Расширение полосы пропускания для раздавливания частот х-диапазона с использованием усилителя выборки треков и удерживания и rf adc

Автор: Селезнев Владимир [email protected].

Публикация: 2025-03-03 20:20.

Последние изменения: 2025-03-03 20:20

Расширение полосы пропускания для измельчения частот X-диапазона с использованием усилителя выборки и удержания треков и RF ADC

Существуют приложения, в которых необработанная аналоговая пропускная способность имеет первостепенное значение, и с появлением GSPS или RF ADC, зоны Найквиста выросли в 10 раз за несколько лет, достигнув интервалов с несколькими ГГц. Это помогло этим приложениям продолжить наблюдение за горизонтом, но для достижения X-диапазона (частоты 12 ГГц) требуется еще большая пропускная способность.

Использование усилителя выборки трека и тренда (THA) в цепочке сигналов может радикально расширить полосу частот намного выше полосы пропускания АЦП и обеспечить требования, необходимые тем проектам, которые больше всего нуждаются в пропускной способности. В этой статье я докажу, что разработчики могут использовать полосу пропускания 10 ГГц при использовании THA перед одним из преобразователей рынка RF Analog Dialogue.

Со всеми шумами, окружающими преобразователи GSPS, из-за их преимуществ в сокращении как цепи RF-сигнала, так и создании большей ресурсной структуры в FPGA, чтобы быть доступным, например, при устранении стадий микширования на передней панели и включении цифровых down-преобразователей (DDC) на задней панели, соответственно, в некоторых приложениях по-прежнему существует потребность в высокочастотной исходной аналоговой пропускной способности (BW), которая намного превосходит то, что могут достичь эти RF-преобразователи. В этих приложениях, особенно в индустрии защиты и измерительной аппаратуры (с учетом беспроводной инфраструктуры в соответствии с требованиями), все еще существует интерес к полному расширению полосы пропускания до или даже до 10 ГГц-покрытий за пределами диапазона C и полностью охватывающей X- если возможно. По мере того как технология высокоскоростного АЦП улучшается, также необходимо очень точно разрешать очень высокие промежуточные частоты (ПЧ) на высоких скоростях в области ГГц, уступая место зонам Найквиста в диапазоне частот более 1 ГГц и быстро поднимаясь. Это заявление может быть устаревшим к моменту опубликования, поскольку события в этой области чрезвычайно быстрые.

Это создает две проблемы: сам дизайн конвертера и интерфейсный дизайн, который соединяет контент сигнала с преобразователем, например, усилитель, балун и дизайн печатной платы. Даже если производительность преобразователя превосходна, передняя часть также должна сохранять качество сигнала. Эти приложения требуют использования высокоскоростных преобразователей GSPS с разрешением от 8 бит до 14 бит, но помните, что для удовлетворения соответствия конкретного приложения необходимо выполнить множество параметров.

Широкополосный, как определено в этой статье, является использование полосы пропускания сигнала, превышающей 100 МГц, и в диапазоне от ближнего постоянного тока в частотной области 5 ГГц до 10 ГГц. В этой статье будет обсуждаться использование широкополосных THAs или активных сетей выборки для того, чтобы достичь пропускной способности до бесконечности и за ее пределами (извините, в настоящее время нет доступных источников игрушек), а также выделяет свою теорию фона, которая позволяет использовать полосу пропускания расширение АЦП РФ, которое может не иметь возможности самостоятельно. Наконец, будут рассмотрены соображения и методы оптимизации, чтобы помочь разработчикам реализовать эффективное широкополосное решение в области с несколькими ГГц.

Укладка фонда

Естественно тяготеть к преобразователям GSPS для таких приложений, как радиолокация, контрольно-измерительные приборы и связь, поскольку это представляет собой более широкий спектр частот, предлагая расширение диапазона в системе. Однако более широкий спектр частот создает еще больше проблем для внутренней выборки и хранения самого АЦП, поскольку он, как правило, не оптимизирован для работы сверхширокополосной связи, и АЦП обычно имеет ограниченную полосу пропускания и ухудшает высокочастотную линейность / SFDR в этих более высоких области аналоговой полосы пропускания.

