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6-2014

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HF-Praxis 6/2014

Design Bild 2:

Design Bild 2: Generisches Frontend-Netzwerk Leistungsspezifikationen Fall 1 – R1=25 Ω, R2=33 Ω, R3=33 Ω Fall 2 – R1=25 Ω, R2=33 Ω, R3=10 Ω Fall 3 – R1=10 Ω, R2=68 Ω, R3=33 Ω Bandbreite (-3 dB) 3169 MHz 3169 MHz 1996 MHz Bandpass-Flatness (2GHz Ripple) 2.34 dB 2.01 dB 3.07 dB SNRFS bei 1000 MHz 58.3 dBFS 58.0 dBFS 58.2 dBFS SFDR bei 1000 MHz 74.5 dBc 74.0 dBc 77.5 dBc H2/H3 bei 1000 MHz -74.5 dBc/-83.1 dBc -77.0 dBc/-74.0 dBc -77.5 dBc/-85.6 dBc Input Impedance bei 500 MHz 46 Ω 45.5 Ω 44.4 Ω Input Drive bei 500 MHz +15.0 dBm +12.6 dBm +10.7 dBm Tabelle 1. Gemessene Anpassung der Leistungsfähigkeit gegenüber drei Frontend-Entwicklungen.> Stufe. Eine höhere Verstärkung und falsche Lastbedingungen führen zu größeren Verzerrungen, die der schnelle Verstärker “sieht”. Dies begrenzt den Dynamikbereich des Systems. Im Allgemeinen erhöht sich mit steigendem Impedanzverhältnis die Veränderlichkeit der Rückflussdämpfung. Dies sollte man bei der Entwicklung eines „angepassten“ Frontends mit einem Balun beachten. Amplitude und Phasenasymmetrie sind die wichtigsten Leistungseigenschaften in Verbindung mit einem Balun. Diese Parameter liefern ein gutes Maß dafür, wie stark jedes massebezogene Signal vom Ideal abweicht – gleich große Amplitude und 180° phasenversetzt. Diese beiden Spezifikationen zeigen dem Entwickler, wie viel Signalintegrität an den Wandler geliefert wird, wenn eine Entwicklung hohe ZF-Frequenzen (+1.000MHz) verlangt. Im Allgemeinen verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit mit zunehmender Abweichung. Man sollte sich für Transformatoren oder Baluns entscheiden, die diese Information im Datenblatt enthalten. Falls das Datenblatt diese Information nicht enthält, kann dies ein Grund sein, warum das betreffende Bauteil keine gute Wahl für diese HF-Anwendung ist. Man bedenke, dass sich mit steigender Frequenz die Nichtlinearität des Baluns ebenfalls erhöht. Normalerweise wird dies durch die Phasenasymmetrie dominiert. Dies wiederum bewirkt bei geradzahligen Harmonischen (hauptsächlich 2te Harmonische oder H2) größere Verzerrungen, wie sie der schnelle Wandler „sieht“. Eine Phasenasymmetrie von drei Grad kann die Leistungsfähigkeit im störungsfreien Dynamikbereich (SFDR) wesentlich reduzieren. Man sollte nicht voreilig den Wandler dafür verantwortlich machen, sondern zuerst die Frontend- Entwicklung analysieren, falls der erwartete SFDR, speziell bei H2, wesentlich vom Datenblatt abweicht. Zur Bekämpfung von Verzerrungen der zweiten Harmonischen gibt es einige Lösungen. So sollte man beim Einsatz eines Baluns bei höheren Frequenzen versuchen, mehrere Transformatoren oder Baluns in einer kaskadierten Anordnung zu verwenden. Zwei (Bild 1) und in manchen Fällen drei Baluns können verwendet werden, um über die hohen Frequenzen das massebezogene in ein differenzielles Signal zu wandeln. Die Nachteile dabei sind ein erhöhter Platzbedarf, höhere Kosten und Einfügungsdämpfung. Eine andere Möglichkeit ist, verschiedene Baluns auszuprobieren. Einzelne Baluns werden angeboten, etwa von Anaren, Hyperlabs, Marki Microwave, Minicircuits und Picosecond. Diese basieren auf patentierten Schaltungen mit speziellen Topologien, die eine erweiterte Bandbreite im GHz- Bereich erlauben und somit eine hohe Symmetrie bieten. Da man hier mit nur einem Bauteil auskommt, das in manchen Fällen kleiner als die heute üblichen Standard-Ferrite ist. Man beachte, dass nicht alle Baluns von allen Herstellern auf die gleiche Weise spezifiziert sind. Baluns mit offensichtlich ähnlichen Spezifikationen können sich in unterschiedlichen Situationen unterschiedlich verhalten. Die beste Möglichkeit, einen Balun für eine Schaltung zu wählen, ist, die Spezifikationen des potenziellen Baluns zu sammeln und zu verstehen sowie wichtige Daten, die nicht im Datenblatt stehen, beim Hersteller anzufordern. Alternativ oder zusätzlich kann es nützlich sein, die Leistungsfähigkeit des Baluns mit einem Netzwerkanalysator oder auf dem Systemboard vor dem schnellen A/D- Wandler zu messen. 50 hf-praxis 6/2014

