使用有源匹配和新型放大器实现宽频带输入匹配
发布时间：2015-1-29 10:54
发布者：designapp
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摘要：虽然所有全差分放大器(FDA)都能将单端输入信号转换为差分输出，但迄今还没有一种表现出足够的性能，可在没有输入点附加电阻器接地时提供良好输入阻抗匹配。如果能够消除电阻器接地，同时仍然提供极宽频带阻抗匹配，则可提供相当低噪声的实现。 第1部分综述了使用一个FDA实现单端转差分的两个选择，其中只使用一个FDA而没有平衡-不平衡变压器的典型方案包括一个附加电阻器接地，以获得部分输入阻抗匹配。第2部分将消除该电阻器，以复用新器件的独特宽频带共模带宽，并显示该简化型“有源平衡-不平衡变压器”实现的潜在设计范围和性能。 FDA输入提供的有源输入匹配 认真观察图4（第1部分）中的输入网络来寻找信号通路，输入阻抗与50Ω值的实际匹配并非一目了然。该电路的一个有趣方面是，由于共模回路的作用，朝Rg1看的输入阻抗高于实体电阻器值。 如果输出Vcm电压在单端输入信号改变时保持固定，则求和点的平均输入电压必须随输入电压而改变。所以要增加输入电压就要同时增加Rg1另一侧的电压。这具有阻碍电流流入Rg1元件的效应，使得该通路表现为较之于期望更高的阻抗。正是典型FDA方案的有源输入阻抗方面提供了该拓扑，所以难以对闭合式解决方案进行分析。 如果设计人员想获得与Rs匹配的输入阻抗和从Rg1至差分输出电压的目标增益Av，一种方法当是Rf元件选择只是为了满足其他约束条件时求解所需的Rt元件。该结果是由式(1)给出的Rt的二次解（参考7）。  式1 该式在设计需要选择反馈电阻器(Rf)时极为有用。例如，使用一个基于电流反馈(CFA)的FDA来实现图4就希望使Rf接近建议值，以保证最佳频率响应。其他情况可能包括，出于载荷考虑而需要避免非常低的值和/或出于噪声缘故而需要避免非常高的值。无论是哪种情况，使用式1求解图4中的Rt终端元件，然后代入式2和式3，获得Rg1和Rg2值。  式2  式3 这些解给出了典型FDA单端转差分设计的一个非常一般的解集，如果根本不使用Rt元件会怎样？使用该元件的目的常常是限制输入匹配偏离，例如向Rg1看进去的有源匹配由于低内部共模回路而在较低频率时偏离。这种情况就是实际上几乎所有FDA都具有相对低的共模回路带宽，并有可能需要Rt元件来保持可接受输入匹配至更高频率。 对于图7所示的ISL55210，直至高频率的优异匹配来自>1.5GHz小信号共模回路带宽，其使向Rg1看进去的阻抗保持非常接近该拓扑的设计值。借助这一宽带宽，如果Rf元件不需要像使用基于VFA的器件那样受约束，则如果该匹配能够保持，消除Rt元件就应当降低图4电路的噪声。求解无穷Rt就是对式1的零系数有效地求解分母。 有源平衡-不平衡变压器单端转差分实现的设计方程式 从式1的Rt一般解开始，并通过将系数的分母设为零，求解无穷Rt得到所需的Rf和Rg1元件值以命中与Rs匹配的输入阻抗，以及从Rg1至差分输出(Av)（由式4和式5给出）的电压增益。  式4  式5 然后由Rg2 = Rg1 + Rs获得差分反馈平衡。在第1部分中增益为20V/V的示例中继续使Rs = 50Ω可获得图8的建议解决方案。  t元件的26dB增益设计，只使用对Rg1的有源匹配"> 图8.没有Rt元件的26dB增益设计，只使用对Rg1的有源匹配 从图8可立即发现到Rg1元件的值非常低。这使所有电阻器值极大地按比例减小，从而减小它们在该方案中的噪声贡献。第二个发现是该实现的噪声增益比图4的更典型电路有显著下降，该电路包括一个Rt元件，用来改进对更典型FDA器件的匹配。 该实现的噪声增益为15.7V/V，图8提供相同的信号增益，但噪声增益减小到11V/V。这一切都源于消除Rt元件并应当降低输出点噪声，同时更低的噪声增益还应当扩展带宽（与第1部分所示的典型单端转差分实现相比）。 噪声增益实际上变为1+Av/2，且频率响应对图8的实现确实扩展到更高频率，如图9所示，另外图中还显示了来自第1部分的两个预备方案。  图9.