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ISL55210的有源平衡-不平衡变压器计划的规划规模和功能

ISL55210的有源平衡-不平衡变压器方案的设计范围和性能-第1部分综述了使用一个FDA实现单端转差分的两个选择,其中只使用一个FDA而没有平衡-不平衡变压器的典型方案包括一个附加电阻器接地,以获得部分输入阻抗匹配。第2部分将消除该电阻器,以复用新器件的独特宽频带共模带宽,并显示该简化型“有源平衡-不平衡变压器”实现的潜在设计范围和性能。

尽管一切全差分放大器(FDA)都能将单端输入信号转换为差分输出,但迄今还没有一种表现出满意的功用,可在没有输入点附加电阻器接地时供给杰出输入阻抗匹配。假如可以消除电阻器接地,一起依然供给极宽频带阻抗匹配,则可供给适当低噪声的完成。

第1部分总述了运用一个FDA完成单端转差分的两个挑选,其间只运用一个FDA而没有平衡-不平衡变压器的典型计划包含一个附加电阻器接地,以取得部分输入阻抗匹配。第2部分将消除该电阻器,以复用新器材的共同宽频带共模带宽,并显现该简化型“有源平衡-不平衡变压器”完成的潜在规划规模和功用。

FDA输入供给的有源输入匹配

仔细调查图4(第1部分)中的输入网络来寻觅信号通路,输入阻抗与50Ω值的实践匹配并非一望而知。该电路的一个风趣方面是,因为共模回路的效果,朝Rg1看的输入阻抗高于实体电阻器值。

假如输出Vcm电压在单端输入信号改动时坚持固定,则求和点的均匀输入电压有必要随输入电压而改动。所以要添加输入电压就要一起添加Rg1另一侧的电压。这具有阻止电流流入Rg1元件的效应,使得该通路表现为较之于希望更高的阻抗。正是典型FDA计划的有源输入阻抗方面供给了该拓扑,所以难以对闭合式解决计划进行剖析。

假如规划人员想取得与Rs匹配的输入阻抗和从Rg1至差分输出电压的方针增益Av,一种方法当是Rf元件挑选仅仅为了满意其他约束条件时求解所需的Rt元件。该成果是由式(1)给出的Rt的二次解(参阅7)。

ISL55210的有源平衡-不平衡变压器计划的规划规模和功用

式1

该式在规划需求挑选反应电阻器(Rf)时极为有用。例如,运用一个根据电流反应(CFA)的FDA来完成图4就希望使Rf挨近主张值,以确保最佳频率呼应。其他状况或许包含,出于载荷考虑而需求防止十分低的值和/或出于噪声缘故而需求防止十分高的值。无论是哪种状况,运用式1求解图4中的Rt终端元件,然后代入式2和式3,取得Rg1和Rg2值。

式2

式3

这些解给出了典型FDA单端转差分规划的一个十分一般的解集,假如底子不运用Rt元件会怎样?运用该元件的意图常常是约束输入匹配违背,例如向Rg1看进去的有源匹配因为低内部共模回路而在较低频率时违背。这种状况便是实践上简直一切FDA都具有相对低的共模回路带宽,并有或许需求Rt元件来坚持可接受输入匹配至更高频率。

关于图7所示的ISL55210,直至高频率的优异匹配来自》1.5GHz小信号共模回路带宽,其使向Rg1看进去的阻抗坚持十分挨近该拓扑的规划值。凭借这一宽带宽,假如Rf元件不需求像运用根据VFA的器材那样受约束,则假如该匹配可以坚持,消除Rt元件就应当下降图4电路的噪声。求解无量Rt便是对式1的零系数有效地求解分母。

有源平衡-不平衡变压器单端转差分完成的规划方程式

从式1的Rt一般解开端,并经过将系数的分母设为零,求解无量Rt得到所需的Rf和Rg1元件值以射中与Rs匹配的输入阻抗,以及从Rg1至差分输出(Av)(由式4和式5给出)的电压增益。

