HMC661LC4B：超宽带4 GS/s跟踪保持放大器的技术解析

在电子设计领域，高性能的跟踪保持放大器是实现高速信号处理和数据采集的关键组件。今天，我们就来深入探讨一下HMC661LC4B这款超宽带4 GS/s跟踪保持放大器，看看它在实际应用中能为我们带来哪些优势。

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一、典型应用场景

HMC661LC4B具有出色的性能，适用于多种应用场景，包括但不限于以下几个方面：

• RF自动测试设备（ATE）：在RF ATE应用中，需要对高频信号进行精确的采样和处理，HMC661LC4B的高带宽和高速采样能力能够满足这一需求。
• 数字采样示波器：为示波器提供高速、高精度的信号采样，确保能够准确捕捉高频信号的细节。
• RF解调系统：帮助实现RF信号的解调，提高解调的准确性和效率。
• 数字接收系统：在数字接收系统中，对输入信号进行快速采样和处理，提升系统的性能。
• 高速峰值检测器：能够快速检测信号的峰值，为后续的信号处理提供重要依据。
• 软件定义无线电（SDR）：满足SDR系统对宽带信号处理的要求，增强系统的灵活性和可扩展性。
• 雷达、电子对抗（ECM）和电子情报（ELINT）系统：在这些对信号处理要求极高的系统中，HMC661LC4B能够提供可靠的性能支持。
• 高速数模转换器（DAC）去毛刺：有效去除DAC输出信号中的毛刺，提高信号质量。

二、产品特性

1. 带宽与采样率

HMC661LC4B拥有18 GHz的输入带宽（1 Vp-p满量程），这意味着它能够处理高频信号，为宽带信号处理提供了有力支持。同时，其最大采样率可达4 GS/s，能够快速准确地对信号进行采样。

2. 动态范围

在动态范围方面，该放大器表现出色。例如，在4 GHz、0.5 Vp-p输入，时钟频率为1 GS/s的条件下，无杂散动态范围（SFDR）可达68 dB；在4 GHz、1 Vp-p输入，时钟频率为1 GS/s时，SFDR为57 dB。

3. 输出特性

采用直接耦合输入输出（I/O）方式，输出波形干净，毛刺极小。在保持模式下，馈通抑制大于60 dB，输出噪声仅为1.05 mV RMS，确保了输出信号的高质量。

4. 封装与兼容性

它采用RoHS合规的4x4 mm表面贴装技术（SMT）封装，并且提供单级或双级评估板，方便工程师进行测试和开发。

三、电气规格

1. 模拟输入

• 差分满量程范围：线性测试的满量程输入为1 Vpp。
• 输入电阻：每个引脚到地的电阻为50 Ω。
• 回波损耗：在0 - 12 GHz范围内，回波损耗为 -23 dB；在12 - 18 GHz范围内，回波损耗为 -8 dB。
• 输入共模电压：范围为 -0.1 V至0.1 V。

2. 时钟输入

• 直流差分时钟高电压（跟踪模式）：范围为20 - 2000 mV。
• 直流差分时钟低电压（保持模式）：范围为 -2000至 -20 mV。
• 幅度（正弦输入）：每个端口为 -6至10 dBm。
• 输入共模电压：范围为 -0.5至0.5 V。
• 时钟转换速率：推荐为2 - 4 V/ns，以获得最佳线性度。
• 回波损耗：在0 - 3 GHz范围内，回波损耗为 -24 dB；在3 - 6 GHz范围内，回波损耗为 -18 dB。
• 输入电阻：每个引脚到地的电阻为50 Ω。

3. 模拟输出

• 差分满量程范围：为1 Vp-p。
• 共模输出电压：为0 V。
• 输出阻抗：每个端口为50 Ω。
• 回波损耗：在0 - 3 GHz范围内，回波损耗为 -18 dB；在3 - 6 GHz范围内，回波损耗为 -11 dB。