Design Beim Einsatz eines oder mehrerer Baluns spielt das Layout im Hinblick auf die Phasensymmetrie eine ebenso wichtige Rolle. Damit die Leistungsfähigkeit bei höheren Frequenzen stets optimal bleibt muss das Layout so symmetrisch wie möglich sein. Andernfalls können sich kleinste Fehlanpassungen der Leiterbahnen in Frontends mit Baluns als nutzlos erweisen (z.B. Begrenzung des Dynamikbereichs). Frontend-Anpassung Zunächst eine Anmerkung. Das Wort “Anpassung” sollte klug verwendet werden. Es ist fast unmöglich, ein Frontend bei jeder heute üblichen Frequenz mit 100 MSample/s schnellen Wandlern „anzupassen“. Ganz abgesehen über eine +1.000 MHz Band. Den Ausdruck “Anpassung” sollte man als Optimierung verstehen, welche beim jeweiligen Frontend die besten Ergebnisse liefert. Dies wäre ein „Alles-Inklusive“- Ausdruck, bei dem Impedanz, dynamische Leistungsfähigkeit, Signaltreiberstärke und Bandbreite sowie ihre Flachheit im Durchlassbereich das beste Ergebnis für diese spezielle Anwendung erzielen. Dies bedeutet, jeder Parameter sollte entsprechend der Anwendung eine individuelle Gewichtung erhalten. In manchen Fällen kann zum Beispiel die Bandbreite die wichtigste Spezifikation sein, während man in Kauf nimmt, dass andere Parameter geringfügig schlechter sind, wenn nur die richtige Bandbreite erzielt wird. Dieses Beispiel (Bild 2) zeigt das Eingangsnetzwerk für einen GSPS-Wandler. Jeder Widerstand im Netzwerk ist wie eine Variable. Allerdings sind alle Widerstandswerte unterschiedlich, um die gleiche Eingangsimpedanz zu erhalten, welche die Leistungsparameter ändert (Tabelle 1). Im Wesentlichen ist das Impedanzanpassungsnetzwerk ungefähr das gleiche. Jedoch erhält man bei allen drei Beispielen andere Ergebnisse für Bild 3: Bandbreiten-Anpassung. die gemessenen Parameter, die zur Entwicklung des Frontend- Netzwerks erforderlich sind. Die Anpassung hier ist das beste Ergebnis für alle beteiligten Parameter, wobei in diesem Fall eine Bandbreite von über 2,5 GHz benötigt wurde. Dies begrenzt die Wahl auf die Fälle 1 und 2 (Bild 3). Betrachtet man die Fälle 1 und 2 genauer, lässt sich leicht erkennen, dass der Fall 2 aus zwei Gründen der bessere wäre. Zum einen hat die Flatness im Durchlassbereich nur einen Ripple von 2 dB über den 2-GHz-Bereich, während andererseits die Eingangstreiberfähigkeit 3 dBm geringer ist als bei Fall 1. Dies ist bezüglich der HF-Verstärkung weiter oben in der Signalkette weniger einschränkend, um Vollausschlag des schnellen Wandlers auf der Primärseite des Baluns zu erreichen. Fall 2 scheint in diesem Beispiel die beste “Anpassung” zu sein. Zusammenfassung GSPS-Wandler sind theoretisch einfach in der Handhabung, wenn es um die Abtastung größerer Bandbreiten geht, damit mehrere Frequenzbänder abgedeckt werden können oder eine Abwärtsmischerstufe im Frontend-HF-Bereich entlastet werden soll. Bandbreite im +1 GHz- Bereich zu erzielen kann jedoch Herausforderungen bei der Entwicklung eines leistungsstarken Wandler-Frontend-Netzwerks mit sich bringen. Man sollte daran denken, wie wichtig ein Balun ist. Speziell dann, wenn Phasensymmetrie wichtig wird, bei dem was zum Beispiel der schnelle A/D-Wandler als optimale Linearität zweiter Ordnung versteht. Wenn man sich für den Einsatz eines Baluns entscheidet, sollte man dessen Leistungsfähigkeit nicht durch weniger optimale Layout-Techniken zunichtemachen. Auch sollte man das Netzwerk richtig anpassen. Viele Parameter sind zu erfüllen, damit die „Anpassung“ der jeweiligen Anwendung stimmt. Referenzen 1) Transformer-Coupled Front- End for Wideband A/D Converters – Analog Dialogue, April 2005 2) Wideband A/D Converter Front-End Design Considerations – When to Use a Double Transformer Confi- guration– Analog Dialogue, July 2006 3) Wideband A/D Converter Front-End Design Considerations II - Amplifier- or Transformer Drive for the ADC? – Analog Dialogue, February 2007 4) A N - 8 2 7 , A R e s o n a n t Approach to Interfacing Amplifiers to Switch-Capacitor ADCs 5) AN-742, Frequency Domain Response of Switched-Capacitor ADCs 6) AN-912, Driving a Center- Tapped Transformer with a Balanced Current-Output DAC Autorenvorstellung Rob Reeder ist Senior System Application Engineer bei Analog Devices Inc. in den Segmenten Industrial und Instrumentation mit den Schwerpunkten Militärund Luftfahrtanwendungen. Vor dieser Position war er acht Jahre lang Applikationsingenieur für die High-Speed Converter Product Line. Sein MSEE und BSEE hat er von der Northern Illinois University in DeKalb, Ill., in den Jahren 1998 bzw. 1996 erhalten. hf-praxis 6/2014 51

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