Аналоговый тракт генератора сигналов, DC-160MHz Опции

[Леонид Иванович]

Решил продолжить заброшенный проект генератора FG-951, пытаюсь рисовать аналоговый тракт. Посмотрел устройство близкого по параметрам генератора Rigol DG4000. По размещенным здесь материалам частично восстановил схему аналогового тракта. Возникли некоторые вопросы. ЦАП (или DDS в моем случае) имеет дифференциальный выход. По идее, можно к нему подключить дифференциальный фильтр, но обычно применяют два отдельных фильтра. Так и сделаю. С них дифференциальный сигнал нужно снять и преобразовать в single ended (SE). Специальных подходящих микросхем не нашел, есть AD8130, но медленновата, при усилении 2 не проходит по полосе, да и гармоники быстро растут с частотой. Хочется использовать готовый дифференциальный усилитель, а не делать его на ОУ, чтобы входное сопротивление было одинаковым по обоим входам. Выбрал ADA4927-1. В генераторе DG4000 зачем-то после дифференциального усилителя LMH6552 стоит еще один усилитель на обычном ОУ LMH6702, на выходе которого получается SE сигнал. В чем смысл этого усилителя? Просто для распределения усиления между двумя каскадами? Чем грозит снятие SE сигнала только с одного из выходов ADA4927-1? Надо ли тогда нагружать неиспользуемый выход? Сопоставимого с ADA4927-1 по гармоникам обычного ОУ найти не удалось.

На выходе DG4000 под радиатором стоят параллельно два каких-то ОУ в SOIC-8. Генератор обеспечивает 1Vpp на нагрузке 50 Ом на частоте 160 МГц с уровнем гармоник -40 dBc, т.е. на выходе ОУ будет 2Vpp. Интересно, что там за ОУ? THS3201 или OPA695 что-то близкое могут обеспечить, наверное.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Alias]

А в чём проблема сделать дифференциальный фильтр? считают его как недифференциальный, затем ёмкости между параллельными ветвям с 2 раза меньше делают. У меня куча таких фильтров понаделана, 7-9 порядков Чебышева, от 5 до 400МГц (-3дБ). Сам тоже ставлю ADA4927 - очень хороший и надёжный широкополосный ОУ. В серийную аппаратуру давно заложили это решение и выпускаем продуцию с ЦАП, тиражи - сотни экз.
На выходе на 50 Ом нагрузке - до 1,4В р-р, при гармониках не более минус 72дБ на 10МГц, не более минус 62 на 140МГц. Как-то так...

[Леонид Иванович]

А в чём проблема сделать дифференциальный фильтр? считают его как недифференциальный, затем ёмкости между параллельными ветвям с 2 раза меньше делают.

Как рассчитать дифференциальный фильтр, я знаю. Но смущает тот факт, что в фирменных приборах ни разу не видел после ЦАП или DDS дифференциального фильтра - везде ставят два одинаковых обычных фильтра. На cqham мне дали такой ответ: в дифференциальном фильтре будут паразитные емкости со всех звеньев на землю, что исказит характеристики и сделает настройку настройку фильтра сложной. А в обычном фильтре эти емкости получаются включенными параллельно штатным (которые заземлены), их влияние легче учесть. Хотя лично мое мние, почему не применяют дифференциальные фильтры, это потому что они не подавляют синфазные помехи, их подавление ложится полностью на плечи дифф. усилителя, а в широкой полосе частот он с этим справляется плохо.

У меня куча таких фильтров понаделана, 7-9 порядков Чебышева, от 5 до 400МГц (-3дБ).

А Вы делали сравнение с двумя отдельными фильтрами?

Сам тоже ставлю ADA4927 - очень хороший и надёжный широкополосный ОУ. ...
На выходе на 50 Ом нагрузке - до 1,4В р-р, при гармониках не более минус 72дБ на 10МГц, не более минус 62 на 140МГц. Как-то так...

