DC 耦合 RF 取樣 ADC

RF 取樣 ADC 接受差動(dòng)輸入，以拒斥共模雜訊和干擾，並改善二階失真。由於其具備高頻寬，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師會(huì)使用變壓器式被動(dòng)平衡不平衡轉(zhuǎn)換器，將單端 RF 訊號(hào)轉(zhuǎn)換為差動(dòng)訊號(hào)，以驅(qū)動(dòng) RF 取樣 ADC。然而，根據(jù)其支援的頻寬而定，被動(dòng)式平衡不平衡轉(zhuǎn)換器會(huì)從低頻側(cè)的數(shù)百 kHz 或數(shù)十 MHz 運(yùn)作。因此，在測(cè)試與測(cè)量儀器中使用被動(dòng)式平衡不平衡轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng) RF 取樣 ADC，會(huì)限制可數(shù)位化的最低頻率。

DC 耦合 TRF1305 RF FDA 以涵蓋 DC 至 6.5GHz 的可用大訊號(hào)頻寬，執(zhí)行單端至差動(dòng)轉(zhuǎn)換，同時(shí)也可提供增益。圖 1 顯示在 DC 耦合應(yīng)用中驅(qū)動(dòng) RF 取樣 ADC 的 TRF1305 RF FDA。RF 取樣 ADC 的輸入共模範(fàn)圍較窄，若在該共模範(fàn)圍以外運(yùn)作，ADC 的性能將會(huì)下降。單一或分離式彈性電源供應(yīng)器，搭配輸出共模控制，可簡(jiǎn)化將 TRF1305 的輸出共模匹配至 ADC 輸入共模的作業(yè)。這些功能讓此放大器能在高頻寬示波器、任意波形產(chǎn)生器和 RF 數(shù)位器等 DC 耦合 RF 測(cè)試和測(cè)量儀器中，發(fā)揮多樣功能。

圖 1 TRF1305 RF FDA DC 耦合至 RF 取樣 ADC

改善線性度

存在大型干擾訊號(hào)時(shí)，訊號(hào)鏈元件的非線性會(huì)影響偵測(cè)小訊號(hào)。二階非線性在窄頻系統(tǒng)中並不重要，因?yàn)楫a(chǎn)生的非線性會(huì)落在目標(biāo)頻帶範(fàn)圍外，通常會(huì)加以濾除。然而寬頻系統(tǒng)就不是如此。當(dāng)輸入訊號(hào)頻寬涵蓋多個(gè)倍頻程時(shí)，訊號(hào)的二階非線性就會(huì)出現(xiàn)在頻帶中。例如，假設(shè)將 RF 取樣 ADC 搭配 0.5GHz 至 2GHz 的 RF 頻寬使用。0.5GHz 訊號(hào)的二階非線性會(huì)在 1GHz 時(shí)發(fā)生，也就是頻率的兩倍。然而，這種二階非線性低於前述最大頻率 2GHz，且由於無法濾除，所以必須將其降至最低。

RF 取樣 ADC 的設(shè)計(jì)可在其輸入由平衡差動(dòng)訊號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，將二階非線性降至最低。寬頻被動(dòng)式平衡不平衡轉(zhuǎn)換器的差動(dòng)輸出，可能具有不良增益和相位不平衡，導(dǎo)致訊號(hào)不平衡及 ADC 線性性能下降 [1]。用於在被動(dòng)式平衡不平衡轉(zhuǎn)換器前放大訊號(hào)的 RF 增益區(qū)塊，由於採用單端運(yùn)作，因此二階非線性較差。TRF1305 和 TRF1208 等 RF FDA 整合了回饋技術(shù)，有助於改善差動(dòng)輸出的增益和相位不平衡。放大器的差動(dòng)本質(zhì)可將二階失真降至最低，並可強(qiáng)化整體系統(tǒng)的線性度，同時(shí)提供訊號(hào)放大功能。

保護(hù) ADC 免於受損

在許多測(cè)試與測(cè)量系統(tǒng)以及航太與國防系統(tǒng)中，使用者輸入均為未知。位於這些系統(tǒng)核心的 RF ADC，對(duì)高功率位準(zhǔn)和過驅(qū)動(dòng)十分敏感。這些 ADC 大多也具備高性能，且通常是訊號(hào)鏈中最昂貴的元件之一。因此必須仔細(xì)設(shè)計(jì)訊號(hào)鏈，以確保前接的元件不會(huì)損壞 ADC。RF FDA 的設(shè)計(jì)可在將 RF 取樣 ADC 驅(qū)動(dòng)至全刻度時(shí)，成為線性。

圖 2 顯示當(dāng)連續(xù)波輸入為 4GHz，而造成 TRF1208 FDA 過載時(shí)的輸出飽和位準(zhǔn)。TRF1208 的增益為 16dB，當(dāng)饋入 FDA 的輸入功率約 2dBm 時(shí)，其輸出會(huì)飽和至 3.6Vpp。因此，在因輸出截波造成過載期間，使用 RF FDA 驅(qū)動(dòng) ADC 本質(zhì)上就會(huì)限制功率。

圖 2 因連續(xù)波輸入為 4GHz 而過載時(shí)，TRF1208 FDA 的差動(dòng)輸出會(huì)箝制在 3.6Vpp

如 圖 3 所示，在 FDA 和 ADC 之間設(shè)計(jì)衰減器墊，即可限制 ADC 針腳的電壓擺幅，進(jìn)而保護(hù) ADC 免於損壞，並簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)考量，同時(shí)提供更多設(shè)計(jì)彈性靈活性。

圖 3 過載時(shí)，RF FDA 的輸出會(huì)截波，限制饋入 ADC 的訊號(hào)功率

結(jié)論

RF 取樣 ADC 的進(jìn)步與採用可減少元件數(shù)量及電路板尺寸，進(jìn)而簡(jiǎn)化 RF 測(cè)試與測(cè)量儀器的系統(tǒng)架構(gòu)。針對(duì) ADC 驅(qū)動(dòng)應(yīng)用量身打造的 TRF1305 等 RF FDA，可將來自 DC 的訊號(hào)透過單端至差動(dòng)轉(zhuǎn)換至 6.5GHz 以上，進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)架構(gòu)。在接收訊號(hào)鏈中，將寬頻 RF FDA 搭配 RF 取樣 ADC 使用，即可強(qiáng)化系統(tǒng)性能，同時(shí)減少元件數(shù)量、電路板尺寸和系統(tǒng)成本。

其他資源

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• 閱讀文章：「在發(fā)射訊號(hào)鏈設(shè)計(jì)中使用差動(dòng)至單端 RF 放大器的優(yōu)勢(shì)」。
• 透過應(yīng)用說明進(jìn)一步了解：TRF1208、TRF1108 主動(dòng)式平衡不平衡轉(zhuǎn)換器介面與 Xilinx RFSoC 資料轉(zhuǎn)換器。
• 查看 TI 的 RF 與微波產(chǎn)品。

參考資料

1. Rob Reeder。「A close look at active vs. passive RF converter front ends」。Planet Analog，2022 年 1 月 26 日。

如同在 Electronic Design 所發(fā)表內(nèi)容。

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