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      • 如何使用高集成度SoC发射器简化RF遥控器设计

        EllenTang | 06/175/2015 | 10:42 PM

        如何使用高集成度SoC发射器简化RF遥控器设计

         

        射频(RF)遥控器设计从未如此简单,这多亏了高集成度、单芯片RF解决方案的出现。片上系统(System-on-Chip,SoC)发射器解决方案,如Silicon Labs的Si4010单芯片遥控器集成电路(IC)大大简化了遥控器设计过程,降低了系统物料(BOM)成本(通过去除大量分立元件)。

         

        Si4010发射器是Silicon Labs EZRadio ®无线产品线的成员之一,是业界第一款单芯片遥控器IC,只需要一个外部旁路电容、一块印制电路板(PCB)、电池和一块带按键的外壳,即可构成一个完整的遥控器。Si4010包括专利的天线调谐电路,为每一个按键动作自动微调天线至最佳发射功率。传统的遥控器设计中,RF发射器差异、组件和天线制造公差以及周围环境导致天线效率较低、输出能量浪费严重。图1是Si4010功率放大器和天线调谐电路的结构简图。

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        图1 Si4010天线调谐框图

         

        Si4010发射器是一款完整的片上系统(SoC)遥控器IC,基于专利技术的Si500硅振荡器,它的专利技术的无晶体架构可获得±150ppm的载波频率精度(商业温度范围),±250ppm的载波频率精度(工业温度范围),是传统低成本基于SAW发射器(无外部晶体)频率精度的2倍。Si4010可在27~960MHz的连续频率范围内工作,并且包括可编程的最大输出功率+10dBm的功率放大器(PA),自动天线调谐及为满足FCC、ETSI和ARIB无线电频率法规要求的PA边沿速率控制。嵌入式8051 MCU为进行快速处理而进行了指令优化,具有512B内部RAM、4kB RAM、8KB OTP NVM、128bit EEPROM、12KB 函数库ROM和硬件加速的128bit AES加密逻辑。1.8~3.6V供电范围、比超低功耗(10nA)还少的待机电流以及触摸唤醒操作,使得Si4010成为纽扣电池应用的理想选择。图2是Si4010 SoC 发射器框图。

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        图2 Si4010发射器框图

         

        Si4010通过调整片上与天线电感产生共振的可变电容器最大化发射天线效率。这些自动的电容器调整通过补偿天线匹配电路的失谐最大化遥控器的发射功率,通过允许放宽PCB天线制造公差降低设计成本。

         

        功率放大器(PA)包含一个反馈回路,通过监视PA输出电压、调整PA电流驱动以补偿天线阻抗的变化,从而维持稳定的输出功率。尽管有温度变化和“手效应”的影响,反馈回路有效维持稳定输出功率,正如上文所述,当一个人手持遥控器时将改变天线阻抗。天线调谐的最终结果是为每个按键操作提供稳定可靠和最佳的性能,同时降低符合RF匹配要求的设计成本和复杂性。使用Si4010自动天线调谐特性的遥控器能够可靠和稳定运行,在满足政府发射限制下提供最大发射距离。

         

        电池寿命是任何便携式电子设备,特别是遥控器的重要考虑因素。当我们考虑典型的遥控器使用方式时发现,超过99%的时间里,遥控器处于等待用户按键操作的状态。在此期间,Si4010功耗小于10nA(室温下),这使其成为电池供电应用的理想选择。此外,具有触摸唤醒功能的GPIO特性进一步减少了遥控器的电流消耗,延长了电池寿命。

         

        图3 是典型遥控器应用中Si4010功耗实例(使用CR2032电池,最大发射功率+10dBm)。 在传输期间,输出功率为+10dBm时,Si4010在OOK调制模式耗电14.2mA或在FSK调制模式下耗电19.8mA。如果我们假设如下情形:1kBaud数据传输率、曼彻斯特编码、每数据包100bit、每次按键重复发送3次,则我们得到如下结论:在每天50次按键、连续5年操作条件下,OOK调制模式下仅消耗CR2032(220mAH)电池电量的52%;FSK调制模式下消耗CR2032电池电量的71%。