Спасибо, ценная информация. Правильно ли я понял, у Вас на нагрузке 50 Ом размах 1.4Vp-pи (0.5Vrms для синуса), а на выходе ОУ 2.8Vp-p из-за согласования? Получается, ОУ работает на нагрузку 100 Ом, при этом Вы не используете параллельное включение нескольких ОУ? И нагружаете только один выход ОУ?


Сообщение отредактировал Леонид Иванович - May 28 2015, 11:15

[ms1]

На cqham мне дали такой ответ: в дифференциальном фильтре будут паразитные емкости со всех звеньев на землю, что исказит характеристики и сделает настройку настройку фильтра сложной

Что касается влияния именно на характеристику фильтра, то для дифф. фильтра паразитные емкости на землю каждого плеча в итоге дают дополнительную емкость включенную между плечами, величина которой вдвое меньше (т.к. они включены последовательно) . Правда уменьшения их влияния не случится, поскольку "полезная" (расчетная) емкость также вдвое меньше чем у отдельных СМ-фильтров.
Так что разницы в общем то нет.
А вот реальным преимуществом по паразитам дифф. схема дает в плане уменьшения паразитной индуктивности на землю через переходы на земляной слой. Для дифф.фильтра эту индуктивность можно свести к практическому нулю. У кого то, кажется у ADI, был даже AN на смежную тему, там приводились эксперименты с вариантами подключения земляных выводов конденсаторов. Вывод той AN - "используйте по 3шт. via как моджно ближе к pin кондесаторов". Для дифф.схемы все это никчему, т.к. переходов вовсе нет, нужно только обеспечить правильную разводку, которая сама по себе просится - входные и выходные линии должны быть присоединены к пятачку посадочного места конденсатора в разных местах.

[Леонид Иванович]

Ну а то, что дифференциальный фильтр не ослабляет синфазные помехи, разве не минус? Индуктивность переходных актуальна ближе к ГГц, здесь не та частота.

[ms1]

Ну а то, что дифференциальный фильтр не ослабляет синфазные помехи, разве не минус?

Синфазная помеха это именно помеха, т.е. сигнал довольно малой величины, которую соответственно не требуется сильно ослаблять для того чтобы она не была заметна по сравнению с уровнем основного сигнала. Ваш ДДС сам по себе (в идеале) не генерирует такого сигнала. Он конечно есть как паразит, но настолько мал, что коэфф. ослабления дифф. ОУ будет скорее всего достаточно.

Индуктивность переходных актуальна ближе к ГГц, здесь не та частота.

Разговор шел не о via, а о суммарной индуктивности via + проводник от площадки, да и часть самой площадки тоже.
Не стоит недооценивать влияние такой индуктивности, тем более при работе с ДДС у которого спектр в виде расчески и помимо основной частоты есть множество весьма весомых имиджей. Ваш фильтр ведь нужен как раз для ослабления именно их, так? Можно прикинуть в цифрах.
Есть эмпирическое правило, плюс минус лапоть, но для прикидочной оценки подойдет: индуктивность 1 мм дорожки равна примерно 1нГ. предположим что кондесаторы каждого плеча имеют соединение с полигоном земли длиной 2 мм. Это 2 нГ. для обоих конденсаторов каждого плеча это уже 4нГ (дл дифф.фильтра они также включены последовательно как и сами конженсаторы, но теперь "паразит" складывается). Пусть емкость конденсатора 10пФ. Получим паразитный резонанс 800МГц. Если Ваш ДДС работаес с Fс скажем 500МГц, то это в районе всего лишь третьего имиджа.
PS: Соврал, не третьего, а четвертого (для частоты 160МГц).

Сообщение отредактировал ms1 - May 28 2015, 18:02

[Леонид Иванович]

Звучит логично. Но остается вопрос, почему в промышленных генераторах применяют два обычных фильтра вместо одного дифференциального?

[rloc]

почему в промышленных генераторах применяют два обычных фильтра вместо одного дифференциального?

