【導(dǎo)讀】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(duì)測(cè)試和測(cè)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(cè)試和測(cè)量儀器可使用射頻采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，對(duì)從直流到數(shù)千兆赫的信號(hào)同時(shí)進(jìn)行數(shù)字化。
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(duì)測(cè)試和測(cè)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(cè)試和測(cè)量儀器可使用射頻采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，對(duì)從直流到數(shù)千兆赫的信號(hào)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(cè)試和測(cè)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(jí)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(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，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(cè)試和測(cè)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(huì)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(hào)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(huì)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模控制，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(cè)試和測(cè)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(hào)鏈中各元件的非線性會(huì)影響存在大干擾信號(hào)的情況下對(duì)小信號(hào)的檢測(cè)。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(huì)被濾除。不過，寬帶系統(tǒng)并非如此。當(dāng)輸入信號(hào)帶寬涵蓋多個(gè)倍頻程時(shí)，信號(hào)的二階非線性會(huì)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(hào)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(hào)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(huì)導(dǎo)致信號(hào)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(hào)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(hào)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(cè)試和測(cè)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(duì)高功率級(jí)別和過驅(qū)很敏感。這些 ADC 也往往具有高性能，通常是信號(hào)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(hào)鏈，確保上述元件不會(huì)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(duì)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(huì)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 3.6Vpp
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(jiǎn)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(hào)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(jiǎn)化射頻測(cè)試和測(cè)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(duì)直流到 6.5GHz 以上的信號(hào)進(jìn)行單端至差分轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)。在接收信號(hào)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。
其他資源
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閱讀文章“在發(fā)送信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中使用差分轉(zhuǎn)單端射頻放大器的優(yōu)勢(shì)”。
閱讀《TRF1208/TRF1108 具有 Xilinx RFSoC 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的有源平衡-非平衡變壓器接口》應(yīng)用手冊(cè)，了解更多信息。
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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。
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