使用跟踪保持采样放大器和射频ADC扩展带宽以粉碎x波段频率

有些应用程序在所有其他方面都是最重要的，并且随着GSP或RF ADC的出现，奈奎斯特地区在几年内达到了10倍，达到了多GHz跨度。这有助于这些应用进一步达到地平线，而是达到X波段（12 GHz频率）仍然需要更多带宽。

信号链中的轨道和保持采样放大器（THA）的就业可以从ADCS样本带宽超出带宽，并提供最愿意带宽的设计所需的要求。在本文中，我将证明设计人员可以在模拟对话的RF市场转换器前面使用THA时实现10 GHz带宽。

随着GSP转换器周围的所有嗡嗡声，由于它们在缩短了RF信号链并在FPGA中创造了更多的资源结构，例如，在消除前端的混合阶段和数字下变频器（DDC））在后端 - 在一些应用中，仍然需要高频原始模拟带宽（BW），这远远超出了这些RF转换器可以实现的。在这些应用中，最值得注意的是，在防御和仪器仪表行业（随着衣服之后的无线基础设施）中，仍然有兴趣完全将带宽延伸到甚至超过10GHz覆盖范围之外的C波段并完全包含X-乐队如果可能的话。随着高速ADC技术的提高，需要在GHz区域的高速上准确地解决非常高的中间频率（IF），使基带奈奎斯特地区超过1 GHz宽，快速攀爬。该声明可能在发布时出现过期，因为该领域的发展非常迅速。

这构成了两个挑战：转换器设计本身和前端设计，使信号内容耦合到转换器 - 例如，放大器，平衡板和PCB设计。即使转换器的性能优异，前端也必须能够保持信号质量。这些应用要求使用具有8位的分辨率为14位的高速GSP转换器 - 但请记住，需要满足许多参数，以满足特定应用程序的匹配。

宽带，如本文所定义的，是使用大于100 MHz的信号带宽，范围从近直流到5 GHz到10 GHz的频率区域。在本文中,使用宽带伴音音量或主动采样网络将讨论为了实现带宽飞向无限(对不起,没有玩具总动员emoji可用在这个时候),以及强调其理论背景,这使得RF ADC的带宽扩展自己可能没有能力。最后，将揭示考虑和优化技术，以帮助设计者实现一个可行的宽带解决方案在多ghz地区。

奠定基础

倾向于GSPS转换器，用于雷达，仪器和通信观察等应用，因为这提出了更广泛的频谱，提供了系统中的范围的延伸。然而，更广泛的频谱在ADC本身的内部采样和保持上呈现更多挑战，因为它通常不针对超广域带操作进行优化，并且ADC通常具有有限的带宽和降级的高频线性/ SFDR在这些更高的情况下模拟带宽区域。

因此，在ADC前使用一个单独的THA是一种可能的解决方案，可以在非常高的模拟/射频输入信号的精确时间瞬间进行采样。该过程通过一个低抖动采样器进行信号采样，并在更宽的带宽范围内降低ADC的动态线性要求，因为在射频模数转换过程中采样值保持恒定。

结果是模拟输入带宽中的激进延伸，以及与单独的RF ADC的性能相比，高频线性度和用于THA-ADC组件的高频SNR的显着提高。

THA特点及概述

THA提供超过18 GHz带宽的精确信号采样，9位与DC到超出10 GHz输入频率，1.05 mV噪声和<70 FS随机孔径抖动的10位线性度。该设备可以使用最小动态范围丢失计时到4个GSP，因此包括HMC661和HMC1061.．这些THAs可用于扩展高速模数转换和信号采集系统的带宽和/或高频线性度。