Согласитесь, не так много примеров взято для сравнения, чтобы делать выводы. И свой опыт нельзя недооценивать.

[Леонид Иванович]

Синфазная помеха это именно помеха, т.е. сигнал довольно малой величины, которую соответственно не требуется сильно ослаблять для того чтобы она не была заметна по сравнению с уровнем основного сигнала. Ваш ДДС сам по себе (в идеале) не генерирует такого сигнала. Он конечно есть как паразит, но настолько мал, что коэфф. ослабления дифф. ОУ будет скорее всего достаточно.

Тем не менее, эта помеха может быть очень широкополосной. Например, проникновение тактовой частоты DDS и ее гармоник. У усилителя CMRR заметно падает с повышением частоты. Да и вообще, как-то некрасиво отправлять всю эту грязь прямо на ОУ. Два обычных фильтра все эти помехи заметно ослабят, при этом каких-либо серьезных недостатков перед дифференциальным фильтром не вижу, не считая вдвое большего количества конденсаторов.

Согласитесь, не так много примеров взято для сравнения, чтобы делать выводы. И свой опыт нельзя недооценивать.

Свой опыт порой создает некую границу, внутри которой есть ряд проверенных работающих решений, выходить за которую просто не хочется. В данном случае, понятное дело, имеет право на жизнь как дифференциальный фильтр, так и два обычных. Но мне все же интересно, чем руководствовались инженеры, когда закладывали, скажем, в схему Agilent 33220 обычные фильтры. Да и в Rigol не совсем случайные люди сидят, решение используется в линейках DG1000, DG2000, DG4000. Любопытно, но в более быстром Agilent 33250 вообще проигнорировали дифференциальность, сигнал берут только с одного выхода ЦАП MAX555, далее идет обычный фильтр. В Siglent SDG5000 тоже обычный фильтр, перед которым стоит ОУ, преобразующий дифференциальный сигнал ЦАП в SE (спорное решение, на входе ОУ спектр ничем не ограничен). Так или иначе, дифференциального фильтра пока не встречал в генераторах ни разу.

[rloc]

Насколько важны спектральные характеристики в AWG и насколько они важны Вам? Найдите спектроанализатор или аналоговый генератор в составе которых используются DDS/DAC с двумя отдельными фильтрами. Насколько мне известно, в задачах аналоговой квадратурной модуляции, между DAC и смесителем чаще ставят дифференциальные фильтры, там где важнее степень подавления боковой полосы. Единственная причина, которую я встречал в литературе, - это сложность реализации. Тут уже не поспоришь. В каких-то случаях хороший результат получается с неким промежуточным фильтром, посмотрите на аппноут CN-0205.

[Леонид Иванович]

Для AWG разработчики тоже стараются получить как можно меньший уровень побочных компонентов, это важная характеристика для него. Схем коммерческих измерительных приборов в открытом доступе, конечно, мало, но я ни разу не видел дифференциального фильтра ни в одном приборе. Из спектроанализаторов видел внутренности только DSA815, не припомню там вообще дифференциальных трактов. CN0205.pdf - интересный документ, там как раз говорится, что дифференциальный фильтр не подавляет синфазных помех, и они предлагают некий промежуточный фильтр. Но исчерпывающего рассмотрения вопроса "дифференциальный фильтр vs два обычных фильтра" там нет, да и вообще, нигде не встречал рассуждений на эту тему.

[rloc]

CN0205.pdf - интересный документ, там как раз говорится, что дифференциальный фильтр не подавляет синфазных помех, и они предлагают некий промежуточный фильтр.

Как я прочитал, там говорится о том, что дифф. фильтр может подавлять синфазные помехи и шумы, но в данном конкретном случае результат получился лучше с включением некоторых емкостей на землю. Вывод однозначен - составлять квазистатическую модель фильтра с топологией, моделировать и оптимизировать.

