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高速射频转换器前端架构是怎样的?

2023-03-10 10:23
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文章重点介绍在设计新的接收器前端时定义和理解性能权衡,将比较各种有源接收器前端设计方法,包括低噪声放大器 (LNA)、全差分放大器 (FDA) 和经典的无源宽带巴伦。


比较 AC 性能权衡


在将巴伦、LNA 和 FDA 与TRF1208等单端转差分 (S2D) 放大器进行比较时,重要的是要回顾设计宽带、高性能模数转换器 (ADC) 接口时所涉及的指标。如果提前考虑,以下五个指标可以帮助保持设计的重点和正轨:

  • 输入阻抗或电压驻波比 (VSWR) 是一个无单位参数,它显示在感兴趣的带宽内有多少功率反射到负载中。网络的输入阻抗是负载的规定值,通常为 50 Ω。

  • 带宽只是系统中使用的开始和结束频率,通常距某个参考点 –3 dB。

  • 通带平坦度通常定义为在指定带宽内可容忍的波动量或纹波量:例如,1.0 dB 或+ 5 dB。这些水平可以或多或少地用斜率定义。

  • 在 AC 性能中,对于单音,信噪比 (SNR) 和无杂散动态范围 (SFDR) 很重要,而三阶互调失真 (IMD3) 在双音设置中很重要。

  • 输入驱动电平是带宽、输入阻抗和 VSWR 规格的函数。该电平设置转换器满量程输入信号所需的增益或幅度。它高度依赖于前端组件——巴伦、放大器和抗混叠滤波器——并且可能是最难实现的参数之一。


需要明确的是,这些指标封装了整个前端接口设计,而不仅仅是 ADC。首先考虑这些指标可能会帮助您在主动或被动前端之间做出决定。


本质上,您只需执行由前端带宽、输入驱动和交流性能(SNR 和 SFDR)组成的频率扫描,即可快速评估整体前端设计的差异。


让我们看一下五种不同的前端设计,以比较这些指标的权衡,如图 1 所示。


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图 1五个前端包括仅基于巴伦、一个 LNA、一个巴伦加 FDA、一个单端 FDA 和 TRF1208 的设计。资料来源:德州仪器


接下来,图 2显示了在高达 10 GHz 的频率上的输入带宽和输入驱动电平的权衡。每个设计的前端带宽指示在 1.4 GHz 时达到 –6 dBFS 所需的 –3-dB 带宽和输入驱动电平。


例如,查看 TRF1208,只需 –16-dBm 输入信号即可达到 ADC 满量程值的 –6 dBFS。相反,使用宽带巴伦大约需要 +1 dBm 才能达到相同的水平。两者之间,信号强度相差 17 dBm。巴伦和宽带接口网络会产生损耗,因此会提高整个信号链的噪声系数。底线是巴伦会产生损耗,LNA 和 FDA 前端设计也是如此,其中包括用于 S2D 信号转换的巴伦。


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图 2以下是五种前端设计中的频率响应。资料来源:德州仪器


图 2 说明了从大约 DC 到 8 GHz 的通带平坦度。尽管所有前端设计都可以达到 8 GHz,但每个设计都有不同的峰值和谷值需要应对。平心而论,可以根据输入网络值的变化以及设计的最终要求来微调这些峰值和谷值。


巴伦有损耗,因此宽带巴伦接口需要更高的信号驱动强度,巴伦初级端的信号电平为 +1-dBm,以在 ADC 输出上实现 –6 dBFS。由于所有其他比较都使用有源放大器设备(所有这些设备都具有固有的各种增益),因此所需的输入驱动电平将大大降低:从 –5 dBm 到 –16 dBm。您以进行进一步的分析和前端工作,以“平衡”收益和输入网络损失。与此同时,这些信息确实让您对深入了解交流性能之前的预期有所了解。


SNR 和 SFDR 排名


在相同带宽上进行频率扫描可捕获 SNR、SFDR 和 IMD3 性能。这些是典型的标准测试,用于在设计高速转换器时进行比较权衡。


图 3显示了各种配置之间的 SNR 权衡。


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图 3显示了五种前端设计的 SNR 值。资料来源:德州仪器