式4

式5

然后由Rg2 = Rg1 + Rs取得差分反应平衡。在第1部分中增益为20V/V的示例中持续使Rs = 50Ω可取得图8的主张解决计划。

t元件的26dB增益规划,只运用对Rg1的有源匹配“》

图8.没有Rt元件的26dB增益规划,只运用对Rg1的有源匹配

从图8可当即发现到Rg1元件的值十分低。这使一切电阻器值极大地按份额减小,然后减小它们在该计划中的噪声奉献。第二个发现是该完成的噪声增益比图4的更典型电路有明显下降,该电路包含一个Rt元件,用来改善对更典型FDA器材的匹配。

该完成的噪声增益为15.7V/V,图8供给相同的信号增益,但噪声增益减小到11V/V。这一切都源于消除Rt元件并应当下降输出点噪声,一起更低的噪声增益还应当扩展带宽(与第1部分所示的典型单端转差分完成比较)。

噪声增益实践上变为1+Av/2,且频率呼应对图8的完成的确扩展到更高频率,如图9所示,别的图中还显现了来自第1部分的两个准备计划。

图9.选用ISL55210的3种或许26dB增益完成的呼应比较

该图显现F-3dB带宽从220MHz扩展到约450MHz。由此得到的输出噪声也比典型FDA计划有明显下降,变得适当挨近图10所示的平衡-不平衡变压器输入计划。

图10.输出点噪声比较

终究要注意的是,假如需求,ISL55210的》1.5GHz共模回路带宽可以将该4.6Ω实体Rg1转换为看似50Ω输入匹配的成果。图11显现了十分明晰的成果,将会得到作业台丈量的证明。

图11.50Ω输入26dB增益规划的输入阻抗比较

尽管不像输入点具有附加Rt至接地的典型规划那样好(在仿真中),但图8的有源平衡-不平衡变压器电路坚持好于20dB的回损直至500MHz。这远远超过了平衡-不平衡变压器输入规划,且输出噪声只略高一点。

运用有源平衡-不平衡变压器的规划增益扫描

坚持方针50Ω输入匹配并从14dB到34dB以2dB步长扫描方针增益可取得完成该计划所需的准确元件值(参见表1),核算时运用式3和式4。请注意,这些电阻器值适用于任何电压反应FDA,而希望的信号通路F-3dB带宽只适用于极宽带ISL55210。

估量带宽并不严厉遵从4GHz ISL55210的增益带宽积,而这对去补偿VFA器材为典型状况。图12显现了对应于表1增益步长的系列呼应曲线。

表1.对运用一个FDA的有源平衡-不平衡规划扫描增益元件值

图12.运用ISL55210的规划增益的估量频率呼应曲线

持续看26dB示例,用两个24.9Ω串联输出电阻器建立起通向一个输出平衡-不平衡变压器(参阅9)的通路,使单端信号回来进入50Ω负载,图13显现了呼应比较。在这儿,从输出引脚至负载的估量6.4dB插入损耗回来进入丈量的数据,以便与图9的仿真呼应进行比较。因为ADT1-1WT滚降(rolloff),在略高的频带约束呼应下测得略低的增益。

图13.图8的频率呼应折算到输出引脚

运用输入阻抗丈量成果持续该比较可得到图14的曲线,其间的两个仿真和作业台电路板从信号通路中的10nF电容改动为1uF,显现更好的匹配直至更低频率。

图14.图8的有源平衡-不平衡电路的输入阻抗丈量与仿真成果比较

在这之后,从1MHz至200MHz的仿真阻抗因为仿真模型中没有寄生电路板电容而或许向下违背。请注意以50Ω为中心的+/-2Ω违背直至400MHz,这好于图8电路的34dB回损测验成果。运用图8和ISL55210的完成,该26dB增益的噪声系数丈量值5GHz)器材的该相同电路(图8)中丈量的输入阻抗可取得图15的曲线。