单级THA有一个THA(或HMC661)，并产生由两个片段组成的输出。在输出波形(正差分时钟电压)的跟踪模式区间内，该器件表现为一个单位增益放大器，在输出级复制输入信号，受输入带宽和输出放大器带宽限制。在器件的正到负时钟过渡时，它用一个非常窄的采样时间孔径对输入信号进行采样，并在负时钟间隔内保持输出相对恒定，该值代表采样瞬间的信号。单级设备(相对于它的同类双级THA或HMC1061)通常更适合于adc的前端采样，因为大多数高速adc已经在内部集成了THA——通常带宽更小。因此，在ADC前面增加一个THA与转换器前面的THA形成一个复合的双级组件(如果使用双级HMC1061，则为三级)。对于相同的技术和设计，单级设备通常比双级设备有更好的线性和噪声，因为单级设备有更少的阶段。因此，单级设备通常是高速adc前端采样的最佳选择。

图1所示。跟踪保持拓扑:(1a)单秩，(1b)双秩。

延迟映射THA和ADC

开发轨道和保持和ADC信号链中的最困难的任务之一是在瞬间捕获采样事件的瞬间和当它应该移动到ADC上以重写事件时的正确定时延迟。在两个有效的采样系统之间建立此完美Δ的过程称为延迟映射。

在电路板上完成这个过程可能会很繁琐，因为纸上的分析可能不会考虑到PCB板上的时钟道传播间隔、内部器件组延迟、adc孔径延迟、和相关的电路涉及到将时钟分成两个不同的部分(一个时钟道为THA和一个时钟道为ADC)。设置THA和ADC之间的延迟的一种方法是使用可变延迟线。这些设备可以是主动的或被动的，以适当的时间对齐THA采样过程，并将其交给ADC进行采样。这保证了ADC对THA输出波形的固定保持模式部分进行采样，从而产生输入信号的精确表示。

如图2所示HMC856.可以用来启动延迟。这是一个5位/引脚可系带设备，具有90ps的固有延迟，可变延迟步长为3ps步长或25步长，以及32个可能的步长延迟。引脚带装置的缺点是设置/通过每个延迟设置。HMC856上的每个位脚都需要被拉到负电压，以启用新的延迟设置。因此，焊接一个超过32个组合的下拉电阻来找到最佳的延迟设置可能是一项乏味的任务，因此开发了一个自动电路来帮助延迟设置过程更快，使用串行控制的SPST开关和板外微处理器。

图2.延迟映射电路。

为了获得最佳的延迟设置，信号被应用到THA和ADC组合，这应该在ADC的带宽范围之外。在本例中，我选择了~10 GHz信号，并应用了在FFT显示-6 dBFS上捕获的电平。延时设置现在以二进制步进方式扫频，保持信号在电平和频率不变。现在在扫描过程中显示和捕获FFT，在每个延迟设置处收集基本功率和无杂散动态范围(SFDR)数字。

由于结果在图3A中显示，基本功率，SFDR和SNR将随着每个设置而变化。如图所示，当样品位置在THA将样品投入到ADC的时间之间更好地放置时，基本功率将处于最高级别，而SFDR应在其最佳性能（即最低）。这里，延迟映射扫描的缩放如图3b所示，概述了671的延迟设定点，这是应保持延迟固定的窗口/位置。请记住，延迟映射过程仅对系统的相关采样频率有效，并且如果设计调用不同的样本时钟，则需要重新分析。在这种情况下，采样频率为4 GHz，这是该信号链中使用的THA器件的最高样本频率。

图3A。在每个延迟设置上映射信号幅度和SFDR性能的结果。

图3B。在每个延迟设置（放大）上映射信号幅度和SFDR性能的结果。

原始模拟带宽采空区前端设计

首先，当应用程序的主要目标是占用10ghz带宽时，显然是时候开始考虑RF了。请小心，ADC仍然是电压型器件，不考虑功率。所以匹配这个词在这种情况下应该被明智地使用。人们发现，几乎不可能匹配100 MSPS转换器的每个频率的转换器前端-多ghz射频adc不会有太大的不同，但挑战仍然存在。术语匹配应该定位为优化，为前端设计提供最佳结果。这将是一个包含所有内容的术语，其中输入阻抗、交流性能(SNR/SFDR)、信号驱动强度或输入驱动、带宽及其通频带平坦度对特定的应用产生最佳结果。