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        图3 Si4010电池寿命计算实例

         

        虽然这个例子没有包括电池的漏电情况,但它确实说明了Si4010发射功耗低的特性和低待机电流的重要性。Si4010发射器的超低待机电流比许多现存解决方案低一个数量级,对于延长遥控器电池寿命来说这一区别点非常重要。

         

        图4是一个使用Si4010的遥控器原理图,带有一个可选的LED灯用于指示按键操作。遥控器总的物料清单(不包括可选的LED灯)包括一颗Silicon Labs Si4010 IC、一颗旁路电容、PCB板载天线(trace antenna)和电容。不但Si4010总的物料数量少于基于SAW发射器的(3 对24),而且Si4010也无需任何RF元件,因为所有都集成在芯片内部。高集成度的Si4010降低了系统总BOM,从基于SAW发射器的24个降到仅仅3个元件。BOM减小大大降低了劳动力成本、库存和测试成本,而且可大大提高生产产量。此外,Si4010器件的自动天线调谐功能保证稳定可靠的输出功率,并且通过放宽制造工艺中的公差范围,降低了系统成本(因为高精确的天线匹配不再需要)。

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        图4 Si4010的遥控器原理图

         

        使用Si4010设计的遥控器克服了传统RF发射器所面临的许多问题。Si4010利用天线调谐特性消除了困难且繁琐的RF匹配问题,同时也降低了高成本的RF设计费用,缩短了上市时间。硬件设计的任务降低到:为给定遥控器几何形状选择最佳的PCB天线,为Si4010、PCB板载天线、旁路电容、按键和电池进行合理布局和布线。

         

        总之,Si4010是具有革命性的发射器,可为遥控器市场提供最低成本的系统解决方案。完全成本效益的遥控器可使用Si4010、电池、印刷电路板和按钮设计完成。到目前为止,没有其它发射器解决方案可与高集成度的Si4010相媲美。此外,Si4010性能卓越,其先进的射频性能使得每个按键操作都可通过自动天线调谐保证最大传输距离。Si4010也非常易用,设计简便,从而缩短上市时间。

         

      • 编程技巧:轻松实现Si446x超长数据包收发

        EllenTang | 06/175/2015 | 10:22 PM

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        Silicon Labs EZRadioPro 系列的Si446x 无线收发器,TX FIFO 和 RX FIFO只有64字节。那么如何实现超过64字节的数据包收发呢?需要繁琐地去把长包拆分成小于等于64字节的小包,每个小包单独发送,然后接收端把这些小包数据拼接回原始的长包数据吗?回答是:不!因为长包的收发在Si446x 收发芯片上实现是非常简单的。

         

        打开WDS软件或者查看API寄存器描述文档,有两个中断非常有用,就是TX_FIFO_ALMOST_EMPTY_PEND 和 RX_FIFO_ALMOST_FULL_PEND,这两个中断代表的意思就是TX FIFO 的数据即将发送完,或者RX FIFO即将被填充满。那么我们只需要根据这两个中断,就可以实现超长数据包收发了。

         

        例如,在TX_FIFO_ALMOST_EMPTY_PEND中断产生时,立刻填充数据到TX FIFO中,新填充的数据会紧跟着之前的数据发送出去,直到数据包完全发送,最终产生一个发送完成中断,表示这包数据发完。接收时也是类似,当收到的数据不断往RX FIFO中填充,快要填满的时候,就会产生RX_FIFO_ALMOST_FULL_PEND中断,这时立刻把RX FIFO读取出来,那么空出来的FIFO又可以继续接收新的数据,直到接收到的总数据等于整个完整的数据包长度,产生一个接收完成中断。整个过程都是连续的,根据包长度和设定的阈值,会产生多个TX_FIFO_ALMOST_EMPTY_PEND和RX_FIFO_ALMOST_FULL_PEND中断,但是每包数据发送完成和接收完成中断只会有一个,这和短包的收发是一样的。

         

        超长数据包的具体实现步骤如下:

