Gleichstromkopplung, HF-Abtastung, Analog-Digital-Wandler

ADCs mit HF-Abtastung akzeptieren Differenzeingänge, um Gleichtaktrauschen und Störungen zu unterdrücken und Verzerrungen zweiter Ordnung zu verbessern. Wegen ihrer großen Bandbreite verwenden Systementwickler transformatorbasierte passive Baluns, um unsymmetrische HF-Signale in Differenzsignale umzuwandeln, um ADCs mit HF-Abtastung anzusteuern. Passive Baluns arbeiten jedoch auf der Niederfrequenzseite mit Hunderten von Kilohertz oder Dutzenden von Megahertz, je nach der Bandbreite, die sie unterstützen. Daher begrenzt die Verwendung eines passiven Baluns zur Ansteuerung von ADCs mit HF-Abtastung in Prüf- und Messgeräten die niedrigste Frequenz, die digitalisiert werden kann.

Der DC-gekoppelte HF-FDA TRF1305 führt die Wandlung von unsymmetrischen zu differenziellen Signalen mit einer nutzbaren Großsignalbandbreite von DC bis 6,5 GHz durch und bietet dabei einen Verstärkungsfaktor. Abbildung 1 zeigt, wie der HF-FDA TRF1305 einen ADC mit HF-Abtastung in einer DC-gekoppelten Anwendung ansteuert. ADCs mit HF-Abtastung haben einen engen Eingangsgleichtaktbereich, und der Betrieb außerhalb dieses Gleichtaktbereichs beeinträchtigt die ADC-Leistung. Flexible Stromversorgungen mit einfacher oder geteilter Spannungsversorgung erleichtern in Verbindung mit der Ausgangsgleichtaktsteuerung des TRF1305 den Abgleich des Ausgangsgleichtakts mit dem Eingangsgleichtakt des A/D-Wandlers. Diese Eigenschaften machen diesen Verstärker zu einem vielseitig einsetzbaren Verstärker in DC-gekoppelten HF-Prüf- und Messgeräten wie Oszilloskopen mit großer Bandbreite, Arbiträrsignalgeneratoren und HF-Digitalisierern.

Abbildung 1 Der an einen ADC mit HF-Abtastung DC-gekoppelte HF-FDA TRF1305

Verbesserte Linearität

Die Nichtlinearität von Komponenten in einer Signalkette beeinflusst die Erkennung kleiner Signale in Gegenwart großer Störsignale. Nichtlinearität zweiter Ordnung ist in Schmalbandsystemen nicht besonders wichtig, da die erzeugte Nichtlinearität außerhalb des relevanten Frequenzbandes liegt und im Allgemeinen herausgefiltert wird. Bei Breitbandsystemen ist dies allerdings nicht der Fall. Wenn die Bandbreite des Eingangssignals mehrere Oktaven umfasst, tritt die Nichtlinearität zweiter Ordnung des Signals innerhalb des Bandes auf. Nehmen wir beispielsweise einen ADC mit HF-Abtastung, der mit einer HF-Bandbreite von 0,5 GHz bis 2 GHz verwendet wird. Die Nichtlinearität eines Signals zweiter Ordnung bei 0,5 GHz tritt bei 1 GHz auf, was der doppelten Frequenz entspricht. Diese Nichtlinearität zweiter Ordnung liegt jedoch unter der relevanten Maximalfrequenz von 2 GHz und muss minimiert werden, da sie nicht herausgefiltert werden kann.