图15.26dB增益50Ω输入有源平衡-不平衡变压器规划比较

从此图简略看出输入终端的Rt分流部分为什么得到遍及运用(以更高输出噪声和闭环带宽下降的价值)。运用52Ω频率的比率,可为准备器材的这一未规则参数估量得到400MHz内部共模带宽。这依然供给好于20dB的回损直至100MHz。

有源平衡-不平衡变压器电路的更低增益完成

图12的参数化呼应曲线预言挨近平整的呼应直至1GHz,其间增益为16dB并运用表1中对应该增益的元件值。在专用有源平衡-不平衡变压器电路板上(参阅9)上完成16.4dB规划得到图16的仿真电路。

该电路旨在模仿该较低增益运用于驱动两层停止50Ω输出网络的功用。尽管输出侧平衡-不平衡变压器是一个极宽带1:1元件,但其将设置每个频率极值的仿真和丈量滚降(参阅10)。图17的比较曲线显现有少数共振引起丈量呼应在1Ghz处后退到达峰值。

图16.仿真中匹配负载EVM电路的10.2dB净增益

图17.有源平衡-不平衡EVM电路板的更低增益呼应丈量与仿真成果

这些曲线显现平整度在4MHz – 600MHz频宽规模内近似-1dB。关于FDA输出,呼应将明显更宽,其低端由电容器设置,高端一向平整至900MHz(参阅9)。运用HP4195网络剖析仪对该电路的输入阻抗进行终究查看显现,在3MHz – 300MHz频宽规模内存在简直完美的50Ω匹配,如图18的截屏所示。这儿的符号是100MHz时显现50.3Ω和0.9deg。一向到该仪器的500MHz最大作业频率,输入阻抗只添加至53Ω。低频违背同样是10nF隔绝电容器。

图18.图16的更低增益测验电路的输入阻抗

运用一个FDA的有源平衡-不平衡放大器完成的运用与挑选

当需求在增益1GHz的共模回路带宽的器材中得到最佳运用。因为规划方程式4和5是彻底一般化的,所以或许需求对元件值进行调整,以习惯所要求的输入阻抗和增益(75Ω数据见参阅9)。信号带宽随增益的添加而下降,但折算到输入的噪声也将下降。可用于ISL55210的仿真模型有效地预言了宽设置规模上的功用,而此装备中的专用EVM(参阅9)则有助于快速取得对不同规划点的作业台丈量成果。

获益于该计划的潜在体系包含–

1. 通讯接收器链,其最小尺度和高度要求可获益于该计划没有平衡-不平衡变压器(条件答应时)。

2. 第2 Nyquist区ADC接口,运用简略接口(如图8所示)可经过带通滤波消除偶次失真项。

3. 用于脉管超声波的一级放大器,其间或许需求调整阻抗匹配,以习惯这种不常用电缆的实践特征阻抗。

4. 磁共振成像(MRI)设备,取得超低噪声单端转差分级可获益于无需磁性元件(磁性元件不能用于这些强磁场运用)。

从电压反应FDA的固有功用开端来完成这种有用的电路块,并扩展内部共模带宽,使之远高于从前的预期,为这种相对简略的解决计划运用于很多潜在运用打开了大门。

总结和结束语

该第2部分内容研讨了几种传统的单端输入转差分输出计划,其间运用了日益遍及的FDA器材,一起还研讨了这种新的“有源平衡-不平衡变压器”规划,其间消除了传统规划的电阻器接地。关于最低输入折算噪声和偶次谐波按捺,输入升压平衡-不平衡变压器后跟一个差分I/O FDA或许应当选用的方法。关于单端转差分级中具有优异输入匹配的最宽增益平整区域,可考虑文中胪陈的运用ISL55210的有源平衡-不平衡变压器计划。

作者简介:

Michael Steffes

Michael Steffes在高速放大器规划、运用及营销范畴有27年作业经验,在5个公司推出了80多款产品,一起宣布了40多篇文章。他现在的作业重点是高效高速ADC接口、DSL/PLC线路接口解决计划以及在线规划东西开发。

责任编辑:gt

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