本應用筆記介紹了一個AM/FM汽車天線參考設計(RD)。設計采用高度集成的AM/FM低噪聲放大器(LNA) MAX2180，非常適合有源天線模塊。LNA在AM和FM信號通路均集成了Maxim的自動增益控制架構，用戶可選擇設置點。AM、FM信號通道的最大增益可以根據不同用戶的需求進行調整。RD充分體現了這一集成汽車方案的靈活性。

概述

汽車天線要求更小、集成度更高的解決方案，同時還要滿足現代AM/FM無線通信裝置的高性能需求。有些解決方案需要自動增益控制(AGC)，有些則采用固定增益LNA，以獲得最低成本。有些方案中為有源天線提供了一個穩壓電源電壓，但多數采用電池供電。天線方案供應商所面臨的挑戰是：如何避免分立方案的重復設計，避免使用昂貴的IC (仍需外部PIN二極管和穩壓器)，同時還要滿足各種行業要求。在資源、空間有限的情況下，天線供應商的理想方案必然是高性能、低成本且設計靈活的IC；而且在不需重復設計、重復更改BOM及電路板的條件下，即可輕松滿足各種要求。

目前，只有少數廠商為有源天線提供AM/FM集成方案。但這些方案需要外部PIN二極管提供AGC，這些方案在電池供電時還需要配備一個穩壓電源，或者一個外部調整管。外部元件增加了成本，擴大了方案尺寸。如果不需要AGC，解決方案通常采用分立設計，以獲得最低成本。分立設計的問題是：增益、電源電壓或電路板尺寸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。

天線優化方案和MAX2180

Maxim開發的AM/FM天線解決方案集成了所有有源器件，滿足當前汽車天線的苛刻需求。天線采用MAX2180 LNA，MAX2180采用內部高壓CMOS工藝，在4mm x 4mm小尺寸TQFP封裝內集成了AM和FM AGC，以及高壓穩壓器。這種設計避免了所有PIN二極管和外部穩壓電路或調整管，能夠工作在電池或穩壓電源下。MAX2180為AM、FM通道提供最高增益，可調整AGC設置點。器件內置天線監測功能，在故障條件下吸入15mA電流。

LNA的片上穩壓器可接受7V至24V供電，為防止過熱損壞，集成溫度傳感器通過折返限流來限制最高結溫。保證放大器在任何環境條件下正常工作。

AM輸入為高阻、輸出為低阻，FM放大器提供50Ω輸入、輸出阻抗。最大AM增益可通過改變外部電阻在0dB至6dB范圍內調整；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架構，增益控制范圍為30dB。此外，可調節AGC設置點，為主機提供所要求的最大輸出水平。

采用MAX2180設計時，參考數據手冊中的表格選擇所需要的信號通路增益和AGC設置點，以簡化設計。這種自定義參數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，同時又可以靈活支持不同的應用需求，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

表2. AM信號通路設置點

表3. FM信號通路增益

表4. FM信號通路設置點

輸入電路

對于單天線應用，雙工器必須將等效輸入電容降至最小，不饋入高阻AM輸入。在AM頻段，天線通常為高阻，增大并聯電容將衰減AM信號。電路還必須與FM輸入保持匹配，在獲得最佳噪聲系數和頻率響應的同時抑制帶外信號。

在AM輸入端連接一個FM “陷波器”，將耦合到AM輸入的FM信號降至最小。為避免饋入FM頻帶，陷波抑制至少為60dBc，并在天線和陷波電路之間安裝一個4.7µH電感。為消除FM-AM失真，在AM輸入安裝一個串聯電感，改善FM頻帶的反饋。雙工器的FM部分需要采用50Ω天線匹配，同時對AM頻段提供90dB以上衰減。應保持最低電感，考慮到有限的Q值，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)允許采用更少的元件，簡化濾波設計并可獲得較好的FM匹配。

圖3. 采用MAX2180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，同時將幻象電源饋送到集成高壓穩壓器。為了便于衰減耦合到穩壓器的AM信號，幻象電源通過一個連接在交流耦合AM輸出的大電感饋送到集成穩壓器。AM輸出通過另一個小尺寸電感連接到輸出連接器，防止FM輸出在AM輸出級產生失真。FM輸出采用交流耦合，帶有一個小尺寸隔直流電容，有助于避免IM2分量(A-B)在AM輸出產生失真。對于反饋通路，建議采用390Ω電阻(R1)與2200pF電容(C1)串聯，以獲得最佳噪聲系數。必要時，可以在輸出隔直流電容(C2)后面增加一級衰減網絡，調節總增益。根據阻抗匹配和增益確定FMOUT上拉電感(L1)的大小。LDO輸出(V_LDO)之間的R/C濾波器(3.3Ω/10nF)有助于改善FM噪聲系數。FMBYP引腳需要100pF旁路電容，提供30dB的AGC范圍。

散熱

電路板設計需要在器件的裸焊盤與模塊外殼之間保持盡可能低的熱阻。為達到這一目標，將引腳20至23接地，使裸焊盤與底盤焊點或者這些引腳過孔之間形成覆銅區域(圖4)。器件內置溫度傳感器，一旦管芯溫度達到+135°C，則逐漸減小電流。熱保護狀態下，器件仍可保持工作。

圖4. 具有低熱阻的印制板(PCB)布局

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，滿足各種高性能要求。由于LNA的設計靈活性，無需重新設計或更改BOM，即可省升級天線，以滿足不同的應用需求。對于成本敏感系統，可以使用高集成度MAX2180，減少外部元件的數量、節省電路板空間，并滿足低噪聲、高線性度的要求。

本參考設計中的FM信號通路提供了133dBµV的OIP3和+180dBµV的OIP2，工作在7V至24V電源電壓，在8V至15V范圍內保證性能。MAX2180采用4mm x 4mm TQFP封裝，ESD額定值為±4kV HBM。備有樣品和評估板。