ADCs mit HF-Abtastung sind so ausgelegt, dass die Nichtlinearität zweiter Ordnung minimiert wird, wenn ihre Eingänge mit symmetrischen Differenzsignalen angesteuert werden. Passive Breitband-Baluns können eine schlechte Verstärkung und Phasenungleichheit an ihrem Differenzausgang aufweisen, was zu einer unausgewogenen Signalübertragung und einer Verschlechterung der Linearitätsleistung von ADCs führt [1]. HF-Verstärkerblöcke, die zur Verstärkung des Signals vor dem passiven Balun verwendet werden, weisen aufgrund ihres unsymmetrischen Betriebs eine schlechte Nichtlinearität zweiter Ordnung auf. HF-FDAs wie der TRF1305 und der TRF1208 verfügen über Rückkopplungstechniken, die zu einer verbesserten Verstärkung und Phasenungleichheit an den Differenzausgängen beitragen. Die unterschiedliche Beschaffenheit der Verstärker minimiert Verzerrungen zweiter Ordnung und verbessert die Linearität des Gesamtsystems bei gleichzeitiger Signalverstärkung.

Schutz der ADCs vor Beschädigungen

Bei vielen Prüf- und Messsystemen sowie Luft- und Raumfahrtsystemen sind die Benutzereingaben unbekannt. Die HF-ADCs im Kern dieser Systeme sind empfindlich gegenüber hohen Leistungspegeln und Übersteuerung. Diese ADCs bieten in der Regel auch eine hohe Leistung und sind oft eine der teuersten Komponenten in der Signalkette. Daher ist es wichtig, die Signalkette so zu entwerfen, dass die vorgeschalteten Komponenten den ADC nicht beschädigen. HF-FDAs sind bei der Ansteuerung von ADCs mit HF-Abtastung auf Vollausschlag linear.

Abbildung 2 zeigt den Sättigungsgrad des Ausgangs, wenn der TRF1208 FDA mit einer Dauerstrichleistung bei 4 GHz überlastet wird. Der TRF1208 besitzt eine Verstärkung von 16 dB, und sein Ausgang erreicht bei etwa 2 dBm der Eingangsleistung des FDA 3,6 Vpp. Die Verwendung von HF-FDAs zur Ansteuerung von ADCs führt daher zu einer inhärenten Leistungsbegrenzung bei Überlast durch Ausgangsbegrenzungen.

Abbildung 2 Der Differenzausgang der TRF1208-FDA-Klemmen beträgt 3,6 Vpp bei Überlast mit einem kontinuierlichen Welleneingang bei 4 GHz.

Wie in Abbildung 3 dargestellt, begrenzt der Einbau eines Dämpfungsgliedes zwischen der FDA und den ADC-Anschlüssen den Spannungshub an den ADC-Anschlüssen, schützt den ADC vor Beschädigung und vereinfacht die Überlegungen zum Systemdesign bei gleichzeitig größerer Designflexibilität.

Abbildung 3 Ausgabe von RF-FDA-Klemmen bei Überlast zur Begrenzung der Signalleistung im ADC

Fazit

Die Weiterentwicklung und Einführung von ADCs mit HF-Abtastung vereinfacht die Systemarchitektur von HF-Prüf- und Messinstrumenten durch eine geringere Anzahl von Komponenten und eine geringere Platinengröße. HF-FDAs wie der TRF1305, der speziell für ADC-Antriebsanwendungen entwickelt wurde, vereinfachen die Systemarchitekturen, indem sie Signale von DC bis über 6,5 GHz von unsymmetrisch zu differenziell umwandeln. Die Verwendung von Breitband-HF-FDAs in Verbindung mit ADCs mit HF-Abtastung in Empfangssignalketten bietet eine verbesserte Systemleistung bei gleichzeitiger Reduzierung der Komponentenanzahl, der Platinengröße und der Systemkosten.

Weitere Ressourcen

• Bestellen Sie das TRF1305EVM auf TI.com und beginnen Sie noch heute.
• Lesen Sie den Artikel „Vorteile der Verwendung von HF-Differenzverstärkern anstelle von unsymmetrischen Verstärkern in einer Signalkette.“
• Erfahren Sie mehr im Anwendungshinweis: TRF1208, TRF1108 aktive Balun-Schnittstelle mit Xilinx RFSoC-Datenwandlern.
• Sehen Sie sich die HF- und Mikrowellen-Produkte von TI an.

Quellennachweise

1. Reeder, Rob. „A close look at active vs. passive RF converter front ends“. Planet Analog, 26. Januar 2022.

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