射頻FDA如何使用射頻采樣ADC來增強(qiáng)測試系統(tǒng)

為了在無線通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率以及在雷達(dá)中使用更窄的脈沖來解析近距離目標(biāo)，對測試和測量儀器的性能和帶寬提出了更高的要求。高帶寬示波器和射頻數(shù)字轉(zhuǎn)換器等射頻 (RF) 測試和測量儀器可使用射頻采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，對從直流到數(shù)千兆赫的信號同時(shí)進(jìn)行數(shù)字化。

射頻采樣ADC取代混頻器與窄帶ADC的配置，降低了系統(tǒng)復(fù)雜性并提高了寬帶測試和測量儀器、雷達(dá)和無線收發(fā)器的性能。

設(shè)計(jì)人員通常使用與無源平衡-非平衡變壓器級聯(lián)的單端增益塊來驅(qū)動(dòng)射頻采樣 ADC。不過，這種方法也有缺點(diǎn)，即限制了可實(shí)現(xiàn)的性能。在本文中，我們將討論這些缺點(diǎn)，并說明射頻全差分放大器 (FDA) 如何幫助您更大限度提高射頻采樣 ADC 的性能。

直流耦合射頻采樣ADC

射頻采樣ADC接受差分輸入，可抑制共模噪聲和干擾并改善二階失真。由于帶寬較寬，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用基于變壓器的無源平衡-非平衡變壓器，將單端射頻信號轉(zhuǎn)換為差分信號，以此驅(qū)動(dòng)射頻采樣 ADC。然而，無源平衡-非平衡變壓器在低頻側(cè)的工作頻率為幾百千赫或幾十兆赫，視其支持的帶寬而定。因此，在測試和測量儀器中使用無源平衡-非平衡變壓器驅(qū)動(dòng)射頻采樣 ADC 會限制可數(shù)字化的最低頻率。

直流耦合TRF1305射頻FDA可利用直流到 6.5GHz 范圍的可用大信號帶寬來執(zhí)行單端至差分轉(zhuǎn)換，同時(shí)提供增益。圖1展示了 TRF1305 射頻 FDA 在直流耦合應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)射頻采樣 ADC 的情況。射頻采樣 ADC 具有較窄的輸入共模范圍，超出此共模范圍運(yùn)行會降低 ADC 性能。得益于可采用單電源或靈活雙電源并支持輸出共?？刂?，TRF1305 的輸出共模更容易與 ADC 的輸入共模相匹配。這些功能使該放大器廣泛用于直流耦合射頻測試和測量儀器，例如高帶寬示波器、任意波形發(fā)生器和射頻數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

圖1 TRF1305射頻FDA直流耦合到射頻采樣ADC

線性度更高

信號鏈中各元件的非線性會影響存在大干擾信號的情況下對小信號的檢測。二階非線性在窄帶系統(tǒng)中無關(guān)緊要，因?yàn)楫a(chǎn)生的非線性在目標(biāo)頻帶之外，并且通常會被濾除。不過，寬帶系統(tǒng)并非如此。當(dāng)輸入信號帶寬涵蓋多個(gè)倍頻程時(shí)，信號的二階非線性會出現(xiàn)在頻帶內(nèi)。例如，假設(shè)有一個(gè)射頻采樣ADC用于0.5GHz至2GHz的射頻帶寬。0.5GHz信號的二階非線性發(fā)生在該頻率的兩倍處，即1GHz位置。不過，這個(gè)二階非線性小于2GHz的最大目標(biāo)頻率，由于無法將其濾除，因此必須將其盡可能降低。

射頻采樣 ADC 可以在其輸入由平衡差分信號驅(qū)動(dòng)時(shí)更大限度降低二階非線性。寬帶無源平衡-非平衡變壓器的差分輸出可能具有較差的增益和相位不平衡，會導(dǎo)致信號不平衡和 ADC 線性性能下降 ^[1]。用于在無源平衡-非平衡變壓器之前放大信號的射頻增益塊采用單端運(yùn)行方式，因此具有較差的二階非線性。TRF1305 和 TRF1208 等射頻 FDA 采用了反饋技術(shù)，有助于改善差分輸出的增益和相位不平衡。這些放大器的差分特性確保了在提供信號放大功能的同時(shí)更大限度減少二階失真，并增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的線性度。

保護(hù)ADC不受損壞

在許多測試和測量以及航空航天和國防系統(tǒng)中，用戶輸入是未知的。這些系統(tǒng)的核心射頻 ADC 對高功率級別和過驅(qū)很敏感。這些 ADC 也往往具有高性能，通常是信號鏈中較為昂貴的元件之一。因此，務(wù)必謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)信號鏈，確保上述元件不會損壞 ADC。按照設(shè)計(jì)，射頻 FDA 在將射頻采樣 ADC 驅(qū)動(dòng)到滿量程時(shí)呈線性。

圖2展示了 TRF1208 FDA 在發(fā)生 4GHz 連續(xù)波輸入過載時(shí)對應(yīng)的輸出飽和電平。TRF1208 具有 16dB 的增益，其輸出在 FDA 的輸入功率約為 2dBm 時(shí)飽和至 3.6Vpp。因此，通過使用射頻 FDA 來驅(qū)動(dòng) ADC，本身就會在輸出削波導(dǎo)致過載期間限制功率。

圖2 發(fā)生4GHz連續(xù)波輸入過載時(shí)，TRF1208 FDA的差分輸出鉗位在3.6V_pp

如圖3所示，在FDA和ADC之間設(shè)計(jì)一個(gè)衰減器墊可以限制ADC引腳上的電壓擺幅，保護(hù)ADC不受損壞，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，同時(shí)提供更多設(shè)計(jì)靈活性。

圖3 射頻FDA的輸出在過載時(shí)削波，從而限制進(jìn)入ADC的信號功率

結(jié)語

射頻采樣ADC的技術(shù)進(jìn)步和實(shí)際運(yùn)用可減少元件數(shù)量并減小電路板尺寸，從而簡化射頻測試和測量儀器的系統(tǒng)架構(gòu)。專為 ADC驅(qū)動(dòng)應(yīng)用定制的射頻FDA（例如 TRF1305）可以對直流到 6.5GHz 以上的信號進(jìn)行單端至差分轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步簡化了系統(tǒng)架構(gòu)。在接收信號鏈中配合使用寬帶射頻 FDA 和射頻采樣 ADC，可增強(qiáng)系統(tǒng)性能，同時(shí)減少元件數(shù)量，減小電路板尺寸，并降低系統(tǒng)成本。

參考資料

1. Reeder, Rob. “A close look at active vs. passive RF converter front ends”. Planet Analog, Jan. 26, 2022.發(fā)表于《電子設(shè)計(jì)》雜志。