Таким образом, использование отдельной THA перед АЦП является одним из возможных решений, обеспечивающих выборку при очень высоких аналоговых / радиочастотных входных сигналах в определенный момент времени. Процесс приводит к выборке сигнала с помощью одного сэмплера с низким джиттером и снижает требования к динамической линейности АЦП в более широком диапазоне пропускной способности, поскольку дискретизированное значение поддерживается постоянным во время процесса аналого-цифрового преобразования.

Результатом является радикальное расширение полосы пропускания аналогового входа, а также существенное улучшение высокочастотной линейности и улучшение высокочастотного SNR для сборки THA-ADC по сравнению с характеристиками только АЦП.

THA Характеристики и обзор

THAs предлагают выборку точного сигнала с пропускной способностью 18 ГГц с линейностью от 9 до 10 бит от постоянного тока до входных частот 10 ГГц, шумом 1, 05 мВ и джиттером случайной апертуры менее 70 фс. Устройство может быть синхронизировано до 4 GSPS с минимальной потерей динамического диапазона - такие случаи включают HMC661 и HMC1061. Эти THAs могут использоваться для расширения полосы пропускания и / или высокочастотной линейности высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей и систем сбора сигналов.

Однозначный THA имеет один THA (или HMC661) и производит выход, который состоит из двух сегментов. В интервале режима дорожки выходного сигнала (положительное дифференциальное тактовое напряжение) устройство ведет себя как усилитель с единичным усилением, который реплицирует входной сигнал на выходном каскаде с учетом ширины полосы входного сигнала и ограничения полосы выходного усилителя. При положительном отрицательном тактовом переходе устройства он подает входной сигнал с очень узкой апертурой времени выборки и удерживает выход относительно постоянным во время отрицательного интервала времени на значении, которое является репрезентативным для сигнала в момент выборки. Одноранговое устройство (в отличие от его брата с двойным рейтингом THA или HMC1061) часто предпочтительнее для дискретной выборки на передней панели с АЦП, поскольку большинство высокоскоростных АЦП уже имеют встроенную THA, обычно с гораздо меньшей пропускной способностью. Следовательно, добавление THA перед АЦП образует составную, двойную рангную сборку (или тройной ранг, если используется двойной ранг HMC1061) с THA перед преобразователем. Для равных технологий и конструкций устройство с одним рангом, как правило, имеет лучшую линейность и шум, чем устройство двойного ранга, поскольку один ранг имеет меньшее количество ступеней. Следовательно, одноранговое устройство часто является оптимальным выбором для фронтальной выборки с высокоскоростными АЦП.

Рисунок 1. Топологии трекинга и удерживания: (1a) один ранг, (1b) двойной ранг

Задержка Отображение THA и ADC

Одной из наиболее сложных задач при разработке цепочки отслеживания и удержания сигнала и АЦП является установление надлежащей задержки синхронизации между моментом, когда THA захватывает выбранное событие и когда его необходимо перенести на АЦП для повторной выборки события. Процесс создания этой идеальной дельта во времени между двумя эффективными системами выборки называется отображением задержки.

Процесс может быть утомительным для выполнения на плате, поскольку анализ бумаги может не влиять на соответствующие задержки из-за интервалов распространения трассировки тактовой частоты на плате печатной платы, задержек с внутренней группой устройств, задержки диафрагмы АЦП и связанной с ней схемы для разделения часы на два разных сегмента (одна тактовая схема для THA и одна тактовая схема для АЦП). Один из способов установить задержку между THA и ADC - использовать переменную линию задержки. Эти устройства могут быть активными или пассивными, чтобы должным образом согласовать процесс выборки THA и передать его в АЦП для отбора проб. Это гарантирует, что АЦП проецирует фиксированную часть режима удержания выходного сигнала из THA, что дает точное представление входного сигнала.

