Hochfrequenz-Signalkette Vorteile von D2S-HF-Verstärkern in Sende-Signalketten

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„Differential to Single-Ended“-HF-Verstärker bieten Signalbandbreiten von DC bis 12 GHz und ergänzen damit HF-D/A-Wandler. Resultat der Kombination ist eine höhere Packungsdichte und Leistungsfähigkeit des Systems sowie flexiblere HF-Sendesignalketten.

In herkömmlichen HF-Sendesignalketten werden üblicherweise D/A-Wandler (DACs) eingesetzt, um ein Basisbandsignal zu erzeugen, das anschließend mit einem HF-Mischer und einem Lokaloszillator auf die gewünschten HF-Frequenzen hochgesetzt wird. Inzwischen hat die Technik der HF-D/A-Wandler jedoch einen so hohen Entwicklungsstand erreicht, dass das Signal direkt bei der gewünschten HF-Frequenz generiert werden kann. Dies reduziert die Komplexität und vereinfacht das Design von HF-Sendesignalketten erheblich.

Während HF-DACs symmetrische differenzielle Ausgänge besitzen, sind sowohl die Sende-Signalkette als auch die Antenne massebezogen. Um das differenzielle Signal in ein massebezogenes Signal umzuwandeln (Differential to Single-Ended, kurz D2S) und die Leistung des HF-Signals anzuheben, wurden bisher zwei separate Bausteine verwendet – ein passiver Balun und ein HF-Zwischenverstärker. Passive Baluns weisen jedoch bestimmte Nachteile auf, zu denen der große Platzbedarf auf der Leiterplatte, die hohe Einfügedämpfung, schlechte Anpassungs- und Verstärkungseigenschaften sowie ein Phasenungleichgewicht beim Betrieb über große Bandbreiten gehören. Hinzu kommt, dass passive HF-Baluns nicht für den Betrieb bei oder nahe DC geeignet sind.

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Ein D2S-HF-Verstärker wandelt das differenzielle Signal in ein massebezogenes Signal und verstärkt das Signal über eine große Bandbreite hinweg. Der Artikel skizziert die Vorteile von D2S-HF-Verstärkern gegenüber konventionellen Lösungen aus einem passiven Balun und einem HF-Verstärkerblock.

Das Blockschaltbild in Bild 1 zeigt den D2S-HF-Verstärker TRF1108, der hier als DAC-Puffer und Vortreiber für den Leistungsverstärker (Power Amplifier, PA) dient.

D2S-Wandlung und Verstärkung auf einer Fläche von 4 mm²

Passive Baluns, die am Ausgang eines HF-DAC für die D2S-Umwandlung dienen, sind oftmals sperrig und teuer – besonders, wenn sie eine hohe Bandbreite aufweisen sollen. Die großen Abmessungen des passiven Baluns benötigen mehr Platz auf der Leiterplatte und machen lange Leiterbahnen erforderlich, was wiederum zulasten der HF-Eigenschaften geht. Dies trifft besonders dann zu, wenn mehrkanalige HF-DACs eingesetzt werden. Hinzu kommt, dass passive Baluns mit großer Bandbreite hohe Einfügedämpfungen besitzen, sodass zur Kompensation der reduzierten Signalleistung ein besonders leistungsfähiger HF-Verstärkerblock benötigt wird.

Der D2S-Hochfrequenzverstärker TRF1108 ist ein monolithischer Baustein, der einerseits die D2S-Konversion vornimmt und andererseits für Verstärkung sorgt. Mit seiner Bandbreite von DC bis 12 GHz kann dieser Baustein in Anwendungen von DC bis zu mehreren Gigahertz als breitbandiger DAC-Puffer dienen. Der Chip belegt auf der Leiterplatte nur eine Fläche von 2 mm x 2 mm, was einerseits die notwendige Leiterplattenfläche verringert und andererseits für kürzere Leiterbahnen und eine verbesserte HF-Leistungsfähigkeit sorgt. Das Aufmacherbild zeigt den TRF1108 auf dem zugehörigen Evaluierungsmodul DAC39RF10.

Radar-Anwendungsbeispiel mit hoher Bestückungsdichte

Beim Design von Radarsystemen wird die Betriebsfrequenz anhand der gewünschten Reichweite, Auflösung und Antennengröße festgelegt. Ein HF-DAC mit großer Bandbreite, der mit einem D2S-HF-Verstärker kombiniert wird, ermöglicht es hier, ein und dasselbe Hardwaredesign für Anwendungen in verschiedenen Frequenzbändern zu verwenden, wobei nur minimale Modifikationen an der HF-Sendesignalkette notwendig sind.

