Analogtipp Vollständig differenzielle HF-Verstärker für Prüfsysteme

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RF-Sampling-ADC vereinfachen die Systemarchitektur von HF-Test- und Messgeräten und verbessern die Leistungsfähigkeit des Systems. Sie kombinieren breitbandige, vollständig differenzielle HF-Verstärker mit Abtast-A/D-Wandlern, die massebezogene in differenzielle Signale von DC bis 6,5 GHz wandeln.

Die wachsenden Datenraten drahtloser Kommunikationssysteme gehören zu den Faktoren, die die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Bandbreite von Prüf- und Messsystemen immer weiter ansteigen lassen. Eine wichtige Rolle spielen hierbei so genannte HF-Abtast-A/D-Wandler, die Signale in einem Bereich zwischen DC und mehreren Gigahertz digitalisieren können.

Sie ersetzen damit die bisher gebräuchliche Kombination aus einem Mischer und einem schmalbandigen ADC, was die Systemkomplexität verringert und die Leistungsfähigkeit von breitbandigen Prüf- und Messsystemen, Radarsystemen und Funk-Transceivern verbessert.

Um die Leistungsfähigkeit von RF-Sampling-ADCs optimal auszuschöpfen, eignen sich vollständig differenzielle Hochfrequenzverstärker (RF Fully Differential Amplifiers, FDAs). Da RF-Sampling-ADCs differenzielle Signale verarbeiten, verwenden Systementwickler auf Übertragern basierende passive Baluns, um massebezogene HF-Signale in die benötigten differenziellen Signale umzuwandeln. Hierbei dürfen die Frequenzen eine bestimmte Untergrenze jedoch nicht unterschreiten.

Der DC-gekoppelte RF-FDA TRF1305 wandelt massebezogene in differenzielle Signale mit einer nutzbaren Großsignal-Bandbreite, die von DC bis 6,5 GHz reicht, und sorgt gleichzeitig für die gewünschte Verstärkung. In Bild 1 steuert der TRF1305 einen RF-Sampling-ADC in einer DC-gekoppelten Anwendung an. RF-Sampling-ADCs besitzen einen schmalen eingangsseitigen Gleichtaktbereich – ihre Leistungsfähigkeit verschlechtert sich, wenn dieser Bereich verlassen wird.

Die Wahlmöglichkeit zwischen einer einzelnen oder geteilten Stromversorgung und die Möglichkeit, den ausgangsseitigen Gleichtaktbereich zu kontrollieren, erleichtern die Anpassung des TRF1305 an den A/D-Wandler. Diese Eigenschaften erlauben den vielseitigen Einsatz dieses Verstärkers in DC-gekoppelten Prüf- und Messinstrumenten.

Nichtlinearitäten von Signalketten-Bauteilen beeinträchtigen die Messung schwacher Signale in der Gegenwart starker Störgrößen. In schmalbandigen Systemen liegen die Nichtlinearitäten zweiter Ordnung allerdings außerhalb des interessierenden Frequenzbandes und können somit leicht ausgefiltert werden.

Dies ist in Breitbandsystemen anders, wie am Beispiel eines RF-Sampling-ADC deutlich wird, der in einem Frequenzbereich von 0,5 bis 2 GHz eingesetzt wird. Die Nichtlinearität zweiter Ordnung eines 0,5-GHz-Signals liegt mit 1 GHz (also dem Doppelten der Signalfrequenz) unterhalb der maximal interessierenden Frequenz von 2 GHz. Sie lässt sich somit nicht ausfiltern und muss deshalb auf ein Minimum reduziert werden.

RF-Sampling-ADCs sind so ausgelegt, dass sie die Nichtlinearitäten zweiter Ordnung minimieren, wenn ihre Eingänge von symmetrischen differenziellen Signalen angesteuert werden, was mit passiven Baluns nur schwer möglich ist. Bei RF-FDAs wie dem TRF1305 und dem TRF1208 kommen jedoch Rückkoppeltechniken zum Einsatz, die die Verstärkungs- und Phasenungleichgewichte an den differenziellen Ausgängen verbessern. Die differenzielle Auslegung dieser Verstärker minimiert die Verzerrungen zweiter Ordnung und kommt so der Linearität des Gesamtsystems zugute.

Bei Prüf- und Messsystemen stellt es ein Risiko dar, wenn die Eingänge übersteuert werden, denn die verwendeten RF-ADCs sind gegen Überlastungen sehr empfindlich. Da sie aber häufig die teuersten Bauteile der gesamten Signalkette sind, müssen sie unbedingt vor Beschädigung geschützt werden. Bild 2 verdeutlicht die Sättigung des Ausgangs des TRF1208, wenn sein Eingang mit einem 4-GHz-Signal übersteuert wird.

Der Baustein besitzt eine Verstärkung von 16 dB und sein Ausgang gerät bei einer Eingangsleistung von etwa 2 dBm mit 3,6 V_pp in die Sättigung, sodass eine Überlastung des nachfolgenden A/D-Wandlers ausgeschlossen ist. (kr)

* Srinivas Seshadri ist Systemingenieur HF-Verstärker bei Texas Instruments in Dallas / USA.

* Keyur Tejani ist Manager für Systeme und Anwendungen von HF-Verstärkern bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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