使用第６到第３１＃子带（约２５ｋＨｚ～１３４ｋＨｚ），下行信道使用第３８到第２５５＃子带（约１６３ｋＨｚ～１．１ＭＨｚ），其中子带１６（６９ｋＨｚ）和６４（２７６ｋＨｚ）用作导频。

２ ＡＤＳＬ的传输环境和调制技术对驱动电路的要求

    ＡＤＳＬ系统所使用的传输媒质（普通市话双绞线）是为开通电话业务而建立的，其低频段频率特性较好；在双绞线高频段，幅频特性、时延特性随频率升高而迅速恶化，衰减十分严重。同时，非屏蔽的市话线易感应外界的其它干扰信号，典型的噪声本底为－１４０ｄＢｍ／。根据仙农定理，信噪比只有达到４５～５０ｄＢ，才能得到１２ｂｉｔ／Ｈｚ的带宽利用率。但为了减少ＡＤＳＬ业务对同一线缆中的其它话线对的干扰，发送信号功率只能限于－４０ｄＢｍ／。

    ＡＤＳＬ规范使用离散多音频ＤＭＴ调制技术，它将可用带宽分为多个子信道，分别使用ＱＡＭ独立调制。数字信号处理器可根据子信道的瞬时衰减特性、群时延特性和噪声特性自适应地调整其参数，按照每个子信道传递数据的实际能力分配不同比特数，从而使信道容量能够接近理论极限。和其他多载波调制技术一样，当各子载波频率上的已调信号相位一致时信号出现峰值，这就要求线路驱动放大器具备很高的无失真动态范围。此时衡量线驱动放大器输出信号保真性能的主要指标就是多音频功率比（ＭＴＰＲ），ＭＴＰＲ是指某一子频带的测量功率与另一特定的不包含ＱＡＭ数据的子频带功率的相对比值，用ｄＢｃ表示。信号的峰值与有效电平的比值称为峰均比或峰值因子，ＡＤＳＬ系统中的ＤＭＴ信号的峰值因子是５．３，电话线的特性阻抗以１００欧姆为标准，根据它可以确定达到要求功率所需的电压和电流值。需要指出的是ＩＴＵ－Ｔ的ＡＤＳＬ规范定义了两种ＡＤＳＬ技术：一种称为全速率ＡＤＳＬ；另一种称为低速率ＡＤＳＬ即Ｇ．Ｌｉｔｅ。其根本区别在于Ｇ．Ｌｉｔｅ只使用了约０．５ＭＨｚ带宽，是全速率ＡＤＳＬ带宽的二分之一。表１小结了ＡＤＳＬ系统的特征参数及其电气要求。

表1 ADSL系统的特征参数及其电气要求

参    数全速率ADSL下行ADSL G.Lite下行全速率ADSL或G.Lite上行

特征

频带（kHz）133.7～1104133.7～55225.8～129.4功率谱密度，PSD（dBm/Hz）-40-40-37线路功率（dBm）20.416.313

电气要求

RMS线路功率（mW）1004320线路阻抗（Ω）100100100RMS线路电压（V）3.121.4RMS线路电流（mA）312115峰均比，PAB5.35.35.3线路峰值电压（V）16.5117.6线路峰-峰值电压（V）332215.2线路峰值电流（mA）17011076线路峰值功率（mW）27251175580

    由于ＡＤＳＬ调制解调器的电源电压一般都在±１２Ｖ，这就限制了线驱动器输出电压的范围，要获得规定的输出功率，对于线路驱动放大器输出电流的要求就会相应增大。因此根据表１要求，选择ＡＤＳＬ线路驱动放大器时应该满足表２指标要求。

表2 ADSL线驱动放大器基本指标要求

指标带宽线性输出电流电压摆率失真要求>50MHz>500mA>900V/μs

３ 面向ｘＤＳＬ应用的线驱动放大器——ＡＤ８０１６

    随着ｘＤＳＬ市场的迅猛增长，已有多家半导体公司推出了适应ｘＤＳＬ应用的线驱动放大器，主要有模拟器件公司的ＡＤ８１５、ＡＤ８０１６，Ｌｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈ．公司的ＬＴ１２１０，德州仪器公司的ＴＨＳ６００２、ＴＨＳ６０１２等。其中ＡＤ８０１６是美国模拟器件公司ＡＤＩ推出的专为ｘＤＳＬ系统中线驱动接口而设计的低功耗、高输出电流的双放大器，是目前市场上效率最高的ｘＤＳＬ线路驱动器。ＡＤ８０１６采用ＡＤＩ公司的专利技术——介质隔离超高速互补双极型ＸＦＣＢ工艺制造，采用电流反馈形式，从而具备了适应ｘＤＳＬ应用要求的高带宽、高驱动电流以及低失真的特性。ＡＤ８０１６还具有两个电源管理引脚ＰＷＤＮ１、ＰＷＤＮ２，通过分别设置逻辑“１”、“０”可实现四个功耗等级下的运行（１００％、６０％、４０％、２５％），从而可以灵活地适应从局端到用户端的各种ＡＤＳＬ标准的应用。

