High-speed Verstärker testen: Fehlanpassungen durch Phasenunsymmetrie

Autor / Redakteur: David Brandon und Rob Reeder * / Kristin Rinortner

Haben Sie sich schon einmal gefragt, wieviel Phasenunsymmetrie akzeptabel ist? Leider gibt es keine Faustformel. Doch je höher die Frequenzen werden, umso gravierender sind Fehlanpassungen.

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Bild 1: HD2-Testaufbau für einen schnellen Verstärker.
Bild 1: HD2-Testaufbau für einen schnellen Verstärker.
(Bild: Analog Devices)

Signalgeneratoren und Spektrumanalysatoren sind referenzbezogene Messgeräte, mit denen Verzerrungen in schnellen differenziellen Verstärker-Treibern und Konvertern gemessen werden.

Beim Messen von harmonischen und nichtharmonischen Verzerrungen des Verstärker-Treibers, wie beispielsweise Verzerrungen zweiter Ordnung (HD2) oder Intermodulationsverzerrungen zweiter Ordnung (IMD2), sind zusätzliche Komponenten wie Baluns und Dämpfungsglieder im Testaufbau notwendig, um die referenzbezogenen (single-ended) Testinstrumente mit den differenziellen Ein- und Ausgängen des Verstärker-Treibers zu verbinden.

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Dieser Artikel erklärt die Phasenunsymmetrie, die sich durch falsch angepasste Signalen ergibt, und wie Phasenunsymmetrie zu höheren Oberwellen führt. Es wird ebenfalls gezeigt, wie die Kompromisse zwischen unterschiedlichen Hochleistungs-Baluns und Dämpfungsgliedern die Leistungsmerkmale (HD2 und IMD2) des zu testenden Verstärkers beeinflussen können.

Mathematische Grundlagen zusammengefasst

Amplitude und Phasenunsymmetrie sind wichtige Kennzahlen, die man beim Testen von High-Speed-Geräten, die differenzielle Eingänge haben wie A/D-Wandler, Verstärker, Mischer, Baluns etc., verstehen muss.

Große Sorgfalt sollten Sie anwenden, wenn Sie die analoge Signalkette in Designs implementieren, die mit Frequenzen von 500 MHz und darüber arbeiten, da sämtliche Bausteine, aktiv oder passiv, eine gewisse inhärente Unsymmetrie in Abhängigkeit von der Frequenz aufweisen.

500 MHz ist kein magischer Frequenzwert. Dieser Wert ist jedoch erfahrungsgemäß der Frequenzpunkt, an dem die meisten Bausteine anfangen von der Phasensymmetrie abzuweichen. Je nach Gerät kann diese Frequenz niedriger oder höher sein.

Lassen Sie uns einen genaueren Blick auf das einfache mathematische Modell werfen. Wir betrachten die Eingänge x(t) eines A/D-Wandlers, Verstärkers, Baluns etc. oder eines anderen Bausteins, der Signale von referenzbezogen (single-ended) auf differenziell oder umgekehrt wandelt. Das Signalpaar x1(t) und x2(t) ist sinusförmig, daher haben die differenziellen Eingangssignale folgende Form: x1(t) = k1 sin (ωt); x2(t) = k2 sin (ωt – 180° + p).

Falls nicht, können die Testergebnisse der harmonischen Verzerrungen des A/D-Wandlers über den Betriebsfrequenzbereich direkt aufgrund der Asymmetrie in diesen Komponenten stark variieren.

Der A/D-Wandler oder jedes aktive Bauteil kann einfach als eine symmetrische Übertragungsfunktion dritter Ordnung modelliert werden: h(x(t)) = α0 + α1x(t) + α2x2(t) + α3x3(t). Daraus folgt: y(t)= h (x1(t)) – h (x2(t)) und das ergibt Gleichung 1.

(Gl. 1)
(Gl. 1)

Gleichung 2 zeigt das Ergebnis für eine differenzielle Schaltung: geradzahlige Harmonische heben ideale Signale auf, ungeradzahlige Oberwellen nicht.

