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ADI:使用采样坚持放大器和RF ADC从根本上扩展带宽以打破X波段频率

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 摘要模拟带宽的重要性高于其他一切在越来越多的应

文章转自ADI官网,版权归属原作者悉数

摘要

模仿带宽的重要性高于其他悉数在越来越多的运用中得到表现。跟着GSPS或RF ADC的呈现,奈奎斯特域在短短几年内增长了10倍,到达多GHz规模。这协助上述运用进一步拓宽了视界,但为了到达X波段(12 GHz频率),依然需求更多带宽。在信号链中运用采样坚持扩大器 (THA),能够从根本上扩展带宽,使其远远超出ADC采样带宽,满意严苛高带宽的运用的需求。本文将证明,针对RF商场开发的最新转化器前添加一个THA,便可完结超越10 GHz带宽。

简介

GSPS转化器是当下抢手,其优势在于既能缩短RF信号链,又能在FPGA中创立更多资源结构以供运用,例如:削减前端的下变频以及后级的数字下变频器 (DDC)。但适当多的运用依然需求高频率的原始模仿带宽 (BW),其远远超出了RF转化器所能完结的水平。在此类运用中,特别是在国防与仪器仪表职业(无线根底设施也相同),依然有将带宽彻底扩展到10 GHz或以上的需求,掩盖规模超出C波段,越来越多的运用需求掩盖到X波段。跟着高速ADC技能的前进,人们对GHz区域内高速精确地分辩超高中频 (IF) 的需求也在进步,基带奈奎斯特域已超越1 GHz并敏捷攀升。这一说法到本文宣布的时分或许即已过期,由于这方面的开展十分迅猛。

这带来了两大应战:一个是转化器规划本身,另一个是将信号耦合到转化器的前端规划,例如扩大器、巴伦和PCB规划。转化器功能越超卓,就对前端信号质量要求更高。越来越多的运用要求运用分辩率在8到14位的高速GSPS转化器,可是前端的信号质量成为了瓶颈—体系的短板决议了整个项意图方针。

本文界说的宽带是指运用大于数百MHz的信号带宽,其频率规模为DC邻近至5 GHz-10 GHz区域。本文将评论宽带THA或有源采样网络的运用,意图是完结直至无穷大的带宽(抱愧,现在还没有玩具总动员表情符号可用),并侧重介绍其布景理论,该理论支撑扩展RF ADC的带宽,而RF ADC单凭本身或许没有此才能。终究,本文将阐明一些考虑要素和优化技能,以协助规划人员完结超宽带运用切实可行的宽带处理计划。

打好根底

关于雷达、仪器仪表和通讯运用,高GSPS转化器运用得十分广泛,由于它能供给更宽的频谱以扩展体系频率规模。可是,更宽的频谱对ADC本身的内部采样坚持器提出了更多应战,由于它一般未针对超宽带操作进行优化,而且ADC一般带宽有限,在这些更高模仿带宽区域中其高频线性度/SFDR会下降。

因而,在ADC前面运用独自的THA来拓宽模仿带宽成为了一个抱负的处理计划,如此便可在某一精确时刻对频率十分高的模仿/RF输入信号进行采样。该进程经过一个低颤动采样器完结信号采样,并在更宽带宽规模内下降了ADC的动态线性度要求,由于采样率RF模数转化进程中坚持不变。

这种计划带来的优点清楚明了:模仿输入带宽从根本上得以扩展,高频线性度明显改进,而且与独自的RF ADC功能比较,THA-ADC组件的高频SNR得到改进。

THA特性及概述

ADI的THA系列产品能够在18 GHz带宽规模内供给精细信号采样,在DC至超越10 GHz的输入频率规模内具有9到10位线性度、1.05 mV噪声和<70 fs的随机孔径颤动功能。该器材能够4 GSPS作业,动态规模丢失极小,具体类型包含HMC661 和 HMC1061。这些盯梢坚持扩大器可用于扩展高速模数转化和信号搜集体系的带宽和/或高频线性度。

