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(高速アンプのテストには、バランを正しく使用するための十分な数学的知識が必要です)

Posted by: Yoyokuo 2021-12-05 (高速アンプのテストには、バランを正しく使用するための十分な数学的知識が必要です) はコメントを受け付けていません

「「ほとんどの実験室環境では、信号発生器やスペクトラムアナライザなどの機器は、高速差動増幅器のドライバとコンバータの歪みを測定するために使用されるシングルエンドの機器です。 したがって、アンプドライバの偶数次歪み(2次高調波歪みHD2、または偶数次偶数次相互変調歪みまたはIMD2など)を測定するには、追加の必要があります。 コンポーネント統合するための全体的なテストセットアップの一部としてのバランや減衰器などのシングルエンドテスト機器は、アンプドライバの差動入力および出力に接続されます。

「「

著者:DavidBrandonとRobReeder

概要

ほとんどの実験室環境では、信号発生器やスペクトラムアナライザなどの機器は、高速差動増幅器のドライバとコンバータの歪みを測定するために使用されるシングルエンドの機器です。 したがって、アンプドライバの偶数次歪み(2次高調波歪みHD2、または偶数次偶数次相互変調歪みまたはIMD2など)を測定するには、全体的なテストの一部として、バランや減衰器などの追加コンポーネントが必要です。統合するためのセットアップシングルエンドのテスト機器は、アンプドライバの差動入力および出力に接続されます。 この記事では、不一致信号の数学的知識を通じて位相不均衡の重要性を明らかにし、位相不均衡がどのように偶数次積の増加につながる可能性があるかを説明します(つまり、さらに悪いことになります!)。 この記事では、いくつかの異なる高性能バランと減衰器のトレードオフが、テスト対象のアンプ(つまり、HD2とIMD2)のパフォーマンスインジケーターにどのように影響するかも示します。

数学的背景=ええ!

差動入力を備えた高速デバイス(アナログ-デジタルコンバータ、アンプ、ミキサー、バランなど)をテストする場合、振幅と位相の不均衡は理解する必要のある重要な指標です。

アナログ信号チェーンが500MHz以上の周波数を使用するように設計されている場合、すべてのデバイス(アクティブまたはパッシブ)には周波数範囲に固有の不均衡があるため、十分に注意する必要があります。 500 MHzは素晴らしい周波数ポイントではありませんが、経験に基づくと、これはほとんどのデバイスが位相バランスから逸脱し始める場所です。 デバイスによっては、この周波数はこれよりはるかに低い場合と高い場合があります。

次の簡単な数学モデルを詳しく見てみましょう。

高速アンプのテストには、バランを正しく使用するための十分な数学的知識が必要です。
図1.2つの信号入力がある数学モデル。

入力xを考えます

高速アンプのテストには、バランを正しく使用するための十分な数学的知識が必要です。

そうでない場合、これらのデバイスの不均衡により、ADCの偶数次歪みテスト結果が動作周波数範囲内で大幅に変化する可能性があります。

ADCまたは任意のアクティブデバイスは、対称3次伝達関数として簡単にモデル化できます。

高速アンプのテストには、バランを正しく使用するための十分な数学的知識が必要です。

そう:

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理想的には、不均衡はありません。 上記の単純なシステムの伝達関数は、次のようにモデル化できます。

x1の場合

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三角関数公式を累乗に適用し、頻度などの情報を収集すると、次のようになります。

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これは、差動回路の一般的な結果です。理想的な信号の偶数次高調波はキャンセルされますが、奇数次高調波はキャンセルされません。

ここで、2つの入力信号の振幅が不均衡であるが、位相の不均衡がないとします。 この場合、k1≠k2であり、φ= 0です。

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式7を式3に置き換えて、三角関数公式を再度適用します。

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式8では、2次高調波は、簡単に言えば、振幅k1とk2の2乗の差に比例することがわかります。

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ここで、2つの入力信号の位相が不均衡であり、振幅の不均衡がないとします。 次に、k1 = k2、φ≠0です。

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フォーミュラ10をフォーミュラ3に置き換えて、単純化してください。試してみてください。

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式11から、2次高調波の振幅は振幅kの2乗に比例することがわかります。

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戻って式9と式12を比較し、三角関数公式が正しく適用されていると仮定すると、2次高調波は振幅の不均衡よりも位相の不均衡の影響を強く受けると結論付けることができます。 その理由は次のとおりです。位相の不均衡の場合、2次高調波はk1の2乗に比例します。 振幅の不均衡については、式12を参照してください。第2高調波は、k1とk2の二乗差に比例します。または、式9を参照してください。k1とk2はほぼ等しいため、特に二乗数と比較した場合、この差は通常小さくなります。 !