(Gl. 2)
(Gl. 2)

Nehmen wir nun an, dass die beiden Eingangssignale eine Amplitudenunsymmetrie, aber keine Phasenunsymmetrie haben, dann ist in diesem Fall, k1≠ k2, und φ = 0. Die zweite Harmonische ist dann proportional zur Differenz der Quadrate der Amplituden k1 und k2, oder anders ausgedrückt:

Zweite Harmonische = α (k12– k22).

Nehmen wir nun an, dass die beiden Eingangssignale einen Phasenunterschied, aber keinen Amplitudenunterschied aufweisen, dann ist k1 = k2, und φ ≠ 0. Jetzt ist die Amplitude der zweiten Harmonischen proportional zu den Quadraten der Amplituden k.

Zweite Harmonische = α k12. Wir sehen, dass die zweite Harmonische stärker von der Phasenunsymmetrie beeinflusst wird als durch die Unsymmetrie der Amplitude. Der Grund: Bei der Phasenunsymmetrie ist die zweite Harmonische proportional zum Quadrat von k1, während bei einer Unsymmetrie der Amplitude die zweite Harmonische proportional zur Differenz der Quadrate von k1 und k2 ist. Da k1 und k2 ungefähr gleich groß sind, bleibt dieser Unterschied klein im Vergleich zu einer quadrierten Zahl.

Schnelle Verstärker testen – ein Anwendungsbeispiel

Nun, da diese Angelegenheit geklärt ist, betrachten wir eine Anwendung, wie sie in Bild 1 gezeigt ist. Das Blockschaltbild stellt einen Testaufbau für den HD2-Verzerrungstest darstellt, der üblicherweise für einen differenziellen Verstärker im Labor eingesetzt wird.

Auf den ersten Blick erscheint dies ziemlich unkompliziert – der Teufel steckt jedoch im Detail dieses Testaufbaus. Wenn man Bild 2 betrachtet, erkennt man, dass alle HD2-Testergebnisse auf den gleichen Komponenten (Differenzverstärker, Baluns, Abschwächer etc.) basieren.

Diese Tests sollten zeigen, dass eine einfache Fehlanpassung der Phase nur durch das Umkehren der Balun-Orientierung unterschiedliche Ergebnisse während des HD2-Frequenzdurchlaufs erzeugen kann. Es gibt in diesem Testaufbau zwei Baluns, so dass vier mögliche Szenarien entstehen können, wenn man die Verbindungen auf einer oder beiden Seiten des Testaufbaus umkehrt. Die Ergebnisse sind in Bild 2 dargestellt.

Die Varianz der HD2-Verzerrungskurven zeigt, dass ein weiterer Blick auf die Leistung des Baluns erforderlich ist, insbesondere bei Phasen- und Größenunsymmetrien. Die folgenden beiden Bilder zeigen die Phasen- und Amplitudenunsymmetrie von Baluns verschiedener Hersteller. Ein Netzwerkanalysator wurde zur Durchführung der Asymmetrietests eingesetzt.

Die Leistung der Baluns

Die roten Linien in den Bildern 3 und 4 entsprechen dem Balun, der in Bild 2 verwendet wurde, um die HD2-Verzerrungsdaten zu erfassen. Dieser spezielle Balun von Hersteller 1A hatte eine der größten Bandbreiten und eine gute Flachheit des Bandpassfilters, aber eine höhere Phasenunsymmetrie im Vergleich zu den anderen Baluns im gleichen Testfestfrequenzband (10 GHz).

Die Bilder 3 und 4 zeigen einen erneuten Test der HD2-Verzerrung mit den besten Baluns von Lieferant 1B bzw. Lieferant 2B, die die geringste Phasenunsymmetrie hatten (Bilder 5 und 6). Beachten Sie, dass mit einer geringeren Unsymmetrie die Varianz der HD2-Verzerrung entsprechend reduziert wird (Bild 6).