以单级THA HMC661为例,发生的输出由两段组成。在输出波形(正差分时钟电压)的采样形式距离中,器材成为一个单位增益扩大器,在输入带宽和输出扩大器带宽的束缚下,它将输入信号复制到输出级。在正时钟到负时钟跃迁时,器材以十分窄的采样时刻孔径对输入信号采样,而且在负时钟距离内,将输出坚持在一个相对安稳的代表采样时刻信号的值。合作ADC进行前端采样时,常常优先运用单级器材(ADI 一起法布里了两级THA 的类型HMC1061),原因是大都高速ADC现已在内部集成一个THA,其带宽一般要小得多。因而,在ADC之前添加一个THA便构成一个复合双级组件(或一个三级组件,假如运用的是双级HMC1061),THA在转化器前面。选用平等技能和规划时,单级器材的线性度和噪声功能一般优于双级器材,原因是单级器材的级数更少。所以,单级器材常常是合作高速ADC进行前端采样的最佳挑选。

Figure 1
图1. 采样坚持拓扑结构:(1a) 单列,(1b) 双列。

推迟映射THA和ADC

开发采样坚持器和ADC信号链的最困难使命之一,是在THA捕获采样事情的时刻与应将其移到ADC上以对该事情从头采样的时刻之间设置恰当的时序推迟。设置两个高效采样体系之间的抱负时刻差的进程被称为推迟映射。

在电路板上完结该进程或许冗长庸俗,由于纸面剖析或许不会考虑PCB板上时钟走线传达距离构成的相应推迟,内部器材组推迟,ADC孔径推迟,以及将时钟分为两个不同段所涉及到的相关电路(一条时钟走线用于THA,另一条时钟走线用于ADC)。设置THA和ADC之间推迟的一种办法是运用可变推迟线。这些器材能够是有源或无源的,意图是正确对准THA采样进程的时刻并将其交给ADC进行采样。这保证了ADC对THA输出波形的安稳坚持形式部分进行采样,然后精确表明输入信号。

如图2所示, HMC856 可用来发动该推迟。它是一款5位QFN封装,90 ps的固有推迟,步进为3 ps或25ps ,32位的高速延时器。它的缺陷是要设定/遍历每个推迟设置。要使能新的推迟设置,HMC856上的每个位/引脚都需求拉至负电压。因而,经过焊接下拉电阻在32种组合中找到最佳推迟设置会是一项繁琐的使命,为了处理这个问题,ADI运用串行操控的SPST开关和板外微处理器来协助更快完结推迟设置进程。

Figure 2
图2. 推迟映射电路。

为了取得最佳推迟设置,将一个信号施加于THA和ADC组合,该信号应在ADC带宽规模之外。本例中,咱们挑选一个约10 GHz的信号,并施加-6 dBFS的电平(在FFT显现屏上捕获)。推迟设置现在以二进制步进办法扫描,信号的电平缓频率坚持安稳。在扫描进程中显现并捕获FFT,搜集每个推迟设置对应的基波功率和无杂散动态规模 (SFDR) 数值。

成果如图3a所示,基波功率、SFDR和SNR将随所运用的每个设置而改变。如图所示,当把采样方位放在更好的当地(THA将样本送至ADC的进程之中)时,基波功率将处于最高水平,而SFDR应处于最佳功能(即最低)。图3b为推迟映射扫描的扩大视图,推迟设定点为671,即推迟应该坚持固定于此窗口/方位。请记住,推迟映射程序仅对体系的相关采样频率有用,假如规划需求不同的采样时钟,则需求从头扫描。本例中,采样频率为4 GHz,这是该信号链中运用的THA器材的最高采样频率。

Figure 3a
图3a. 每个推迟设置上信号起伏和SFDR功能的映射成果。
Figure 3b
图3b. 每个推迟设置上信号起伏和SFDR功能的映射成果(扩大)。

针对很多原始模仿带宽的前端规划

首要,假如运用的要害方针是处理10 GHz的带宽,咱们明显应考虑RF办法。请留意,ADC依然是电压型器材,不会考虑功率。这种情况下,”匹配”这个词应该慎重运用。咱们发现,让一个转化器前端在每个频率都与100 MSPS转化器匹配几乎是不或许的;高频率带宽的RF ADC不会有太大的不同,但应战仍旧。术语”匹配”应表明在前端规划中能发生最佳成果的优化。这是一个包罗万象的术语,其间,输入阻抗、沟通功能 (SNR/SFDR)、信号驱动强度或输入驱动、带宽以及通带平整度,这些方针都能发生该特定运用的最佳成果。

终究,这些参数一起界说了体系运用的匹配功能。开端宽带前端规划时,布局或许是要害,一起应当最大极限地削减器材数量,以下降两个相邻IC之间的损耗。为了到达最佳功能,这两方面均十分重要。将模仿输入网络衔接在一起时必须当心。走线长度以及匹配是最重要的,还应尽量削减过孔数量,如图4所示。