4. 跟踪模式动态特性

• 基带增益：范围为 -1.5至0.5 dB。
• 跟踪模式带宽：在1 Vp-p输入时为6 GHz。

5. 保持模式动态特性

• 采样带宽：在 -3 dB增益、1 Vp-p输入电平下为18 GHz。
• 差分下垂率（线性分量）：为 -1.4 %/ns。
• 差分下垂率幅度（固定分量）：为0.9 mV/ns。
• 馈通抑制：在3 GHz时大于等于60 dB。
• 积分噪声：在500 MHz时钟频率下为1.05 mV RMS。
• 最大保持时间：为2 ns。

6. 单音总谐波失真/无杂散动态范围（THD/SFDR）

在不同频率和输入电平下，HMC661LC4B都表现出了良好的性能。例如，在1 Vp-p满量程输入时，在0.995 - 11.995 GHz的频率范围内，THD/SFDR在 -56至 -31 dB之间；在0.5 Vp-p半满量程输入时，THD/SFDR在 -65至 -38 dB之间。

7. 跟踪到保持和保持到跟踪切换特性

• 孔径延迟：模拟值为 -6 ps。
• 随机孔径抖动：在1 GHz满量程输入时小于70 fs。
• 差分基座（线性分量）：在1 GHz时钟频率、6 dBm时钟功率下为 -1.0 %。
• 差分基座幅度（固定分量）：为2.8 mV。
• 时钟频率：在50%占空比下，范围为250 - 4000 MHz。

8. 时钟缓冲器管道延迟

模拟值为35 ps。

9. 采集时间和建立时间

• 采集到1 mV的时间：模拟值为132 ps。
• 建立到1 mV的时间：模拟值为135 ps。

10. 输出缓冲器延迟

从保持节点到输出的模拟值为43 ps。

11. 电源要求

• VccTH电压：范围为1.9 - 2.1 V，电流为82 mA。
• VccOF电压：范围为1.9 - 2.1 V，电流为40 mA。
• VccOB电压：范围为1.9 - 2.1 V，电流为73 mA。
• VccCLK电压：范围为1.9 - 2.1 V，电流为26 mA。
• Vee电压：范围为 -5至 -4.5 V，(Vee + VeeCLK)电流为 -242 mA。
• 功耗：为1.59 W。