Um weiter zu verdeutlichen, wie die Phasenunsymmetrien die Verzerrungen direkt beeinflussen, zeigt Bild 7 die HD3-Verzerrung unter den gleichen Bedingungen wie bei den vorherigen HD2-Werten. Wie erwartet sind alle vier Kurven etwa gleich. Wie die vorher gezeigte mathematische Ableitung zeigt, ist die HD3-Verzerrung nicht so empfindlich gegenüber Unsymmetrien in der Signalkette.

Bis zu diesem Zeitpunkt sollte man annehmen, dass die an den Ein- und Ausgängen angeschlossenen Dämpfungsglieder, wie in Bild 1 dargestellt, stationär sind und sich nicht während der Messung der Balun-Orientierung geändert haben. Bild 8 zeigt die gleichen Kurven wie in Bild 6 gezeigt, wobei nur nur das Balun-Verhalten von Hersteller 2B getestet wird, da die Dämpfungsglieder zwischen den Ein- und Ausgängen ausgetauscht sind.

Dies erzeugt einen anderen Satz von vier Kurven, die in Bild 8 als gestrichelten Linien dargestellt sind. Das Ergebnis ist, dass wir wieder dort angekommen sind, wo wir angefangen haben, da eine größere Variation in der Testmessung auftritt. Dies unterstreicht weiter, dass bereits kleine Fehlanpassungen auf jeder Seite eines differenziellen Signalpaares bei hohen Frequenzen von Bedeutung sind. Denken Sie deshalb daran, Ihre Testbedingungen detailliert zu dokumentieren.

Immer alles zusammen ausbalancieren

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei der Entwicklung voll differentieller Signalketten im GHz-Bereich alles wichtig ist, d.h. Dämpfungsglieder, Baluns, Kabel, Leiterbahnen auf einer Leiterplatte etc. Das haben wir mathematisch und im Labor mit einem Hochgeschwindigkeits-Differenzverstärker als Prüfstand bewiesen. Bevor wir also das Bauteil oder den Hersteller beschuldigen, bitten wir um besondere Sorgfalt beim Leiterplatten-Layout und den Labortests.

Kann man eine Schaltung perfekt ausbalancieren?

Jetzt fragen Sie sich wahrscheinlich, wie viel Phasenungleichgewicht Sie tolerieren können? Wenn Sie beispielsweise einen Balun auswählen, das eine Phasenunsymmetrie von x bei x GHz aufweist, was bedeutet das für die Leistungsfähigkeit des Bauteils oder Systems? Kann man mit einem bestimmten Verlust oder einer Verschlechterung der Linearität in dB rechnen?

Es ist schwierig, diese Frage zu beantworten. In einer idealen Welt, in der alles in der Signalkette perfekt aufeinander abgestimmt ist, gäbe es keine harmonischen Verzerrungen. Zweitens wäre es schön eine Faustformel oder eine Gleichung zu haben, die sagt, für jede Unsymmetrie x sollte man mit x dB Linearitätsverlust (Verschlechterung von HD2) rechnen. Das ist unmöglich. Warum? Jede Komponente, ob aktiv, passiv oder differenziell, hat immer eine gewissen inhärenten Phasenversatz.

Es gibt einfach keine Möglichkeit, eine Schaltung perfekt auszubalancieren oder Kabel mit ideal angepasster Länge abzuschneiden. Unabhängig davon, wie gering diese Fehlanpassungen sind, sie werden immer ausgeprägter, je höher die Frequenzen sind, die in einem System verwendet werden.

Lassen Sie uns diesen Sachverhalt mit der Aussage abschließen, dass wir unsere Arbeit so gut wie möglich machen, indem wir die Fehlanpassungen klein halten, wenn voll differentielle Ein- und Ausgänge verwendet werden. Wir hoffen, Sie tun dies auch, wenn Sie unsere Produkte im Labor testen.

* David Brandon arbeitet als Produktingenieur in der High-Speed-Amplifier-Group von Analog Devices in Greensborough / USA. Rob Reeder arbeitet als Senior Anwendungsingenieur in der Gruppe High-Speed-Wandler und HF bei Analog Devices in Greensborough / USA.

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