互阻抗放大器评估与测量

作者：Xavier Ramus
在上一篇“如何评估互阻抗放大器第 1 部分”博客中，我们了解了 OPA857 的性能，但并没有深入介绍这些测量是如何进行的。现在已经有了参考，让我们来讨论实施问题吧。
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。

• 最小化 AC 信号。
• 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。
• 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。
• 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
在本博客中，我已介绍了 OPA857 产品说明书中所示大部分典型特性曲线的测量技术。如欲了解更多应用信息以及如何使用 OPA857 的详情，敬请参考说明书及 EVM 用户指南。