        1. 使用WDS 配置TX_FIFO_ALMOST_EMPTY和RX_FIFO_ALMOST_FULL 阈值,如下图:1506252.1.jpg
        2. 使能TX_FIFO_ALMOST_EMPTY和RX_FIFO_ALMOST_FULL中断。如下图:

        1506252.2.jpg

        3.  在收到 TX_FIFO_ALMOST_EMPTY_PEND中断时,添加对应的填充TX FIFO 代码。

        4.  在收到 RX_FIFO_ALMOST_FULL_PEND中断时,添加对应的读取RX FIFO 代码。

         

        更多的详细参考代码,可以使用WDS,选择long packet TX 和 long packet RX工程生成并参考。

      • EFM32应用方案之GPS追踪器

        EllenTang | 06/175/2015 | 10:05 PM

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        EFM32应用方案之GPS追踪器

        概述

        GPS追踪器是内置了GPS模块和移动通信模块的终端,用于将GPS模块获得的定位数据通过移动通信模块(GSM/GPRS网络)传至Internet的一台服务器上,从而可以实现在电脑上查询终端位置。

        其主要应用领域有:儿童和老人的行踪掌控、公路巡检、贵重货物跟踪、追踪与勤务派遣、私人侦探工具、个人财物跟踪、宠物跟踪、野生动物追踪、货运业、汽车防盗、自行车防盗、电动车防盗、摩托车防盗、银行运钞车、军警演习操控、检调追踪、公务车管理等。

        系统结构

        EFM32是由Silicon Labs公司采用ARM Cortex-M0+\M3\M4内核设计出来的高性能、低功耗32位微控制器。它具有突出的低功耗特性,适用于“三表”(电表、水/热表、气表)、工业控制、警报安全系统、健康与运动应用系统、手持式医疗设备以及智能家居控制等领域。

        图1是GPS追踪器的结构框图,包括供电及充电、G-sensor、GPRS、GPS、主控制器、控制按键等模块。

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        图 1 GPS追踪器结构框图

        供电及充电

        GPS追踪器为电池供电,带充电电路,EFM32的工作电压为1.8~3.8V,工作电压范围比较宽,可以根据GPS和GPRS的供电需求来选择供电电压。

        G-sensor

        由于GPS的工作功耗较大,不宜进行持续工作。G-sensor可以保证只有GPS追踪器在移动时才进行GPS定位,减少不必要的功耗。

        GPRS

        追踪器通过GPRS模块接入通信网络,用户可通过网络或短信查询追踪器所在的位置。本方案采用Telit的GL868双频模块,供电范围为3.22~4.5V。

        GPS

        用于定位追踪器位置,为GPS主要功能模块。本方案采用Telit的SL868,供电范围为2.85~3.6V,水平定位可精确到2米。

        主控制器

        根据追踪器功能不同可选择不同型号的EFM32作为主控MCU。EFM32具有良好的兼容性,同型号芯片引脚为pin-pin兼容。在低端应用中可选择EFM32TG222作为主控,其封装为QFP48,Flash和RAM资源分别为8~32KB和2~4KB;在高端产品中可选择EFM32G222,其与EFM32TG222 pin-pin兼容,Flash和RAM资源分别为32~128KB和8~16KB。

        控制按键

        根据产品使用领域定义不同功能。

        方案优势

        相对于传统的8位、16位单片机实现的GPS追踪器,基于EFM32实现的本方案具有以下优势:

        1. 超低功耗

        EFM32是全球最低功耗的32位微控制器,RTC、DMA可运行在EM2模式下,功耗电流仅为900nA,不运行RTC的模式下可低至600nA,而在不保存RAM数据时更是只有20nA。同时,片上更是集成了低功耗外设:低功耗UART及I2C可运行于EM2模式下,可在CPU睡眠模式下实现数据的收发及数据识别唤醒,在本方案上可实现GPRS短信唤醒。由于GPS追踪器为电池供电,对功耗有一定的要求,在对功耗要求比较高的场合甚至可由EFM32控制各模块的供电,最大限度的提高其待机时间,因此EFM32的低功耗具有明显的优势。