Как показано на рисунке 2, HMC856 может использоваться для инициирования задержки. Это 5-битовое / pin-устройство, имеющее встроенную задержку 90 пс, шаг с переменной задержкой в 3 пс или 25 и 32 возможных ступенчатых задержки. Недостатком устройства штыревого ремня является установка / перемещение через каждую установку задержки. Каждому битовому выводу на HMC856 нужно будет потянуть на отрицательное напряжение, чтобы включить новую настройку задержки. Поэтому пайка в выпадающем резисторе в 32 комбинациях, чтобы найти оптимальную настройку задержки, может быть утомительной задачей, поэтому было разработано автоматизированное устройство, чтобы ускорить процесс установки задержки, используя последовательные переключатели SPST и бортовой компьютер микропроцессор.

Рисунок 2. Схема отображения задержки

Чтобы зафиксировать наилучшую задержку, для комбинации THA и ADC применяется сигнал, который должен находиться за пределами полосы пропускания АЦП. В этом случае я выбрал сигнал 10 ГГц и применил уровень, зафиксированный на дисплее FFT -6 дБFS. Настройки задержки теперь перемещаются в двоичном порядке, удерживая постоянную сигнала на уровне и частоте. БПФ теперь отображается и записывается во время процесса подметания, собирая основные значения динамического диапазона (SFDR) с номинальной мощностью и ложью при каждой настройке задержки.

Как показывают результаты на рис. 3а, основная мощность, SFDR и SNR будут меняться в зависимости от применения каждой настройки. Как показано, когда положение образца расположено более оптимально между моментом, когда THA выбрасывает образец на АЦП, основная мощность будет на самом высоком уровне, в то время как SFDR должна быть максимальной производительности (то есть самой низкой). Здесь увеличенный вид развертки отображения задержки показан на рисунке 3b, в котором изложено заданное значение задержки 671, которое является окном / положением, где задержка должна сохраняться фиксированной. Имейте в виду, что процедура сопоставления задержки действительна только при соответствующей частоте дискретизации системы, и ее нужно будет переустановить, если дизайн требует другого образца часов. В этом случае частота выборки составляет 4 ГГц, что является самой высокой частотой выборки для устройства THA, используемого в этой сигнальной цепочке.

Рисунок 3a. Отображение результатов амплитуды сигнала и производительности SFDR по каждой настройке задержки

Рисунок 3b. Отображение результатов амплитуды сигнала и характеристик SFDR по каждой настройке задержки (увеличение)

Проектирование передних концов для Gobs Raw Analog Bandwidth

Во-первых, когда ключевая цель вашего приложения состоит в том, чтобы проглотить полосу пропускания 10 ГГц, это очевидное время, чтобы начать думать в RF-терминах. Пожалуйста, будьте осторожны, АЦП по-прежнему является устройством типа напряжения и не думает с точки зрения мощности. Таким образом, совпадение слов - это термин, который следует использовать разумно в этом случае. Было практически невозможно сопоставить передний фронт преобразователя на каждой частоте с помощью 100 преобразователей MSPS - многочастотные АЦП с частотой до нескольких ГГц не будут сильно отличаться, но проблема все еще существует. Соответствие термина должно быть ориентировано на оптимизацию, что дает наилучшие результаты для дизайна интерфейса. Это будет всеобъемлющий термин, когда входное сопротивление, производительность переменного тока (SNR / SFDR), мощность сигнального привода или входной диск, пропускная способность и плоскостная плоскость полосы пропускания дают наилучшие результаты для этого конкретного приложения.

Эти параметры в конечном итоге определяют соответствие для приложения системы. При входе в широкополосный дизайн интерфейса макет может быть ключевым, а также минимизировать количество компонентов, необходимых для создания меньших потерь между двумя соседними микросхемами. Оба они будут иметь первостепенное значение для достижения наилучшей производительности. Тщательное внимание необходимо уделять при объединении сетей аналогового ввода. Наиболее важны длина трассировки и соответствующие длины трасс, а также минимизация числа переходов, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема THA и ADC

Эти два дифференциальных аналоговых входа необходимо объединить и подключить к выходам THA, чтобы сформировать единую интерфейсную сеть. Чтобы свести к минимуму число сквозных отверстий и общую длину, здесь было обращено особое внимание на то, чтобы вытащить отверстия из двух путей аналогового ввода и помочь компенсировать любое прерывание в соединениях трассировки.