Любопытно, но в более быстром Agilent 33250 вообще проигнорировали дифференциальность, сигнал берут только с одного выхода ЦАП MAX555, далее идет обычный фильтр.

О каких спектральных хар-ках можно говорить?

[Леонид Иванович]

Вот и сделайте комбинированный фильтр, как в документе, или еще более сложный. Как рассчитывать - не знаю, но промоделировать в симуляторе легко.

Идея интересная. Но чем такой вариант будет лучше, чем применение двух раздельных фильтров, которые понятно, как считать?

Как я прочитал, там говорится о том, что дифф. фильтр может подавлять синфазные помехи и шумы

Нет, чисто дифференциальный фильтр не подавляет синфазные помехи. Там говорится о подавлении им дифференциальных помех:

Топология фильтра, показанная на рисунке 7, представляет собой фильтр Баттерворта 5-го порядка с частотой среза 300 МГц и является рекомендуемой топологией. Чисто дифференциальный фильтр способен подавлять дифференциальные имиджи, спуры и шум с ЦАП. Использование двух конденсаторов с заземленной точкой их соединения (С2 и С4 на рисунке 7) отводит часть синфазного тока на землю, что приводит к лучшему подавлению высокочастотных синфазных сигналов, чем можно было бы получить с чисто дифференциальным фильтром.

Вывод однозначен - составлять квазистатическую модель фильтра с топологией, моделировать и оптимизировать.

Итересно, а в каких-нибудь учебниках есть хоть что-то про такие комбинированные фильтры?

[ViKo]

Идея интересная. Но чем такой вариант будет лучше, чем применение двух раздельных фильтров, которые понятно, как считать?

Вы правильно рассуждаете:
если нужно давить синфазную помеху, нужны раздельные фильтры в каждом плече;
если нужно давить частоты в дифференциальном выходном сигнале, дифференциальный фильтр будет работать.
Но будет ли дифференциальный фильтр эффективнее двух раздельных? Очевидно, нет. Просто в нем конденсаторов меньше.
А если помеха действует в одном плече, тогда дифференциальный фильтр "распределит" ее на оба плеча, превратит в синфазную, и дальше ОУ ослабит.
Так что фильтры должны быть раздельные, и немножечко дифференциальные, пмсм.
Для дифференциальных низкочастотных малых сигналов перед сигма-дельта АЦП тоже ставят простенькие фильтры - два резистора, после каждого по конденсатору на землю, и конденсатор между ними.

[Леонид Иванович]

А если помеха действует в одном плече, тогда дифференциальный фильтр "распределит" ее на оба плеча, превратит в синфазную, и дальше ОУ ослабит.

Отдельный фильтр такую помеху просто ослабит (ток, вызванный помехой, замыкается на землю). А дифференциальный создаст синфазную помеху, что хуже.

Для дифференциальных низкочастотных малых сигналов перед сигма-дельта АЦП тоже ставят простенькие фильтры - два резистора, после каждого по конденсатору на землю, и конденсатор между ними.

Верно. И конденсатор между ними ставится на порядок больше, чем конденсаторы на землю. Так как разброс этих конденсатров резко снижает коэффициент ослабления синфазной помехи для переменного сигнала.

Возращаясь к фильтрам: при моделировании я видел некоторое преимущество дифференциального фильтра при разбросе компонентов, которое проявлялось в виде лучшего подавления синфазной помехи системой фильтр-диффусилитель. Но только если помеха лежала в полосе пропускания фильтра. За пределами полосы подавление получалось хуже, чем для раздельных фильтров.

В документе CN0134 тоже рассматривается комбинированный фильтр. Причем дана таблица номиналов компонентов фильтра для разных частотных диапазонов. Емкости на землю то устанавливаются, то нет.


Сообщение отредактировал Леонид Иванович - May 29 2015, 11:59

[Леонид Иванович]

Получил ответ на форуме Analog Devices:

If you intend to only use one side of the differential amp, you will have to add 10 dB to the distortion plots.