        1. 集成度高,性能高

        EFM32是Cortex-M3内核,内核的指令效率以及代码密度比传统的8位单片机高,尤其是在算法处理方面具有比较大的优势,因此MCU具有更快地处理、响应外设事件的能力。除此之外,EFM32片上集成LCD驱动器、智能卡ISO7816接口、AES硬件模块等资源,丰富的集成外设为不同的系统应用提供多样性的选择。

        1. 扩展性良好

        EFM32的TG、G、GG、LG系列之间具有良好的兼容性,同型号不同系列的芯片是pin-pin兼容,保证用户在统一的硬件平台上,可进行不同功能需求的裁剪。Flash资源从4KB到1024KB,RAM资源从2KB到128KB。

        总结

        EFM32具有优异的低功耗特性,非常适合对于低功耗有一定要求的GPS追踪器的应用。EFM32内核采用目前流行的Cortex-M0+\M3\M4设计,极大地缩短了开发者的开发时间。EFM32具有丰富的外设,为系统扩展功能及降低成本提供了条件。因此,EFM32非常适合于GPS追踪器。

         

      • MANCHESTER coding hints on EZradioPRO

        zopapp | 06/169/2015 | 11:08 AM

        Below you can find a few useful tips on MANCHESTER coding / decoding operation on EZradio PRO to clarify some common misconceptions.

         

        • The DR in the modem DOES NOT change with the MAN coding/decoding feature enabled. The DR in the air is always configured by the “Data rate” entry field on tab “RF parameters” in WDS. It follows than that if at the TX side you enable MAN coding on your whole packet, it will be twice as long.

         

        • If MAN coding is enabled on a standard preamble of 0x55 55 55 the result will be a NON STANDARD preamble of 0x66 66 66 66. If the standard nature of the preamble is required after MAN coding (which may have some benefit at the receive side) the Manchester Constant feature must be enabled at the Preamble setup on the “Packet” tab. This feature will simply replace the standard preamble pattern with either an all zero or an all one trail (dependent on the original preamble being 0x55 or 0xAA) so after MAN coding it will look like a standard preamble again.

         

         

        • MAN decoding on the preamble at the Rx side only takes effect if non-standard preamble detection is configured. This is the only case when the detection happens in the packet handler, at all other cases it is the either done in the modem (standard preamble) or skipped entirely (no preamble detection).

         

        • MAN coding / decoding can be separately applied to the preamble, sync word and data fields. The CRC (when enabled) is also MAN coded at the Tx side and is checked after decoding at the Rx side.

         

        • When transmitting a preamble in 4(G)FSK mode MAN coding is not recommended as it will alter the frequency symbols in a way that the preamble pattern is no longer transmitted as an alternating pattern between the two OUTERMOST symbols. This is a requirement for the receiver to be able to perform a robust preamble detection. When transmitting in 4(G)FSK mode the modulator is always in 4(G)FSK mode. The preamble is composed, however in such a way in the packet handler that it only uses the outer frequency symbols. I.e., the bit stream that is given to the modulator from the packet handler is „pre-coded”. Let’s assume a commonly used grey coded symbol mapping of: 00 01 11 10 -> -3df, -1df, +1df, +3df. In such a case the packet handler will compose a preamble sequence of 0010 0010 0010... This is the default case where you observe a preamble pattern in the air that alternates between the outer frequency symbols. Now, if you enable Manchester coding it will be done on this pre-coded bit sequence which in this particular example (with a Manchester scheme of 0->01 1->10) will result in an alternating pattern between -1df and +3df. If you select the Manchester constant feature it will simply override the pre-coding of the preamble to a constant 1 (or constant 0). The result in our example in such a case will be a constant transmission of +3df symbols.

         

        For reference here is a list of other MAN coding / decoding related KBs:

        http://community.silabs.com/t5/Wireless-Knowledge-Base/MANCHESTER-decoding/ta-p/142790

        http://community.silabs.com/t5/Wireless-Knowledge-Base/Manchester-coding-preamble/ta-p/111367

        http://community.silabs.com/t5/Wireless-Knowledge-Base/Si443x-and-Manchester-Encoding-in-TX-Direct-Mode/ta-p/112861

      • modify the radio configuration on EZR32LG/WG Wireless Starter Kit simple_trx example

        baadamff | 06/168/2015 | 03:06 PM

        Question

        How can I use my own radio config in the simple trx example?