Die Kombination aus HF-DAC und D2S-HF-Verstärker bietet zahlreiche Vorteile für dicht bestückte Phased-Array-Radar-Anwendungen mit digitalem Beamforming. In solchen Applikationen steuern mehrere DAC-Ausgänge zahlreiche Antennen an, die die phasenversetzten HF-Signale ausstrahlen. Mehrkanalige HF-Sampling-DACs und -Transceiver integrieren viele D/A-Wandler auf einem Chip und in einem Gehäuse, was das Systemdesign vereinfacht und sowohl die Abmessungen als auch die Komplexität der Hardware reduziert. Allerdings bedarf es in diesem Fall eines kleinen, aber leistungsfähigen D2S-HF-Verstärkers, um die mit diesen mehrkanaligen HF-DACs maximal mögliche Dichte auszuschöpfen.

Angepasste Ein- und Ausgänge bei D2S-HF-Verstärkern

Bei breitbandigen passiven Baluns, die traditionell zusammen mit HF-DACs zum Einsatz kommen, ist es schwierig, gute Werte für die Rückflussdämpfung am Eingang und am Ausgang zu erzielen. Erschwerend kommt hier hinzu, dass die Rückflussdämpfungen auch von den Abschlussimpedanzen am Ein- und Ausgang beeinflusst werden. Denn hierdurch verändert sich die Impedanz über die interessierenden HF-Bänder hinweg, was zu unerwünschten Verstärkungsschwankungen des gesendeten Signals führt.

Die differenziellen Eingänge des TRF1108 sind an eine Impedanz von 100 Ω angepasst, während der massebezogene Ausgang des Bausteins eine Breitband-Anpassung auf 50 Ω hat. Dies verbessert die Rückflussdämpfung und resultiert in einem sehr flachen Frequenzgang über eine große HF-Bandbreite hinweg (Bild 3).

Bild 4 macht deutlich, wie die angepassten Ein- und Ausgänge des TRF1108 in Kombination mit einem HF-DAC für einen flachen Frequenzgang von 100 MHz bis 8 GHz sorgen.

Leistungsfähigkeit von D2S-HF-Verstärkern im Vergleich zu Baluns

Breitbandige passive HF-Baluns weisen hohe Einfügedämpfungen auf, die den maximalen Signalpegel, der von den HF-DACs kommt, verringern. An den passiven Balun muss sich deshalb ein massebezogener, leistungsfähiger HF-Verstärkerblock anschließen, um diese Einfügedämpfung auszugleichen und den Pegel des HF-Signals anzuheben. Massebezogene HF-Verstärkerblöcke weisen allerdings meist eine unzureichende Nichtlinearität zweiter Ordnung auf. Die daraus resultierenden Verzerrungen lassen sich nicht ausfiltern, wenn die Signalbandbreite mehrere Oktaven umfasst. Das große Verstärkungs- und Phasenungleichgewicht eines breitbandigen Baluns hat zudem weitere Ungleichgewichte zur Folge, was die Nichtlinearität zweiter Ordnung des HF-Signals beeinträchtigt.

In D2S-HF-Verstärkern kommen Rückkoppeltechniken zum Einsatz, die die Verstärkungs- und Phasenungleichgewichte reduzieren. Die differenziellen Eingänge ergeben zudem bessere Verzerrungswerte zweiter Ordnung, als es mit massebezogenen HF-Verstärkerblöcken möglich ist. Insgesamt kann der D2S-HF-Verstärker deshalb in HF-Sendeapplikationen, die mehrere Oktaven abdecken, mit einer verbesserten Nichtlinearität zweiter Ordnung aufwarten.

Fazit: Was D2S-HF-Verstärker in Kombination mit HF-DACs bringen

Technologische Weiterentwicklungen bei den HF-DACs haben den Weg zu flexiblen, breitbandigen HF-Anwendungen in Radaranlagen und SDR (Software Defined Radio) sowie Prüf- und Messsystemen für hohe Frequenzen geebnet. Die Integration mehrerer HF-DACs in mehrkanaligen D/A-Wandlern und RF-Sampling-Transceivern vereinfacht das Design von Sendesignalketten und verringert die Leiterplattenfläche von Multi-Transmit-HF- und Phased-Array-Anwendungen.

D2S-HF-Verstärker wie der TRF1108 bieten Signalbandbreiten von DC bis 12 GHz und ergänzen die hohe Leistungsfähigkeit von HF-DACs für die große HF-Bandbreiten. Der Single-Chip-D2S-HF-Verstärker stellt zudem eine Verbesserung gegenüber der klassischen Lösung aus passivem Balun und HF-Verstärkerblock dar, denn er verringert die Leiterplattenfläche und die Leiterbahnlängen, verbunden mit einer besseren Anpassung und Leistungsfähigkeit. Unter dem Strich resultiert dies in einer höheren Packungsdichte, gesteigerter Leistungsfähigkeit und flexibleren Designs von HF-Sendesignalketten. (kr)

Nach Unterlagen von Texas Instruments.

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