    ＡＤ８０１６的主要特性参数如下：

    动态性能

    －３ｄＢ带宽 ７８ＭＨｚ

    ０.１ｄＢ平坦带宽 ３８ＭＨｚ

    电压摆率（Ｇ＝＋２） １０００Ｖ／μｓ

    上升和下降时间 ２ｎｓ

    建立时间（峰－峰电压ＶＯＵＴ＝２Ｖ） ２３ｎｓ

    噪声／失真性能

    二阶谐波（ｆｃ＝１ＭＨｚＲＬ＝１００Ω） －７７ｄＢｃ

    三阶谐波（ｆｃ＝１ＭＨｚＲＬ＝１００Ω） －９３ｄＢｃ

    多音频功率比ＭＴＰＲ（２６ｋＨｚ～１．１ＭＨｚ，ＺＬＩＮＥ＝１００Ω，ＰＬＩＮＥ＝２０．４ｄＢｍ）   －７５ｄＢｃ

    噪声电压（ＲＴＩ）（ｆ＝１０ｋＨｚ） ４ｎＶ／Hz

    输入特性

    ＲＴＩ偏置电压  １．０ｍＶ

    输入电阻  ４００ｋΩ

       输入电容 ２ｐＦ

    共模抑制比 ６４ｄＢ

    输出特性

    线性输出电流（Ｇ＝５ＲＬ＝１０Ω，ｆ１＝１００ｋＨｚ－６０ ｄＢｃ ＳＦＤＲ） ６００ｍＡ

    短路电流 ２０００ｍＡ

    容性负载驱动能力 ８０ｐＦ

    供电

    工作电压范围 ±３～±１３Ｖ

    静态电流（全功率运行） ＜１３．２ ｍＡ／Ａｍｐ

    关断电流 １．５ｍＡ／Ａｍｐ

    ＡＤ８０１６的外形引脚如图２所示。

    图３给出的是ＡＤ８０１６差分应用的原理电路，差分信号从两个运放的同相端输入，环路增益由Ｒｆ１、Ｒｆ２和Ｒｇ的比值确定：Ｇ＝Rf 2Rg（一般，Ｒｆ１＝Ｒｆ２＝Ｒｆ)。由于ＡＤ８０１６使用电流反馈工作方式，电路的实际增益与计算所得有一定误差，而且反馈电阻的选择也对电路性能有很大的影响。正如前面所讨论的那样，需要使用一个变压器减小等效负载阻抗来降低对线驱动器输出电压的要求。这里变压器的初级与次级的匝数比为１:２，因此反映到初级一边的等效负载阻抗为２５Ω。串联于放大器输出端的两个小电阻Ｒｔ１、Ｒｔ２提供与初级的等效负载阻抗的匹配：Ｒｔ１＝Ｒｔ２＝１２．５Ω；同时ＡＤＳＬ系统中的接收电路也可以简单地从Ｒｔ１、Ｒｔ２取得接收信号。

４ 基于ＡＤ８０１６的ＡＤＳＬ线路驱动电路

    最后，给出一个基于ＡＤ８０１６完整的实用ＡＤＳＬ客户端线路驱动电路，该电路已应用于我们开发的ＡＤＳＬ调制解调器。如图４所示。

    在线路端即变压器次级一边，保险丝Ｆ１、Ｆ２起过电流保护作用，ＣＲ１、ＣＲ２是Ｔｅｃｃｏｒ公司新近推出的双向瞬态过压保护器件ＳＩＤＡＣｔｏｒ，过电压响应速度达ｎｓ级，提供线路对地的过压保护。同相输入端要接一个小电阻（１００Ω～２００Ω）以减少时间常数失配。作为全速率ＡＤＳＬ客户端设备应用时，电源电压为＋１０Ｖ／－１０Ｖ，在电源脚的附近分别接０．１μＦ和１０μＦ去耦电容消除干扰。该电路传送到负载的功率为１３ｄＢｍ，输出电压峰－峰值能够达到１５．８Ｖ，峰值输出电流为１５９ｍＡ。