【導讀】為了在無(wú)線(xiàn)通信系統中實(shí)現更高的數據速率以及在雷達中使用更窄的脈沖來(lái)解析近距離目標，對測試和測量?jì)x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字轉換器等射頻 (RF) 測試和測量?jì)x器可使用射頻采樣模數轉換器 (ADC)，對從直流到數千兆赫的信號同時(shí)進(jìn)行數字化。
為了在無(wú)線(xiàn)通信系統中實(shí)現更高的數據速率以及在雷達中使用更窄的脈沖來(lái)解析近距離目標，對測試和測量?jì)x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字轉換器等射頻 (RF) 測試和測量?jì)x器可使用射頻采樣模數轉換器 (ADC)，對從直流到數千兆赫的信號同時(shí)進(jìn)行數字化。
射頻采樣 ADC 取代混頻器與窄帶 ADC 的配置，降低了系統復雜性并提高了寬帶測試和測量?jì)x器、雷達和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的性能。
設計人員通常使用與無(wú)源平衡-非平衡變壓器級聯(lián)的單端增益塊來(lái)驅動(dòng)射頻采樣 ADC。不過(guò)，這種方法也有缺點(diǎn)，即限制了可實(shí)現的性能。在本文中，我們將討論這些缺點(diǎn)，并說(shuō)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，系統設計人員使用基于變壓器的無(wú)源平衡-非平衡變壓器，將單端射頻信號轉換為差分信號，以此驅動(dòng)射頻采樣 ADC。然而，無(wú)源平衡-非平衡變壓器在低頻側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?jì)x器中使用無(wú)源平衡-非平衡變壓器驅動(dòng)射頻采樣 ADC 會(huì )限制可數字化的最低頻率。
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(lái)執行單端至差分轉換，同時(shí)提供增益。圖 1 展示了 TRF1305 射頻 FDA 在直流耦合應用中驅動(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?？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?jì)x器，例如高帶寬示波器、任意波形發(fā)生器和射頻數字轉換器。
圖 1：TRF1305 射頻 FDA 直流耦合到射頻采樣 ADC
線(xiàn)性度更高
信號鏈中各元件的非線(xiàn)性會(huì )影響存在大干擾信號的情況下對小信號的檢測。二階非線(xiàn)性在窄帶系統中無(wú)關(guān)緊要，因為產(chǎn)生的非線(xiàn)性在目標頻帶之外，并且通常會(huì )被濾除。不過(guò)，寬帶系統并非如此。當輸入信號帶寬涵蓋多個(gè)倍頻程時(shí)，信號的二階非線(xiàn)性會(huì )出現在頻帶內。例如，假設有一個(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(xiàn)性發(fā)生在該頻率的兩倍處，即 1GHz 位置。不過(guò)，這個(gè)二階非線(xiàn)性小于 2GHz 的最大目標頻率，由于無(wú)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動(dòng)時(shí)更大限度降低二階非線(xiàn)性。寬帶無(wú)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 )導致信號不平衡和 ADC 線(xiàn)性性能下降 [1]。用于在無(wú)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行方式，因此具有較差的二階非線(xiàn)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，并增強整個(gè)系統的線(xiàn)性度。
保護 ADC 不受損壞
在許多測試和測量以及航空航天和國防系統中，用戶(hù)輸入是未知的。這些系統的核心射頻 ADC 對高功率級別和過(guò)驅很敏感。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)必謹慎設計信號鏈，確保上述元件不會(huì )損壞 ADC。按照設計，射頻 FDA 在將射頻采樣 ADC 驅動(dòng)到滿(mǎn)量程時(shí)呈線(xiàn)性。
圖 2 展示了 TRF1208 FDA 在發(fā)生 4GHz 連續波輸入過(guò)載時(shí)對應的輸出飽和電平。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(guò)使用射頻 FDA 來(lái)驅動(dòng) ADC，本身就會(huì )在輸出削波導致過(guò)載期間限制功率。
圖 2：發(fā)生 4GHz 連續波輸入過(guò)載時(shí)，TRF1208 FDA 的差分輸出鉗位在 3.6Vpp
如圖 3 所示，在 FDA 和 ADC 之間設計一個(gè)衰減器墊可以限制 ADC 引腳上的電壓擺幅，保護 ADC 不受損壞，簡(jiǎn)化系統設計注意事項，同時(shí)提供更多設計靈活性。
圖 3：射頻 FDA 的輸出在過(guò)載時(shí)削波，從而限制進(jìn)入 ADC 的信號功率
結語(yǔ)
射頻采樣 ADC 的技術(shù)進(jìn)步和實(shí)際運用可減少元件數量并減小電路板尺寸，從而簡(jiǎn)化射頻測試和測量?jì)x器的系統架構。專(zhuān)為 ADC 驅動(dòng)應用定制的射頻 FDA（例如 TRF1305）可以對直流到 6.5GHz 以上的信號進(jìn)行單端至差分轉換，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統架構。在接收信號鏈中配合使用寬帶射頻 FDA 和射頻采樣 ADC，可增強系統性能，同時(shí)減少元件數量，減小電路板尺寸，并降低系統成本。
其他資源
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閱讀文章“在發(fā)送信號鏈設計中使用差分轉單端射頻放大器的優(yōu)勢”。
閱讀《TRF1208/TRF1108 具有 Xilinx RFSoC 數據轉換器的有源平衡-非平衡變壓器接口》應用手冊，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《電子設計》雜志。
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