采用ISL55210的3种可能26dB增益实现的响应比较 该图显示F-3dB带宽从220MHz扩展到约450MHz。由此得到的输出噪声也比典型FDA方案有显著下降，变得相当接近图10所示的平衡-不平衡变压器输入方案。  图10.输出点噪声比较 最后要注意的是，如果需要，ISL55210的>1.5GHz共模回路带宽能够将该4.6Ω实体Rg1转换为看似50Ω输入匹配的结果。图11显示了非常清晰的结果，将会得到工作台测量的证实。  图11.50Ω输入26dB增益设计的输入阻抗比较 虽然不像输入点具有附加Rt至接地的典型设计那样好（在仿真中），但图8的有源平衡-不平衡变压器电路保持好于20dB的回损直至500MHz。这远远超过了平衡-不平衡变压器输入设计，且输出噪声只略高一点。 使用有源平衡-不平衡变压器的设计增益扫描 保持目标50Ω输入匹配并从14dB到34dB以2dB步长扫描目标增益可获得实现该方案所需的精确元件值（参见表1），计算时使用式3和式4。请注意，这些电阻器值适用于任何电压反馈FDA，而期望的信号通路F-3dB带宽只适用于极宽带ISL55210。 估计带宽并不严格遵循4GHz ISL55210的增益带宽积，而这对去补偿VFA器件为典型情况。图12显示了对应于表1增益步长的系列响应曲线。  表1.对使用一个FDA的有源平衡-不平衡设计扫描增益元件值  图12.使用ISL55210的设计增益的估计频率响应曲线 继续看26dB示例，用两个24.9Ω串联输出电阻器建立起通向一个输出平衡-不平衡变压器（参考9）的通路，使单端信号返回进入50Ω负载，图13显示了响应比较。在这里，从输出引脚至负载的估计6.4dB插入损耗返回进入测量的数据，以便与图9的仿真响应进行比较。由于ADT1-1WT滚降(rolloff)，在略高的频带限制响应下测得略低的增益。  图13.图8的频率响应折算到输出引脚 利用输入阻抗测量结果继续该比较可得到图14的曲线，其中的两个仿真和工作台电路板从信号通路中的10nF电容改变为1uF，显示更好的匹配直至更低频率。  图14.图8的有源平衡-不平衡电路的输入阻抗测量与仿真结果比较 在这之后，从1MHz至200MHz的仿真阻抗由于仿真模型中没有寄生电路板电容而可能向下偏离。请注意以50Ω为中心的+/-2Ω偏离直至400MHz，这好于图8电路的34dB回损测试结果。使用图8和ISL55210的实现，该26dB增益的噪声系数测量值5GHz)器件的该相同电路（图8）中测量的输入阻抗可获得图15的曲线。  图15.26dB增益50Ω输入有源平衡-不平衡变压器设计比较 从此图容易看出输入终端的Rt分流部分为什么得到普遍使用（以更高输出噪声和闭环带宽下降的代价）。使用52Ω频率的比率，可为预备器件的这一未规定参数估计得到400MHz内部共模带宽。这仍然提供好于20dB的回损直至100MHz。 有源平衡-不平衡变压器电路的更低增益实现 图12的参数化响应曲线预言接近平坦的响应直至1GHz，其间增益为16dB并使用表1中对应该增益的元件值。在专用有源平衡-不平衡变压器电路板上（参考9）上实现16.4dB设计得到图16的仿真电路。 该电路旨在模拟该较低增益应用于驱动双重终止50Ω输出网络的性能。虽然输出侧平衡-不平衡变压器是一个极宽带1:1元件，但其将设置每个频率极值的仿真和测量滚降（参考10）。图17的比较曲线显示有少量共振引起测量响应在1Ghz处倒退达到峰值。  图16.仿真中匹配负载EVM电路的10.2dB净增益  图17.有源平衡-不平衡EVM电路板的更低增益响应测量与仿真结果 这些曲线显示平坦度在4MHz - 600MHz频宽范围内近似-1dB。对于FDA输出，响应将显著更宽，其低端由电容器设置，高端一直平坦至900MHz（参考9）。使用HP4195网络分析仪对该电路的输入阻抗进行最终检查显示，在3MHz - 300MHz频宽范围内存在几乎完美的50Ω匹配，如图18的截屏所示。这里的标记是100MHz时显示50.3Ω和0.9deg。一直到该仪器的500MHz最大工作频率，输入阻抗只增加至53Ω。低频偏离同样是10nF阻隔电容器。  图18.图16的更低增益测试电路的输入阻抗 使用一个FDA的有源平衡-不平衡放大器实现的应用与选择 当需要在增益1GHz的共模回路带宽的器件中得到最佳利用。