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如何解决无法测量谐波失真问题

电子设计 来源:互联网 作者:佚名 2018-07-16 09:38 次阅读

总的来说,采用OPA857进行测量的主要挑战包括:

  • 互阻抗配置

  • 低输入电容

  • 高输出阻抗

在 20kW 增益和 1VPP输出电压摆幅下,输入电流为 50mAPP。由于OPA857的输出电压摆幅是 A 类,而且流过互阻抗的电流是单极的,因此需要正确设置输出共模电压。

电流源要具有小于 1.5pF 的低电容来维持带宽。输出要具有高输出阻抗,以控制OPA857的输出加载。由于我们所拥有的大多数测试设备都是 50W 的输入和输出阻抗,因此如何才能在不影响测试器件带宽、压摆率及失真性能的同时解决该问题呢?

这就引出了每种测量的独立解决方案。

我们首先要了解的测量是频率响应,或 S21 参数。为此我们将使用 HP 8753ES 网络分析仪,这是一款 30kHz 至 6GHz 的 S 参数网络分析仪。输入与输出都采用 50W 阻抗和 AC 耦合。分析仪后面有两个端口,可用于控制输入或输出上的 DC 电压。

推荐用于测量OPA857频率响应的两个信号链是:

  • 使用高速差分探针,见图 1。

  • 使用高速缓冲器隔离网络分析仪的负载,见图 2。

注意,Test_SD 引脚设置为逻辑高 (+3.3V),以便让内部电流源正常工作。这不仅意味着 Test_IN 输入上出现的 DC 电压将设置出现在 OUT 上的输出电压,而且还需要您实施以下程序,确保OPA857针对 AC 响应达到最佳工作状态。

  1. 最小化 AC 信号。

  2. 设置输入端的 DC 电压,以便输出电压能够围绕其进行摆幅,预设共模电压。例如,如果信号摆幅是 500mVPP,那么 OUT DC 电压就需要设置为 ≤1.4V。否则,输出摆幅在 A 类输出级电流流出时会消波。

  3. 完成 #1 电路后,不要留有连接在输出端上的任何东西。探针引线或电压会给负载添加几 pF,改变频率响应。

  4. 将 AC 振幅设置为所需的峰峰输出信号摆幅。

图 1:电路 #1 采用全差分探针连接 HP8753ES。


图 2:电路 #2 采用BUF602连接 HP8753ES。

相同的方法可用来评估脉冲响应或任何时域测量。然而请注意,由于OPA857内部电阻器容差都不会高于 ±15%,因此该设置必须挨个器件进行校准。

上面介绍的方法无法测量谐波失真,那么如何才能解决这个新问题呢?

测量谐波失真的传统方法要求:

  • 低失真源

  • 高动态范围频谱分析仪

可通过使用高阶滤波器改善低失真源。频谱分析仪的动态范围可通过过滤掉基波,只测量谐波来改善。设置如图 3 所示。本图中省略了位于被测量器件后面的陷波滤波器。


图 3:传统谐波失真工作台测量设置。

在OPA857实例中存在两个问题。第一个问题是:这里是电压源,而输入信号则需要电流源。内部电流源在这里不能用,因为它没有足够的线性度。因此我们不得不开发低失真电流源来实现测量。第二个问题是频谱分析仪接口。OPA857的输出是假差分信号,需要驱动轻负载,而频谱分析仪需要单端输入,预计 50W。

电流源具有高输出阻抗。在本实例中,电流源也需要具有低输入电容,因此不能用晶体管电路生成,因为大晶体管本身就有高电容,更不用说封装和电路板寄生了。这可限制该方案使用电压源,需要使用电阻器将其转换成电流。为确保OPA857的噪声增益接近 1V/V,与互阻抗配置相同,电源电容应为最低,而且电阻要足够大才能接近这一数字。

在反相引脚上小心插入一个串行电阻器,就可将电源电容降至最低。请使用OPA857 EVM了解布局。

在本实例中,增益电阻器是互阻抗增益值的五倍,因此对于 20kΩ 来说,电流源阻抗为 100kΩ。由于噪声增益为

,因此会出现偏差。这就意味着测量时环路增益损耗可造成大约 1.6dB 的降低,其不会出现在互阻抗配置中。

OPA857工作在衰减器配置中,因此其输出上的 0.5VPP需要生成器的 2.5VPP,可进一步增大非线性度。

了解OPA857的输出,我们需要测量额定 500Ω 负载,并测量放大器的非线性度,因为负载可降至 5kΩ。因此,OPA857与频谱分析仪之间的接口也不是纯电阻的,因为有大量的信号衰减,而且电阻后面的输出端寄生电容会限制有效带宽。如果在信号链中插入一个有源元件,其失真会比预期测量值好 15dB,能够将测量值降低 0.1dB。在低频率下,这往往是比较容易满足的需求,但是随着频率升高会迅速变得难以控制。该解决方案在这里使用的是针对电信市场开发的 DVGA,因为他可提供足够的增益来补偿信号通道中的衰减。这些 DVGA 具有 200Ω 的输入阻抗,不仅可将假差分信号转换为全差分,而且还可在所需的频率下提供足够的线性度。DVGA 输出端的变压器可转换放大的全差分信号,并可将其转换为频谱分析仪所预期的单端输入。我们在这里也会有一些衰减损耗,以匹配测试设备的 50Ω 输入阻抗。OPA857输出端的最终信号链如图 4 所示。


图 4:OPA857使用PGA870使OPA857负载适应于频谱分析仪。

PGA870提供支持高线性度的附加增益,可最大限度降低线性度退化。我们通过查看PGA870 产品说明书发现,在高增益 (> +10dB) 下工作,2 阶及 3 阶谐波失真要比 2VPP输出摆幅的 90dBc 高。这样可确保OPA857测量值降低不足 0.1dB。


图 5:200Ω 负载下PGA870的谐波失真

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