高速アンプのテスト

障害をクリアしたので、図2に示すように、ユースケースを見てみましょう。これは、差動増幅器の実験で一般的に使用されるHD2歪みテストのセットアップを示すブロック図です。

高速アンプのテストには、バランを正しく使用するための十分な数学的知識が必要です。
図2.高速アンプHD2テストのセットアップ

3.一見とてもシンプルに見えますが、細部には悪魔が隠されています。 図3は、このブロック図のすべてのコンポーネント、差動増幅器、バラン、減衰器などを使用して得られた一連のHD2テスト結果を示しています。 これらのテストは、バランの方向をさまざまな方法で逆にすることによって引き起こされるわずかな位相の不一致だけが、HD2スイープでさまざまな結果を生成できることを証明しました。 このセットアップには2つのバランがあるため、片側または両側の接続を逆にすることで、4つの可能なシナリオを作成できます。 結果を図3に示します。

高速アンプのテストには、バランを正しく使用するための十分な数学的知識が必要です。
図3.サプライヤーの1Aバランとさまざまなバランの方向を使用してHD2のパフォーマンスをテストします。

図3に示されているHD2歪み曲線の分散は、バランの性能、特に位相と振幅の不均衡をさらに調査する必要があることを示しています。 次の2つの写真は、さまざまなメーカーのいくつかのバランの位相と振幅の不均衡を示しています。 ネットワークアナライザを使用して、不均衡を測定します。

図4と5の赤い曲線は、HD2歪みデータを収集するために図3で使用された実際のバランに対応しています。 サプライヤ1Aのこのバランは、帯域幅が最も高く、通過帯域の平坦性が良好ですが、同じ10 GHz周波数テスト帯域では、位相の不均衡は他のバランよりも悪くなります。

高速アンプのテストには、バランを正しく使用するための十分な数学的知識が必要です。
図4.さまざまなバランの位相の不均衡

高速アンプのテストには、バランを正しく使用するための十分な数学的知識が必要です。
図5.さまざまなバランの振幅の不均衡

次の2つのグラフは、最高のバランを使用したHD2歪みの再テストの結果を表しています。 これらのバランは、サプライヤ1Bとサプライヤ2Bからのものであり、図6と図7に示すように、位相の不均衡が最も低くなっています。

高速アンプのテストには、バランを正しく使用するための十分な数学的知識が必要です。
図6.サプライヤーの1Bバランとさまざまなバランの方向を使用してHD2のパフォーマンスを再テストします。

高速アンプのテストには、バランを正しく使用するための十分な数学的知識が必要です。
図7.サプライヤーの2Bバランとさまざまなバランの方向を使用してHD2のパフォーマンスを再テストします。

位相の不均衡が偶数次の歪み性能に直接どのように影響するかをさらに説明するために、図8は、前のHD2図と同じ条件下でのHD3歪みを示しています。 4つの曲線はすべてほぼ同じであり、予想どおりであることに注意してください。 したがって、前の数学的導出の例で示されているように、HD3歪みは、信号チェーンの不均衡に対する感度が低くなります。

高速アンプのテストには、バランを正しく使用するための十分な数学的知識が必要です。
図8.サプライヤーの2Bバランとさまざまなバランの方向を使用してHD3のパフォーマンスをテストします。

これまでのところ、入力と出力に接続された減衰器パッド(図2に示す)は固定されており、一貫性があり、バラン方向の測定中に変化がないことを前提としています。 下の図7に示されているのと同じ曲線は、サプライヤ2Bのバランの性能のみをテストし、入力と出力の間で減衰器を交換します。 これにより、図9の破線で示すように、別の(4つの)曲線のセットが生成されます。これにより、テストと測定の変化がさらに表示されるため、開始した場所に戻ります。 これは、差動信号のいずれかの側での少量の不一致が高周波で大きな影響を与えることをさらに強調しています。 必ず試験条件を詳細に記録してください。

高速アンプのテストには、バランを正しく使用するための十分な数学的知識が必要です。
図9.HD2のパフォーマンスをテストするには、サプライヤーの2Bバランとさまざまなバランの向きおよび減衰パッド交換のみを使用します。

すべてオフセット

つまり、GHz領域で完全差動信号チェーンを開発する場合、減衰器パッド、バラン、ケーブル、プリント回路基板上のトレースなど、すべてが重要です。これは、数学および高速差動を使用する実験室で証明されています。テストプラットフォームとしてのアンプ。 したがって、デバイスまたはサプライヤのせいにする前に、PCBレイアウトおよび実験室テスト中に特に注意してください。

最後に、どの程度のアスペクトの不均衡を許容できるかを自問することができます。 たとえば、バランの位相がx GHzでx度不均衡である場合、特定のデバイスまたはシステムにどのように影響しますか? 直線性のパフォーマンスにある程度の損失がありますか、それともどのくらいのdBが低下しますか?

これは答えるのが難しい質問です。 理想的な世界では、信号チェーンのすべてが完全に一致していれば、心配する必要のある偶数次の歪みはありません。 次に、位相の不均衡がx°ごとにx dBの線形性損失(HD2パフォーマンスの低下)が発生するという経験則または公式がある場合、それは美しくありません。 ただし、これは不可能です。 どうして? すべてのデバイスには、アクティブ、パッシブ、差動のいずれであっても、固有の位相の不一致があるためです。 内部でIC設計の完璧なバランスを実現したり、まったく同じ長さのケーブルを切断したりする方法はありません。 したがって、これらの不一致がどれほど小さくても、システムがますます頻繁に使用されるにつれて、それらはより顕著になります。

要するに、完全差動入力および出力を使用する場合、ICレイアウトの不一致を最小限に抑えるために最善を尽くします。 私たちの製品を実験室でテストするとき、私はあなたが同じことをすることを望みます。

デビッドブランドン [[email protected]