将紫色曲线视为基线性能,您可以看到宽带巴伦接口在转换器的整个带宽内提供了最佳的 SNR 性能。代表 LNA 方法的绿色曲线排在第二位,因为这些类型的有源器件通常具有非常低的噪声系数,增加了大约 1 dB 到 2 dB 的噪声。FDA 排在第三位,因为它的宽带噪声比 LNA 高,但比 TRF1208 低。在单端输入配置中使用 FDA 时,共模噪声消除存在一个小问题,因为其在输入上的固有设计预期全差分信号。使用这种类型的配置会稍微影响 SNR。


TRF1208 排在最后。但是,它具有更多的输出噪声,因为它具有比 FDA 更高的增益。请记住,较高的有源增益将倾向于获得设备自身产生的噪声。例如,对于 2 GHz 模拟输入信号,TRF1208 在 –166.7 dBm/Hz 时具有等于 16 dB 的增益和等于 8 dB 的噪声系数,产生 150.7 dBm/Hz 的输出噪声。FDA 在 –163.3 dBm/Hz 时具有等于 10 dB (S2D) 的增益和等于 11 dB 的噪声系数,产生 –153.3 dBm/Hz 的输出噪声。


所有设计都配置为尽可能宽的带宽,如图 2 所示。在任何有源设计中,通过在放大器输出和 ADC 输入之间使用抗混叠滤波器来降低带宽将有助于降低感兴趣频带之外的宽带噪声它还有助于降低转换器“看到”的噪声,从而将 SNR 推回到基线性能,如图 1 所示(WB Balun + 5200RF ADC)。


图 4从线性角度显示了各种前端配置之间 10 GHz 频率扫描的 SFDR 动态范围。SFDR 是一种单音测量,可以很好地观察目标频率内的任何限制谐波(二次谐波、三次谐波、四次谐波)。


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图 4显示了五种前端设计的 SFDR 值。资料来源:德州仪器


再次查看作为基线性能的紫色曲线,您可以看到宽带巴伦接口将在转换器的整个带宽内产生可能的最佳 SFDR。代表 LNA 的绿色曲线显示性能非常下降,尤其是在高达 5 GHz 的较低频段,因为鉴于 LNA 的单端特性,偶次失真 (HD2) 将始终占主导地位。HD2 最终会超出 ADC 的带宽。


当使用差分前端方法时,FDA 似乎在 0.5 至 3.5 GHz 领域拥有一定的三阶优势。使用单端方法时,在 0.5 至 5 GHz 范围内,更偶数阶的劣化优势明显。


TRF1208 一直与无源基线前端保持一致,这说明了为什么该放大器是需要有源器件的宽带前端的首选。


双音测量


另一种常见的转换器测试指标,双音测量会产生 IMD3 结果或三阶互调失真,并快速模拟现实世界的系统应用信号。简而言之,双音测量主动评估同时注入前端接口的两个信号。


这两个信号通常相互偏移 10 MHz,并被驱动到相同的电平,或分别为 –7 dBFS。图 5显示了 IMD3+(2 × F1 + F2 或 2 × F2 + F1)结果。捕获时,该图不包括 IMD3–(2 × F1 – F2 或 2 × F2 – F1),以便于说明性能差异。


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图 5这是 IMD3+ 在五种前端设计中的样子。资料来源:德州仪器


紫色曲线再次说明了基线性能,您可以看到宽带巴伦接口将在转换器的整个带宽内产生可能的最佳 IMD3 性能。代表 LNA 的绿色曲线显示了相对于宽带巴伦接口的性能下降。代表 FDA 接口的蓝色和黑色曲线的性能也相对于基线有所下降,最高可达 5 GHz。对于整个频率扫描,TRF1208 与无源基线前端保持一致。同样,它说明了为什么该放大器在宽带前端需求方面是首选。


此外,经过评估的 FDA 有两个电源,一个负电源,并消耗高达 1.8 W 的功率以保持低噪声。这是降低噪声并增加放大器的动态余量并在设计中投入更多功率的经典方法。LNA 耗散的功率最少;仅 0.275 W,采用单 5 V 电源。TRF1208 采用 5V 单电源供电,功耗仅为 0.675 W。


本文的目的是为 ADC 模拟前端接口设计的缺陷提供快速入门指南,并提供一些有用且熟悉的设计比较,以及对新型 TRF1208 差分放大器的介绍。对于任何新的宽带前端设计,建议评估指标权衡并提前仔细计划。注意相位不平衡,因为如果应用程序的频率计划中有偶数阶失真,它可能会造成严重破坏。鉴于巴伦和放大器的特性及其优缺点,重要的是要权衡取舍并做出明智的选择。

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