¡Las pruebas de amplificadores de alta velocidad implican muchas matemáticas para hacer girar su globo!

Resumen

En la mayoría de los entornos de laboratorio, hay generadores de señales, analizadores de espectro, etc. son instrumentos de un solo propósito que se utilizan para medir la distorsión de los controladores y convertidores de amplificadores diferenciales de alta velocidad. Por lo tanto, para medir la distorsión de orden par en el controlador del amplificador, como la distorsión de segundo armónico, HD2 y la distorsión de intermodulación de orden par o IMD2, se requieren componentes adicionales como baluns y atenuadores como parte de la configuración de prueba completa para una interfaz de prueba de un solo extremo. instrumentación para las entradas y salidas diferenciales del driver de amplificación. Este artículo revela la importancia del desequilibrio de fase al calcular las señales de desajuste y cómo el desequilibrio de fase da como resultado productos con un orden par aumentado (es decir, ¡peor!). También mostrará cómo las mediciones de rendimiento (es decir, HD2 e IMD2) del amplificador bajo prueba pueden verse influenciadas mediante el uso de compensaciones de varios balunes y atenuadores de alto rendimiento diferentes.

Formación en matemáticas = ¡Sí!

La amplitud y el desequilibrio de fase son especificaciones importantes que se deben comprender al probar dispositivos de alta velocidad con entradas diferenciales, como convertidores de analógico a digital, amplificadores, mezcladores, baluns, etc.

Se debe tener mucho cuidado al implementar diseños de cadenas de señales analógicas que utilizan frecuencias de 500 MHz y superiores, ya que todos los dispositivos, activos o pasivos, tienen algún tipo de desequilibrio de frecuencia. 500 MHz no es un punto de frecuencia mágico de ninguna manera, es solo la experiencia de que aquí es donde la mayoría de los dispositivos comienzan a desviarse del equilibrio de fase. Dependiendo del dispositivo, esta frecuencia puede ser mucho más baja o más alta.

Echemos un vistazo más de cerca a este modelo matemático simple a continuación:

Considere las entradas X(contigo(b) a un ADC, amplificador, balun, etc., o cualquier dispositivo que convierta señales de un extremo a un diferencial, o viceversa. El par de señales, X₁(contigo) y X₂(contigo), son sinusoidales, por lo que las señales de entrada diferenciales tienen la siguiente forma:

De lo contrario, incluso los resultados de la prueba de distorsión del comando ADC pueden cambiar significativamente en el rango de frecuencia de funcionamiento directamente debido al grado de desequilibrio en estos componentes.

El ADC, o cualquier dispositivo activo, se puede modelar simplemente como una función de transferencia simétrica de tercer orden:

Asi que,

En el caso ideal, donde no tenemos desigualdad, la función de transferencia del sistema simple anterior se puede modelar de la siguiente manera:

Cuando X₁(contigo) y X₂(contigo) están perfectamente equilibrados, tienen el mismo tamaño (k₁= k₂= k) y que son exactamente 180^de fuera de fase (φ = 0°).

Aplicando una identidad trigonométrica a las potencias y juntando términos de la misma frecuencia, obtenemos:

Este es el resultado habitual de un circuito diferencial: los armónicos pares cancelan sus señales ideales, a diferencia del armónico impar.

Ahora suponga que las dos señales de entrada tienen un desajuste de amplitud, pero no un desajuste de fase. En este caso, k₁≠ k₂y ϕ = 0.

Cuando sustituimos la ecuación 7 por la ecuación 3 y aplicamos las identidades de potencia trigonométrica nuevamente, lo sé, ¡ay!

Vemos de la ecuación 8 que el segundo armónico es proporcional a la diferencia del cuadrado de los términos de amplitud k₁ y k₂o añadir:

Ahora suponga que hay una falta de coincidencia de fase entre las dos señales de entrada sin una falta de coincidencia de amplitud. Asi que, k₁ = k₂y φ ≠ 0 .

Ponga la ecuación 10 en la ecuación 3 y hágalo simple, ¡usted puede hacerlo!

De la ecuación 11 vemos que la amplitud del segundo armónico es proporcional al cuadrado del término de amplitud,. k.

Si regresamos y comparamos la Ecuación 9 con la Ecuación 12, y asumimos que mis identidades trigonométricas son buenas, todo se reduce a; el desajuste de fase tiene un efecto mayor en el segundo armónico que el desajuste de amplitud. He aquí por qué: en el caso de desequilibrio de fase, el segundo armónico es proporcional al cuadrado de la misma k₁- nuevamente, vea la ecuación 12, y para la desigualdad de amplitud, el segundo armónico es proporcional a la diferencia de los cuadrados de k₁ y k₂o Ecuación 9. Zinc k₁ y k₂ son aproximadamente iguales, esta diferencia suele ser pequeña—¡especialmente si lo comparas con un número al cuadrado!

Prueba de amplificador HS

Ahora que eliminamos ese problema, pasemos a un caso de uso, como se muestra en la Figura 2. Aquí vemos un diagrama de bloques que muestra una configuración de prueba para una prueba de distorsión HD2 que normalmente se usa en un laboratorio diferencial. amplificador.