由于设计方程式4和5是完全一般化的，所以可能需要对元件值进行调整，以适应所要求的输入阻抗和增益（75Ω数据见参考9）。信号带宽随增益的增加而下降，但折算到输入的噪声也将下降。可用于ISL55210的仿真模型有效地预言了宽设置范围上的性能，而此配置中的专用EVM（参考9）则有助于快速获得对不同设计点的工作台测量结果。 受益于该方案的潜在系统包括– 1. 通信接收器链，其最小尺寸和高度要求可受益于该方案没有平衡-不平衡变压器（条件允许时）。 2. 第2 Nyquist区ADC接口，使用简单接口（如图8所示）可通过带通滤波消除偶次失真项。 3. 用于脉管超声波的一级放大器，其中可能需要调整阻抗匹配，以适应这种不常用电缆的实际特征阻抗。 4. 磁共振成像(MRI)设备，获得超低噪声单端转差分级可受益于无需磁性元件（磁性元件不能用于这些强磁场应用）。 从电压反馈FDA的固有功能开始来实现这种有用的电路块，并扩大内部共模带宽，使之远高于先前的预期，为这种相对简单的解决方案应用于大量潜在应用打开了大门。 总结和结束语 该第2部分内容研究了几种传统的单端输入转差分输出方案，其中使用了日益普及的FDA器件，同时还研究了这种新的“有源平衡-不平衡变压器”设计，其中消除了传统设计的电阻器接地。对于最低输入折算噪声和偶次谐波抑制，输入升压平衡-不平衡变压器后跟一个差分I/O FDA或许应当采用的办法。对于单端转差分级中具有优异输入匹配的最宽增益平坦区域，可考虑文中详述的使用ISL55210的有源平衡-不平衡变压器方案。 作者简介 Michael Steffes  Michael Steffes在高速放大器设计、应用及营销领域有27年工作经验，在5个公司推出了80多款产品，同时发表了40多篇文章。他目前的工作重点是高效高速ADC接口、DSL/PLC线路接口解决方案以及在线设计工具开发。 第1和第2部分参考 1. “Deliver Higher Gains with Improved SNR using an Input Transformer into a Differential Inverting Amplifier Design”, EEweb, May31, 2012, Michael Steffes 2. ISL55210，4GHz增益带宽低噪声超低失真全差分放大器 (FDA) 3. Intersil的免费Spice和电源仿真工具iSim PE（须注册） 4. “Measuring and modeling wideband baluns for application to ADC input stages”, Planet Analog, Feb. 11/2013. 5. “Accurately predict noise figure for transformer coupled differential amplifiers”, EDN Nov.2, 2012. 6. 这些电阻器值来自差分放大器设计商ADI，可免费下载，对应50Ω输入和10dB增益，其寻找从信号源（除以2）至电路输入的增益，所以使该设计适用于输入点增益为20V/V的放大器。 7. “DC-coupled, single-to-differential design solutions using fully differential amplifiers”, Planet Analog, 8/19/2011. 8. 如欲了解噪声分析细节，请与作者联系。 9. 有源平衡-不平衡变压器评估板。ISL55210-ABEV1Z 10. 如欲了解该输出平衡-不平衡变压器型号，请与作者联系。 【分页导航】 第1页：FDA输入提供的有源输入匹配 第2页：有源平衡-不平衡变压器单端转差分实现的设计方程式 第3页：使用有源平衡-不平衡变压器的设计增益扫描 第4页：有源平衡-不平衡变压器电路的更低增益实现 第5页：使用一个FDA的有源平衡-不平衡放大器实现的应用与选择 |
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