В конце концов, окончательный дизайн довольно прост, и нужно отметить всего пару точек, как показано на рисунке 5. Используемые конденсаторы 0, 01 мкФ являются широкополосными и помогают поддерживать полное сопротивление в широком диапазоне частот. Типичные готовые конденсаторы типа 0, 1 мкФ, как правило, не могут дать плоский импедансный отклик и, как правило, могут вызывать некоторую пульсацию в реакции на плоскость полосы пропускания. Резисторы на 5 Ом и 10 Ом на выходах THA и входы АЦП помогают снизить пики на выходах THA и минимизировать искажения, вызванные любым остаточным впрыском заряда из собственной внутренней конденсаторной сети АЦП. Однако эти значения должны выбираться с умом, в противном случае это увеличивает ослабление сигнала и заставляет THA двигаться сильнее, или дизайн, возможно, не сможет воспользоваться всей полной шкалой АЦП.

Наконец, давайте обсудим дифференциальное прекращение шунта. Это имеет первостепенное значение, когда речь идет о соединении двух или более преобразователей. Обычно нагрузка света, в данном случае, 1 кОм на входах, помогает с линейностью и удерживает реверберирующие частоты в состоянии ожидания. Шунтирующая нагрузка 120 Ом при разрыве делает то же самое, но создает более реальную нагрузку, в данном случае 50 Ом, что именно то, что THA хочет видеть и оптимизировано для.

Рисунок 5. Интерфейсная и сигнальная цепи THA и ADC

Теперь о результатах! Рассматривая соотношение сигнал / шум или SNR на рисунке 6, можно видеть, что 8 бит ENOB (эффективное количество бит) могут быть достигнуты в диапазоне 15 ГГц. Это довольно хорошо, учитывая, что вы могли заплатить $ 120 тыс. Для осциллографа с частотой 13 ГГц с такой же производительностью. Интегрированная полоса пропускания (т. Е. Шум) и ограничения дрожания начинают становиться большим фактором в том, почему скачок в производительности рассматривается как частота, проходящая через L-, S-, C- и X-диапазоны.

Следует также отметить, что для того, чтобы поддерживать постоянный уровень между THA и ADC, полномасштабный вход АЦП был изменен внутри страны через регистр SPI до 1, 0 В pp. Это помогает сохранить THA в пределах своего линейного региона, поскольку он имеет максимальный выход 1.0 V pp.

Рисунок 6. Результаты работы SNRFS / SFDR при -6 dBFS

Показаны результаты линейности или SFRD. Здесь линейность выше 50 дБк до 8 ГГц и достигает 40 дБ до 10 ГГц. Конструкция здесь была оптимизирована с использованием аналоговых входов AD9689 для настройки входного буфера, через регистры управления SPI, чтобы достичь лучшей линейности по столь широкому набору частот.

На рисунке 7 показана плоскостная полоса пропускания, что доказывает, что пропускная способность 10 ГГц может быть достигнута путем добавления THA перед ВЧ-АЦП, полностью расширяющего аналоговую пропускную способность AD9689.

Рисунок 7. Результаты сети ТСН и АЦП и полосы пропускания сигнала

Резюме

Для тех приложений, которые требуют максимальной производительности по сравнению с многоканальными аналоговыми полосами частот, использование THA практически необходимо, по крайней мере, на сегодня! Высокочастотные АЦП ускоряются. Легко видеть, что GSPS-конвертеры предлагают простоту использования, теоретически, когда речь идет о выборке более широкой полосы пропускания для охвата нескольких диапазонов, представляющих интерес. Это относится к стадии микширования или к нескольким из них на фронтальной RF-полосе. Однако достижение пропускной способности в этих более высоких диапазонах может создавать проблемы проектирования и поддерживать производительность.

При использовании THA в системе убедитесь, что положение точки выборки оптимизировано между THA и ADC. Использование процедуры сопоставления задержки, описанной в этой статье, даст наилучшие результаты в целом. Понимание процедуры является утомительным, но оно имеет первостепенное значение. Наконец, имейте в виду, что соответствие интерфейсу действительно означает достижение максимальной производительности, учитывая набор требований к производительности в приложении. Эффект Lego - просто болтовые блоки с сопротивлением 50 Ом вместе - просто не лучший подход при выборке на частотах X-диапазона.