L’articolo descrive come un amplificatore RF completamente differenziale (FDA) può aiutare a massimizzare le prestazioni degli ADC per il campionamento RF.
Velocità dati più elevate nei sistemi di comunicazione wireless e l’uso di impulsi più stretti nei radar per discriminare obiettivi vicini richiedono maggiori requisiti di prestazioni e larghezza di banda negli strumenti di test e misura. Gli strumenti T&M a radiofrequenza come gli oscilloscopi ad elevata larghezza di banda e i digitalizzatori RF, utilizzano convertitori analogico-digitali (ADC) di campionamento RF che digitalizzano simultaneamente tutti i segnali, dalla DC a molti gigahertz.
Gli ADC di campionamento RF sostituiscono i mixer seguiti da ADC a banda stretta, il che riduce la complessità del sistema e migliora le prestazioni degli strumenti di test e misura a banda larga dei radar e dei transceiver wireless.
Solitamente i progettisti in questi casi utilizzano un blocco di guadagno single-ended in cascata con un balun passivo per pilotare gli ADC di campionamento RF.
Tuttavia, questo approccio presenta degli svantaggi che limitano le prestazioni. In questo articolo, discuteremo di questi svantaggi e illustreremo come un amplificatore RF completamente differenziale (FDA) può aiutare a massimizzare le prestazioni degli ADC di campionamento RF.
ADC di campionamento RF con accoppiamento DC
Gli ADC di campionamento RF accettano ingressi differenziali per inibire rumore e interferenze in modo comune e migliorare la distorsione di secondo ordine. Grazie alla loro ampia larghezza di banda, i progettisti di sistemi utilizzano balun passivi basati su trasformatore per convertire segnali RF single-ended in segnali differenziali per pilotare gli ADC di campionamento RF. Tuttavia, i balun passivi operano da centinaia di kilohertz o decine di megahertz sul lato a bassa frequenza, in funzione della larghezza di banda che supportano. Pertanto, l’uso di un balun passivo per pilotare gli ADC di campionamento RF negli strumenti di prova e misura limita la frequenza più bassa che può essere digitalizzata.
L’amplificatore completamente differenziale TRF1305 con accoppiamento DC di Texas Instruments esegue la conversione single-ended in differenziale con una larghezza di banda utilizzabile per segnali di grandi dimensioni che copre dalla DC a 6,5 GHz, amplificando al contempo il segnale. La figura 1 mostra il TRF1305 che pilota un ADC di campionamento RF in un’applicazione accoppiata in DC.
Gli ADC di campionamento RF hanno un intervallo di modo comune ristretto di ingresso e il funzionamento al di fuori di questo intervallo di modo comune degrada le prestazioni del dispositivo. Alimentatori flessibili singoli o split, insieme al controllo del modo comune di uscita, semplificano l’abbinamento del modo comune di uscita del TRF1305 al modo comune di ingresso dell’ADC. Queste caratteristiche rendono questo amplificatore versatile negli strumenti di test e misura RF accoppiati in DC come oscilloscopi ad elevata larghezza di banda, generatori di forme d’onda arbitrarie e digitalizzatori RF.
Figura 1. L’amplificatore completamente differenziale (FDA) TRF1305 accoppiato in DC a un ADC di campionamento RF.
Linearità migliorata
La non linearità dei componenti in una catena di segnali influisce sul rilevamento di piccoli segnali in presenza di grandi segnali interferenti. La non linearità di secondo ordine non è molto importante nei sistemi a banda stretta perché la non linearità creata cade al di fuori della banda di frequenza di interesse e viene generalmente filtrata. Tuttavia, questo non è il caso dei sistemi a banda larga. Quando la larghezza di banda del segnale di ingresso copre più ottave, la non linearità di secondo ordine del segnale appare in banda. Ad esempio, considera un ADC di campionamento RF utilizzato con una larghezza di banda RF da 0,5 GHz a 2 GHz. La non linearità di secondo ordine di un segnale a 0,5 GHz si verifica a 1 GHz, che è il doppio della frequenza. Tuttavia, questa non linearità di secondo ordine è inferiore alla frequenza massima di interesse di 2 GHz e deve essere ridotta al minimo, poiché non è possibile filtrarla.