Figure 4
图4. THA和ADC布局。

信号经过差分形式衔接到THA输入(咱们一起是也供给单端射频信号输入的参阅规划链路),构成单一前端网络。为了最大极限地削减过孔数量和总长度,咱们在这儿特别当心,让过孔不经过这两条模仿输入途径,而且协助抵消走线衔接中的任何线脚。

终究的规划适当简略,只需求留意几点,如图5所示。所运用的0.01 F电容是宽带类型,有助于在较宽频率规模内坚持阻抗平整。典型的制品型0.1 F电容无法供给平整的阻抗呼应,一般会在通带平整度呼应中引起较多纹波。THA输出端和ADC输入端的5和10串联电阻,有助于削减THA输出的峰化,并最大极限地下降ADC本身内部采样电容网络的剩余电荷注入构成的失真。可是,这些值需求慎重地挑选,否则会添加信号衰减并迫使THA进步驱动强度,或许规划或许无法运用ADC的悉数量程。

终究评论差分分流端接。当将两个或更多转化器衔接在一起时,这点至关重要。一般,轻型负载(例如输入端有1 k负载)有助于坚持线性并操控混响频率。分流器的120 分流负载也有此效果,但会发生更多实践负载,本例中为50 ,这正是THA期望看到并进行优化的负载。

Figure 5
图5. THA和ADC前端网络及信号链。

现在看成果!查看图6中的信噪比或SNR,能够看出在15 GHz规模上能够完结8位的ENOB(有用位数)。这是适当不错的,想想关于相同功能的13 GHz示波器,您或许支付了12万美元。当频率向L、S、C和X波段移动时,集成带宽(即噪声)和颤动约束开端变得明显,因而咱们看到功能呈现滚降。

还应留意,为了坚持THA和ADC之间的电平安稳,ADC的满量程输入经过SPI寄存器内部更改为1.0 V p-p。这有助于将THA坚持在线性区域内,由于其最大输出为1.0 V p-p差分。

Figure 6
图6. –6 dBFS时的SNRFS/SFDR功能成果。

一起显现了线性度成果或SFRD。这儿,到8 GHz停止的线性度超越50 dBc,到10 GHz停止的线性度超越40 dBc。为在如此宽的频率规模上到达最佳线性度,此处的规划运用 AD9689模仿输入缓冲电流设置特性进行了优化(经过SPI操控寄存器)。

图7显现了通带平整度,证明在RF ADC之前添加一个THA能够完结10 GHz的带宽,然后充沛扩展AD9689的模仿带宽。

Figure 7
图7. THA和ADC网络及信号链—带宽成果。

结语

关于那些需求在多GHz模仿带宽上完结最佳功能的运用,THA几乎是必不可少的,至少现在是如此!RF ADC正在敏捷赶上。很简略理解,在对较宽带宽进行采样以掩盖多个方针频带时,GSPS转化器在理论上具有易用性优势,能够消除前端RF带上的一个或多个向下混频级。可是,完结更高规模的带宽或许会带来规划应战和保护问题。

在体系中运用THA时,应保证采样点的方位在THA和ADC之间进行了优化。运用本文所述的推迟映射程序将发生总体上最佳的功能成果。了解程序是庸俗的,可是十分重要。终究应记住,匹配前端实践上意味在运用的给定一组功能需求下完结最佳功能。在X波段频率进行采样时,乐高式办法(简略地将50 阻抗模块衔接在一起)或许不是最好的办法。

参阅电路

运用笔记。运用HMC661LC4B改进高速模数转化器的带宽和功能。ADI公司,2011年。

运用笔记。了解高速ADC测验与评价。ADI公司,2015年。

Caserta, Jim and Rob Reeder. “宽带模数转化器前端规划考虑II:用扩大器仍是用变压器驱动ADC?”。模仿对话,第41卷,2007年2月。

HMC10611LC5数据手册。ADI公司。

HMC661LC4B数据手册。ADI公司。

Ramachadran, Ramya and Rob Reeder. “宽带模数转化器前端规划考虑:何时运用双变压器装备”。模仿对话,第40卷,2006年7月。

Reeder, Rob. “宽带模数转化器的变压器耦合前端”。模仿对话,第39卷,2005年4月。

称谢

作者要感谢HMC661和HMC1061 THA的规划者Mike Hoskins供给布景常识,以及Chas Frick和John Jefferson在实验室中编写和运转大部分数据。

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