如何解決無法測量諧波失真問題

如何解決無法測量諧波失真問題

佚名 發表於 2018-07-16 09:38:48

總的來說，採用 OPA857 進行測量的主要挑戰包括：

在 20kW 增益和 1VPP 輸出電壓擺幅下，輸入電流為 50mAPP。由於 OPA857 的輸出電壓擺幅是 A 類，而且流過互阻抗的電流是單極的，因此需要正確設置輸出共模電壓。

電流源要具有小於 1.5pF 的低電容來維持帶寬。輸出要具有高輸出阻抗，以控制 OPA857 的輸出加載。由於我們所擁有的大多數測試設備都是 50W 的輸入和輸出阻抗，因此如何才能在不影響測試器件帶寬、壓擺率及失真性能的同時解決該問題呢？

這就引出了每種測量的獨立解決方案。

我們首先要了解的測量是頻率響應，或 S21 參數。為此我們將使用 HP 8753ES 網絡分析儀，這是一款 30kHz 至 6GHz 的 S 參數網絡分析儀。輸入與輸出都採用 50W 阻抗和 AC 耦合。分析儀後面有兩個埠，可用於控制輸入或輸出上的 DC 電壓。

推薦用於測量 OPA857 頻率響應的兩個信號鏈是：

• 使用高速差分探針，見圖 1。

• 使用高速緩衝器隔離網絡分析儀的負載，見圖 2。

注意，Test_SD 引腳設置為邏輯高 (+3.3V)，以便讓內部電流源正常工作。這不僅意味著 Test_IN 輸入上出現的 DC 電壓將設置出現在 OUT 上的輸出電壓，而且還需要您實施以下程序，確保 OPA857 針對 AC 響應達到最佳工作狀態。

1. 最小化 AC 信號。

2. 設置輸入端的 DC 電壓，以便輸出電壓能夠圍繞其進行擺幅，預設共模電壓。例如，如果信號擺幅是 500mVPP，那麼 OUT DC 電壓就需要設置為 ≤1.4V。否則，輸出擺幅在 A 類輸出級電流流出時會消波。

3. 完成 #1 電路後，不要留有連接在輸出端上的任何東西。探針引線或電壓會給負載添加幾 pF，改變頻率響應。

4. 將 AC 振幅設置為所需的峰峰輸出信號擺幅。

圖 1：電路 #1 採用全差分探針連接 HP8753ES。

 

圖 2：電路 #2 採用 BUF602 連接 HP8753ES。

相同的方法可用來評估脈衝響應或任何時域測量。然而請注意，由於 OPA857 內部電阻器容差都不會高於 ±15%，因此該設置必須挨個器件進行校準。

上面介紹的方法無法測量諧波失真，那麼如何才能解決這個新問題呢？

測量諧波失真的傳統方法要求：

可通過使用高階濾波器改善低失真源。頻譜分析儀的動態範圍可通過過濾掉基波，只測量諧波來改善。設置如圖 3 所示。本圖中省略了位於被測量器件後面的陷波濾波器。

 

圖 3：傳統諧波失真工作檯測量設置。

在 OPA857 實例中存在兩個問題。第一個問題是：這裡是電壓源，而輸入信號則需要電流源。內部電流源在這裡不能用，因為它沒有足夠的線性度。因此我們不得不開發低失真電流源來實現測量。第二個問題是頻譜分析儀接口。OPA857 的輸出是假差分信號，需要驅動輕負載，而頻譜分析儀需要單端輸入，預計 50W。

電流源具有高輸出阻抗。在本實例中，電流源也需要具有低輸入電容，因此不能用電晶體電路生成，因為大電晶體本身就有高電容，更不用說封裝和電路板寄生了。這可限制該方案使用電壓源，需要使用電阻器將其轉換成電流。為確保 OPA857 的噪聲增益接近 1V/V，與互阻抗配置相同，電源電容應為最低，而且電阻要足夠大才能接近這一數字。

在反相引腳上小心插入一個串行電阻器，就可將電源電容降至最低。請使用 OPA857 EVM 了解布局。

在本實例中，增益電阻器是互阻抗增益值的五倍，因此對於 20kΩ 來說，電流源阻抗為 100kΩ。由於噪聲增益為

，因此會出現偏差。這就意味著測量時環路增益損耗可造成大約 1.6dB 的降低，其不會出現在互阻抗配置中。

OPA857 工作在衰減器配置中，因此其輸出上的 0.5VPP 需要生成器的 2.5VPP，可進一步增大非線性度。

了解 OPA857 的輸出，我們需要測量額定 500Ω 負載，並測量放大器的非線性度，因為負載可降至 5kΩ。因此，OPA857 與頻譜分析儀之間的接口也不是純電阻的，因為有大量的信號衰減，而且電阻後面的輸出端寄生電容會限制有效帶寬。如果在信號鏈中插入一個有源元件，其失真會比預期測量值好 15dB，能夠將測量值降低 0.1dB。在低頻率下，這往往是比較容易滿足的需求，但是隨著頻率升高會迅速變得難以控制。該解決方案在這裡使用的是針對電信市場開發的 DVGA，因為他可提供足夠的增益來補償信號通道中的衰減。這些 DVGA 具有 200Ω 的輸入阻抗，不僅可將假差分信號轉換為全差分，而且還可在所需的頻率下提供足夠的線性度。DVGA 輸出端的變壓器可轉換放大的全差分信號，並可將其轉換為頻譜分析儀所預期的單端輸入。我們在這裡也會有一些衰減損耗，以匹配測試設備的 50Ω 輸入阻抗。OPA857 輸出端的最終信號鏈如圖 4 所示。

 

圖 4：OPA857 使用 PGA870 使 OPA857 負載適應於頻譜分析儀。

PGA870 提供支持高線性度的附加增益，可最大限度降低線性度退化。我們通過查看 PGA870 產品說明書發現，在高增益 (> +10dB) 下工作，2 階及 3 階諧波失真要比 2VPP 輸出擺幅的 90dBc 高。這樣可確保 OPA857 測量值降低不足 0.1dB。

 

圖 5：200Ω 負載下 PGA870 的諧波失真

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