Gli ADC di campionamento RF sono progettati per ridurre al minimo la non linearità di secondo ordine quando i loro ingressi sono pilotati da segnali differenziali bilanciati. I balun passivi a banda larga possono avere un guadagno e uno squilibrio di fase scarsi sulla loro uscita differenziale, portando a una segnalazione sbilanciata e al degrado delle prestazioni di linearità degli ADC.
I blocchi di guadagno RF utilizzati per amplificare il segnale prima del balun passivo hanno una scarsa non linearità di secondo ordine dato il loro funzionamento single-ended. Gli FDA come il TRF1305 e il TRF1208 incorporano tecniche di feedback che aiutano a ottenere un guadagno migliorato e uno squilibrio di fase sulle uscite differenziali. La natura differenziale degli amplificatori riduce al minimo la distorsione di secondo ordine e migliora la linearità del sistema complessivo, fornendo al contempo l’amplificazione del segnale.
Protezione degli ADC
In molti sistemi di test e misura e nei settori aerospaziale e della difesa, gli input dell’utente sono sconosciuti. Gli ADC RF al centro di questi sistemi sono sensibili agli alti livelli di potenza e all’overdrive. Questi ADC tendono anche ad avere prestazioni elevate e sono spesso uno dei componenti più costosi nella catena del segnale. Ecco perché è importante progettare attentamente la catena del segnale in modo che i componenti precedenti non danneggino l’ADC. Gli amplificatori RF completamente differenziali sono progettati per essere lineari quando si pilotano gli ADC di campionamento RF a piena scala. La Figura 2 mostra il livello di saturazione dell’uscita quando il TRF1208 è sovraccaricato con un input a onda continua a 4 GHz.
L’amplificatore TRF1208 ha 16 dB di guadagno e la sua uscita satura a 3,6 Vpp a circa 2 dBm di potenza in ingresso. Pertanto, l’utilizzo di FDA RF per pilotare gli ADC limita intrinsecamente la potenza durante un sovraccarico causato dal clipping dell’uscita.
Figura 2. L’uscita differenziale del TRF1208 si blocca a 3,6 Vpp quando sovraccaricato con un ingresso a onda continua a 4 GHz.
Come mostrato nella Figura 3, la progettazione di un pad attenuatore tra FDA e ADC limita l’oscillazione di tensione sui pin ADC, proteggendo l’ADC da danni e semplificando le considerazioni sulla progettazione del sistema, offrendo al contempo una maggiore flessibilità di progettazione
Figura 3. L’uscita differenziale dell’amplificatore FDA si blocca quando sovraccarica, limitando la potenza del segnale nell’ADC.
Conclusione
L’avanzamento e l’adozione di ADC di campionamento RF semplificano l’architettura di sistema degli strumenti di test e misura RF riducendo il numero di componenti e le dimensioni della scheda. Gli amplificatori RF completamente differenziali come il TRF1305 su misura per applicazioni di azionamento ADC semplificano ulteriormente le architetture di sistema con conversione single-ended a differenziale dei segnali da DCC a oltre 6,5 GHz. L’uso di FDA a banda larga abbinati ad ADC di campionamento RF nelle catene di segnali di ricezione offre prestazioni di sistema migliorate, riducendo al contempo il numero di componenti, le dimensioni della scheda e i costi di sistema.
Risorse aggiuntive:
- Articolo tecnico “Advantages of using differential to single-ended RF amplifiers in a transmit signal chain design.”
- Application note, TRF1208, TRF1108 active balun interface with Xilinx RFSoC data converters.
- Prodotti RF e microwave di Texas Instruments.
Srinivas Seshadri è Systems Engineer RF Amplifiers product line presso Texas Instruments; Keyur Tejani è Test Manager presso Texas Instruments.