这些参数完全定义了最终为系统应用程序的匹配。在开始宽带前端设计时，布局可以是键，以及最小化在两个相邻的IC之间创建较少损耗所需的组件数量。为了实现最佳性能，这两者都将是至关重要的。在将模拟输入网络绑在一起时，需要仔细注意。跟踪长度和匹配的迹线长度是最重要的，以及最小化通孔的数量，如图4所示。

图4. THA和ADC布局。

这两个差分模拟输入需要放在一起，并连接到THA输出，形成一个单一的前端网络。为了尽量减少通道的数量和总长度，这里仔细地注意将通道从两个模拟输入路径中拉出来，并帮助抵消跟踪连接中的任何存根。

最终，最终设计相当简单，只有几点要注意，如图5所示。所用的0.01μF电容器是宽带类型，并有助于将阻抗平坦保持在宽频范围内。典型的离上的架子0.1μF电容器只能提供平坦的阻抗响应，并且通常可以在通带平整度响应中引起更多纹波。ADC的输出输出的5Ω和10Ω串联电阻有助于降低THA输出上的峰值，并最大限度地减少由ADC自身内部采样电容网络的任何残留电荷注入引起的失真。然而，需要明智地选择这些值，否则，这增加了信号衰减并强制tha驱动更难，或者设计可能无法利用ADC的整个全规模。

最后，让我们讨论差分分流终止。在将两个或更多个转换器连接在一起时，这些是至关重要的。通常，在这种情况下，输入光型负载，输入处为1kΩ，有助于线性度，并保持托架的混响频率。拆分的120Ω分流载荷确实相同但创造了一个更真实的负载，在这种情况下，50Ω，这正是Tha想要看到的并且优化。

图5. THA和ADC前端网络和信号链。

现在揭晓结果!查看图6中的信噪比或信噪比，可以看到8位ENOB(有效位数)可以在15ghz跨度上实现。考虑到你可能已经花了12万美元买了一个性能相同的13 GHz示波器，这已经很不错了。集成带宽(即噪声)和抖动限制开始成为一个重要因素，解释为什么当频率通过L-、S-、C-和x -频段时，性能下降被视为一个重要因素。

还应该注意的是，为了保持THA和ADC之间的电平不变，ADC的全量程输入通过SPI寄存器内部更改为1.0 V p-p。这有助于保持THA在其线性区域内，因为它有1.0 V p-p微分的最大输出。

图6. SNRFS / SFDR性能结果为-6 dBFS。

也给出了线性结果，即SFRD。在这里，线性度高于50 dBc out到8 GHz，达到40 dB out到10 GHz。这里的设计是通过使用AD9689.模拟输入缓冲电流设置功能，通过SPI控制寄存器，以便在如此宽的频率集上达到最佳线性度。

如图7所示，通频带平坦度证明了通过在射频ADC前增加一个THA可以实现10ghz的带宽，充分扩展了AD9689的模拟带宽。

图7. THA和ADC网络和信号链带宽结果。

总结

对于那些需要在多GHz模拟带宽上进行最佳性能的那些应用，几乎需要使用THA！射频ADCS快速赶上。很容易看到GSP转换器在理论上提供易用性，当涉及采样更广泛的带宽来覆盖多个兴趣频段。这将在前端RF条上递减混合阶段或其多倍。然而，在这些较高范围内实现带宽可以构成设计挑战和保持性能。

在系统中使用THA时，确保采样点在THA和ADC之间的位置是优化的。使用本文中描述的延迟映射过程将获得最佳的总体性能结果。理解这个过程是很繁琐的，但却是至关重要的。最后，请记住，匹配前端实际上意味着在给定每个应用程序的一组性能需求的情况下实现最佳性能。在x波段采样时，乐高效应——简单地将50个Ω阻抗块固定在一起——可能不是最好的方法。

参考文献

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