        Answer

        step 1. Open radio.h and uncomment line 38 so it should looks like as below:

        #define RADIO_USE_GENERATED_CONFIGURATION

         

        step 2. Then open the radio-configurator_<your kit name>.isc

         

        step 3. Modify the config as you need then press the Generate button on the top right corner

         

        step 4. Recompile and download the project

         

      • Si446x Sensitivity Loss in Direct-Tie Configuration

        zovida | 06/167/2015 | 11:35 AM

        Question

        What could be the main reason for the sensitivity loss in Direct-Tie configuration with Si446x?

        Answer

        Considerable sensitivity loss can be observed in Direct-Tie board configuration (i.e. TX and RX paths are directly connected to each other without the use of external RF switch) with Si446x even if the transmit spectrum looks okay and the 4-element balun matching network is also good in terms of layout and component values (i.e. good RX sensitivity in Split board configuration). Typical problem what can cause even more than 10 dB sensitivity loss is the L0-C0-CPAoff resonance what shunts the RX path in Direct-Tie configuration in RX mode. 

        In Split configuration (i.e. separated TX and RX paths) optimum TX and RX performances can be achieved. However, in Direct-Tie configuration the TX path (typically L0-C0) needs to be slightly de-tuned (from the optimum TX split values) in order to avoid the above mentioned resonance what would shunt the RX path in RX mode. This is a typical effect in the high frequency bands (i.e. 868-915 MHz). The recommended way of the matching network tuning for the Direct-Tie topology is to get the resonance away from the RF carrier with the tuning of L0 value and then tune the C0 value to get back an acceptable TX performance (tuning of L0 has the significant effect on the L0-C0-CPAoff resonant frequency, since the CPAoff is a fixed about 1.5 - 2 pF, Silicon Labs recommend to tune this resonance to the higher frequencies, i.e. reduce the L0 value, and then slightly increase the value of C0). A few nH in the L0 value can cause considerable effect on the RX sensitivity, so it is also highly suggested copying the RF layout from Silicon Labs reference designs and place the L0, C0 components (with the connection point of RX to the TX path) as close the TX pin of Si446x as possible. A few mm longer trace between the TX pin, L0, C0 and Direct-Tie connection point (compared to Silicon Labs reference designs) introduces a few extra nH what is added to L0 and it can bring the L0-C0-CPAoff resonance back to the RF carrier.   

        Please refer to the "5.4. Detailed Matching Procedure for Direct Tie Board Configuration" section in AN627 application note for a more detailed explanation and simulations. 

         

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      • Si4010 reduced power

        zovida | 06/167/2015 | 06:28 AM

        Question

        How can I further reduce the output power level of Si4010?

        Answer

        The guaranteed output power level range of the Si4010 RF transmitter IC is between +10 and -13 dBm. This power output range can be covered by the settings of PA_Power_Level (bLevel) and PA_Max_Drive (bMaxDrv) API registers included in the vPA_Setup() function. The minimum, -13 dBm, output power level can be achieved with bLevel=0 and bMaxDrv=0. 

        However, the Si4010 RF chip is capable to transmit with a lower power output than -13 dBm. For this, the PA_LVL SFR has to be directly written. The address of the PA_LVL SFR is 0xCE. For a more detailed register description please refer to the "SFR Definition 12.1. PA_LVL" section in the Si4010 datasheet.

        After the vPA_Setup() function in the code the PA slice and bias settings can be overwritten by writing the PA_LVL SFR. For reference, the bLevel=0 and bMaxDrv=0 API settings are equivalent with the PA_LVL SFR value of 0x32. Smaller value of this SFR will provide lower power output than -13 dBm. 

