利用采样保持放大器和RF ADC从根本上扩展带宽以突破X波段频率

利用采样保持放大器和RF ADC从根本上扩展带宽以突破X波段频率

RadicallyExtending Bandwidth to Crush the X-Band Frequencies Using a Track-and-HoldSampling Amplifier and RF ADC

Rob Reeder,Analog Devices Inc.,Greensboro, NC,USA

当下热门的RF ADC是GSPS转换器,其优势在于既能缩短RF信号链,又能在FPGA中创建更多资源结构以供使用,例如:减少前端的下变频以及后端的数字下变频器(DDC)。但相当多的应用仍然需要高频率的原始模拟带宽(BW),其远远超出了RF转换器所能实现的水平。在此类应用中,特别是在国防与仪器仪表行业(无线基础设施也一样),仍然有将带宽完全扩展到10GHz或以上的需求,覆盖范围超出C波段,越来越多的应用需要覆盖到X波段。随着高速ADC技术的进步,人们对在GHz区域内高速精确地分辨超高中频(IF)的需求也在提高,基带奈奎斯特域已超过1GHz并迅速攀升。这一说法到本文发表的时候可能即已过时,因为这方面的发展非常迅猛。

这带来了两大挑战:一个是转换器设计本身,另一个是将信号耦合到转换器的前端设计,例如放大器、巴伦和PCB设计。转换器性能越出色,就对前端信号质量要求越高。越来越多的应用要求使用分辨率在8到14位的高速GSPS转换器,然而前端的信号质量成为了瓶颈——系统的短板决定了整个项目的指标。

本文定义的宽带是指使用大于数百MHz的信号带宽,其频率范围为DC附近至5GHz-10GHz区域。本文将讨论宽带采样保持放大器(THA)或有源采样网络的使用,目的是实现直至无穷大的带宽(抱歉,现在还没有玩具总动员表情符号可用),并着重介绍其背景理论,该理论支持扩展RF ADC的带宽,而RF ADC单凭自身可能没有此能力。最后,本文将说明一些考虑因素和优化技术,以帮助设计人员实现超宽带应用切实可行的宽带解决方案。

打好基础

对于雷达、仪器仪表和通信应用,高GSPS转换器应用得非常广泛,因为它能提供更宽的频谱以扩展系统频率范围。然而,更宽的频谱对ADC本身的内部采样保持器提出了更多挑战,因为它通常未针对超宽带操作进行优化,而且ADC一般带宽有限,在这些更高模拟带宽区域中其高频线性度/SFDR会下降。

因此,在ADC前面使用单独的THA来拓展模拟带宽成为了一个理想的解决方案,如此便可在某一精确时刻对频率非常高的模拟/RF输入信号进行采样。该过程通过一个低抖动采样器实现信号采样,并在更宽带宽范围内降低了ADC的动态线性度要求,因为采样值在RF模数转换过程中保持不变。

这种方案带来的好处显而易见:模拟输入带宽从根本上得以扩展,高频线性度显著改善,并且与单独的RF ADC性能相比,THA-ADC组件的高频信噪比(SNR)得到改进。

THA特性及概述

ADI的THA系列产品可以在18GHz带宽范围内提供精密信号采样,在DC至超过10GHz的输入频率范围内具有9到10位线性度、1.05mV噪声和

以单级THA HMC661为例,产生的输出由两段组成。在输出波形(正差分时钟电压)的采样模式间隔中,器件成为一个单位增益放大器,在输入带宽和输出放大器带宽的约束下,它将输入信号复制到输出级。在正时钟到负时钟跃迁时,器件以非常窄的采样时间孔径对输入信号采样,并且在负时钟间隔内,将输出保持在一个相对恒定的代表采样时刻信号的值。配合ADC进行前端采样时,常常优先使用单级器件(ADI同时发布了两级THA的型号HMC1061),原因是多数高速ADC已经在内部集成一个THA,其带宽通常要小得多。因此,在ADC之前增加一个THA便构成一个复合双级组件(或一个三级组件,如果使用的是双级HMC1061),THA在转换器前面。采用同等技术和设计时,单级器件的线性度和噪声性能通常优于双级器件,原因是单级器件的级数更少。所以,单级器件常常是配合高速ADC进行前端采样的最佳选择。

延迟映射THA和ADC

开发采样保持器和ADC信号链的最困难任务之一是,在THA捕获采样事件的时刻与应将其移到ADC上以对该事件重新采样的时刻之间设置适当的时序延迟。设置两个高效采样系统之间的理想时间差的过程被称为延迟映射。

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