A primera vista, parece bastante simple, pero el diablo está en los detalles de esta prueba. Si observamos la Figura 3, vemos una batería de resultados de pruebas HD2 que usan los mismos componentes en este diagrama de bloques, amplificador diferencial, balunes, atenuadores, etc. Lo que se logró en estas pruebas fue demostrar que un simple cambio de fase, simplemente invirtiendo la orientación del globo de diferentes maneras, puede lograr diferentes resultados en el barrido de frecuencia HD2. Hay dos globos en esta configuración, por lo que se pueden crear cuatro situaciones posibles invirtiendo las conexiones en uno o ambos lados de la configuración. Los resultados se muestran en la Figura 3.

La cantidad de variación en las curvas de distorsión HD2 revelada en la Figura 3 justifica un examen más detallado del rendimiento del balun, particularmente con respecto al desequilibrio de fase y amplitud. Las siguientes dos figuras muestran el desequilibrio de fase y amplitud de varios globos de diferentes fabricantes. Se utilizó un analizador de red para las mediciones de la prueba de desequilibrio.

Los trazos rojos en las Figuras 4 y 5 corresponden al balun real utilizado para obtener los datos de distorsión HD2 en la Figura 3. Este balun en particular, del proveedor 1A, tenía uno de los anchos de banda más altos y un buen ancho de banda plano, pero un grado de la desigualdad era peor que otra. baluns en la misma banda de prueba de frecuencia de 10 GHz.

Las siguientes dos figuras muestran una nueva prueba de la distorsión HD2 utilizando el mejor globo que mostró el desequilibrio de fase más bajo que se encuentra en la Figura 6 y la Figura 7, Proveedor 1B y Proveedor 2B, respectivamente. Tenga en cuenta que con un mejor rendimiento de disparidad, la varianza de distorsión HD2 disminuye en consecuencia, como se muestra en la Figura 7.

Para ilustrar mejor cómo los desequilibrios de fase afectan directamente el rendimiento de la distorsión de orden par, la Figura 8 muestra la distorsión HD3 en las mismas condiciones que la figura HD2 anterior. Tenga en cuenta que las cuatro pistas son aproximadamente iguales, como se esperaba. Por lo tanto, como se mostró anteriormente en el ejemplo de derivación matemática, la distorsión HD3 es menos sensible al desequilibrio en la cadena de la señal.

Hasta este punto, se debe suponer que los atenuadores conectados a la entrada y salida, como se muestra en la Figura 2, son fijos y no cambiaron durante las mediciones de orientación del balun. La siguiente figura muestra las mismas trazas que se muestran en la Figura 7, solo probando el rendimiento del globo del proveedor 2B cuando los atenuadores se cambian entre entradas y salidas. Esto genera otro conjunto de cuatro trazas, representadas por líneas discontinuas en la Figura 9. El resultado es que estamos de vuelta donde comenzamos, ya que esto da como resultado una mayor variación en la prueba. la medida. Esto también enfatiza que las pequeñas cantidades de compensación a través de un par de señales diferenciales son importantes a altas frecuencias. No olvide documentar sus condiciones de prueba en detalle.

equilibrar todo

En resumen, todo es importante cuando se desarrollan cadenas de señales diferenciales completas en las regiones de GHz; es decir, atenuadores, globos, cables, pistas en una placa de computadora, etc. Lo hemos probado matemáticamente y en el laboratorio usando un amplificador diferencial de alta velocidad como banco de pruebas. Por lo tanto, antes de comenzar a culpar a la pieza o al proveedor, preste especial atención al diseñar la placa de circuito y probarla en el laboratorio.

Finalmente, ¿puedes estar pensando en el grado de desigualdad que puedo tolerar? Cuando tomo un balun, por ejemplo, y muestra x número de grados de desequilibrio de fase a x GHz, ¿qué significa eso en términos de degradación de mi habitación o sistema? ¿Puedo esperar una cierta cantidad de pérdida o degradación del rendimiento de la linealidad de dB?

Esta es una pregunta difícil de responder. En el mundo ideal, si todo en su cadena de señal coincidiera perfectamente, no habría una distorsión de orden par con la que lidiar. En segundo lugar, sería bueno tener una regla general o una ecuación que diga que debe esperarse x dB de pérdida de linealidad (degradación HD2) por cada x° de desequilibrio de fase. Sin embargo, eso simplemente no puede ser. ¿Por qué? Porque cada componente tiene algún tipo de cambio de fase inherente, ya sea activo o pasivo y diferencial. No hay forma de equilibrar perfectamente un diseño de IC internamente o cortar cables a una longitud que coincida perfectamente. Por lo tanto, no importa cuán pequeñas sean estas compensaciones, se vuelven más significativas a medida que se usan frecuencias cada vez más altas en un sistema.

Resumamos esto diciendo que haremos todo lo posible para mantener estos desajustes de diseño de IC pequeños cuando se utilizan entradas y salidas totalmente diferenciales. Esperamos que haga lo mismo cuando pruebe nuestros productos en el laboratorio.