      • DAB/HD Radio 双模数字广播接收的优化设计方案

        EllenTang | 06/166/2015 | 11:11 PM

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        Si4689单芯片DAB/HD Radio双模数字广播接收解决方案

         

        近年来,数字视频广播系统在全球已经如火如荼推广开来,Silicon Labs在广播电视芯片领域成功地领导了全制式TV Tuner和DAB解调器并成功推出ISDB解调器后,基本全面满足了TV接收市场的需求。现在Silicon Labs同样在音频广播领域再发力,推出了全面地支持欧洲DAB/DAB+技术和北美的HD Radio技术单芯片接收方案。

        Si4689是一个Silicon Labs新发布的100% CMOS技术的单芯片数字音频广播接收芯片,它秉承了TV Tuner一贯的全制式产品支持精神,支持对传统的模拟FM/AM广播接收。Si468x在芯片尺寸、功耗和性能方面拥有革命性的改进。这些改进使得大量、价格敏感的多媒体产品集成数字接收功能成为可能。Si46xx系列提供高集成单芯片、超低功耗、全球模拟和数字多波段(AM/LW/SW/FM/FMRDS/HD/DAB/DAB+/DMB/DRM)支持。

        目前有些地区同时支持两DAB和HDRadio两种数字广播技术,这就要求我们的数字广播收音产品要同时支持两种制式,而Silicon Labs推出的Si4689芯片将很好地满足此类产品的诉求,单芯片完美解决双模数字接收的难题。

         

        Si4689应用如图1所示:

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        如下图2 ,Si4689参考应用电路所示,RF输入前端的匹配谐振电感与芯片内部的可调谐振电容构成谐振电路损失相应频点RF信号。其中L30 120nH和L3436nH电感即为匹配谐振电感。其中L30 120nH电感为FMHD Radio电感,通过软件控制管脚11 VHFSW的芯片内部开关来控制L34 36nH参考 DAB BAND III波段的频率谐振。FMHD Radio模式下仅L30 120nH电感参与谐振,L34 36nH电感处于开路状态。

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        图2Si4689参考应用电路(RF部分)

         

        不难看出,这样的硬件一个设计可以兼容到单HD/单DAB以及双模三种应用。针对不同的应用,有以下两点注意:

        1、前端调谐电感:

        a. 单HD应用:电感L3436nH并联电感NC,可以节约不必要的成本开支;

        b. DAB应用:DAB接收调谐需要L3436nH并联L30 120nH,因此支持DAB模式都需要安装L34电感;

        2、Flash:

        a. 容量:每个模式下使用不同的Firmware,根据模式的不同将要使用不用容量的Flash,每个模式Firmware大约512K,根据实际需求选择合适的容量。图3所示为可选择的序列式Flash。

        1506112.4.jpg

         

        图3可选择的序列式Flash模式

         

        b. 升级:为了应对后期标准版本或者固件优化带来的固件升级需要,需要可快速擦除的Flash芯片,Silicon Labs推荐SST25VF032B-80-4I-S2AF-ND,擦除时间18ms。如果没有升级的设计,而只是用于存储Firmware则可以使用普通速度的Flash。

         

        精选参考指南以及白皮书下载

         

      • Si4010 support in Silabs IDE

        tanagy | 06/166/2015 | 09:14 AM

        Question

        Si4010 is not on the device selection list when you try to create a new
        project from Silabs IDE. This looks like Si4010 is not supported by the IDE.

        Answer

        The Silabs IDE does support the Si4010, but doesn't contain the necessary header files to generate an Si4010 project automatically. Instead you should start from an Si4010 example project like keyfob_demo_2 and modify it according to your needs. The IDE supports downloading and debugging code to the Si4010 and can display content of special Si4010 SFRs and system variables in the View->Debug Windows menu. For details see chapter 4 of AN370 and chapter 36 of the Si4010 datasheet. 

      • S-parameters for Si446x?

        zovida | 06/163/2015 | 07:15 AM

        Question

        Can I have an access to the S-parameters for the LNA and PA pins of Si446x?

        Answer

        Silicon Labs provide impedance parameters (i.e., can be converted into S-parameters) for the RX pins (differential LNA pins) documented in the AN643 application note.
        However, Silicon Labs do not supply S-parameters for the TX pin, since the Si446x device works in switched mode (switched-PA mode such as Class-E or Square-Wave, or switched-current mode) and the matching methodology is not the conventional complex conjugate one. Please refer to the related application notes here such as AN627 and AN648.