四、规格定义

1. 孔径延迟

指精确采样时间相对于保持命令施加到设备的时间的延迟，它是时钟切换过渡到保持节点的延迟与输入信号群延迟到保持节点的差值。

2. 孔径抖动

采样时刻的时间标准差。

3. 采集时间

内部保持到跟踪过渡与保持节点信号在指定精度内跟踪输入信号的时间间隔，不包括时钟缓冲器的管道延迟。

4. 差分基座

由采样过渡期间跟踪保持（T/H）开关中的电荷再分配引起的采样值分量，通常由固定偏移、与输入信号幅度线性相关的分量和非线性相关的分量组成。

5. 差分下垂率

T/H处于保持模式时，保持样本的差分输出电压的缓慢漂移，通常由保持电容上的电流泄漏引起。

6. 馈通抑制

衡量T/H内部开关在关断状态（保持模式）下的隔离度，定义为保持模式下输出信号（正弦输入）的幅度与跟踪模式下输出信号幅度的比值。

7. 满量程范围

T/H在满足规格要求的情况下能够处理的最小和最大信号电平之间的电压范围。

8. 采样带宽

保持样本幅度所代表的采样信号电平的 -3 dB带宽，包括从信号输入到保持节点的传递函数带宽以及与采样孔径有限持续时间相关的任何带宽限制效应。

9. 建立时间

内部跟踪到保持过渡与保持输出信号在指定精度内稳定的时间间隔，不包括时钟缓冲器的管道延迟，但包括输出放大器的群延迟。

10. 无杂散动态范围（SFDR）

正弦输出信号幅度与落入一个奈奎斯特带宽内的最大非线性产物幅度之间的比值，通常以dB表示。

11. 总谐波失真（THD）

非线性产生的谐波和谐波混叠（在一个奈奎斯特频带内测量）的总功率与输出信号功率的比值。

五、应用注意事项

1. 总体应用

HMC661LC4B超宽带单级T/H放大器专为微波数据转换应用而优化，能够为高速模数转换器（A/D）的前端采样提供支持，增强其输入带宽和高频线性度。由于大多数高速A/D转换器的输入带宽有限，且在高频下线性度会迅速下降，而HMC661LC4B具有18 GHz的输入带宽和出色的宽带线性度，能够有效解决这些问题。

2. 静电放电（ESD）防护

尽管芯片上集成了ESD保护网络，但RF/微波兼容接口的保护能力有限，因此在使用时仍需采取ESD预防措施。

3. 电源顺序

如果使用独立电源偏置，推荐的电源启动顺序为VccOB、VccOF、VccTH、VccCLK、Vee / VeeCLK。如果需要，VccOB、VccOF、VccTH和VccCLK可以连接到一个 +2 V电源。

4. 输入信号驱动

为了获得最佳效果，输入应采用差分驱动方式。如果采用单端驱动，设备的线性度会有所下降，此时未使用的输入应端接50 Ω电阻。

5. 时钟输入

当(CLKP – CLKN)为高时，设备处于跟踪模式；当(CLKP – CLKN)为低时，设备处于保持模式。时钟输入应尽可能采用差分驱动，如果采用单端驱动，单端幅度/转换速率应与差分驱动推荐的全差分幅度/转换速率相似，未使用的输入应端接50 Ω电阻。为了获得最佳线性度，推荐时钟过零转换速率约为2 - 4 V/ns（每个时钟输入），正弦时钟输入的最小幅度为 -6 dBm（每个差分半电路输入）。

6. 输出

为了获得最干净的输出波形，输出应采用差分检测方式。输出阻抗为50 Ω电阻，返回至VccOB电源。输出级设计用于驱动每个差分半电路输出端接50 Ω到地的负载。设备提供真正的接地参考共模输出，通常在 ±50 mV以内，用户可以通过微调VccOB电源将输出共模电平精确调整到0 V。此外，通过调整VccOB电源，共模输出电平可以在大约 ±0.5 V的范围内调整。

7. 输出放大器带宽

输出放大器的带宽约为7 GHz，在高输入频率下，采样波形的输出幅度可能会比跟踪模式响应稍大。对于时钟速率较低（如 <1 GHz）的用户，可以通过将输出滤波到低于7 GHz的带宽来优化信噪比。输出电缆应采用高质量的电缆，长度应在2英尺或更短，以减少频率响应滚降和色散的影响。同时，应调整输出电缆长度以最小化负载与设备之间的反射扰动。

六、线性度测量

1. 测量问题

在表征T/H的线性度时，用户通常更关注保持样本的传递函数线性度（T/H模式线性度）。由于T/H模式线性度与跟踪模式线性度通常不同，且高速T/H缺乏足够线性度的宽带时域仪器，因此需要采用频域仪器和测量技术来选择性地表征波形的保持模式部分。

2. 双级配置测量方法

常见的方法是将两个T/H级联成双级配置，使第二个T/H（T/H 2）对第一个T/H（T/H 1）的输出进行重采样。两个T/H通常以主从操作方式相差180度时钟，以消除第一个T/H输出波形的跟踪模式部分。但这种方法并不完全能代表单个T/H的线性度，因为第二个T/H会对整体线性度产生影响。

3. 衰减双级技术

为了解决双级技术在单级T/H线性度表征中的不足，Hittite开发了衰减双级技术。该方法在第一级T/H和第二级T/H之间插入显著的衰减A（dB），通常衰减值为10 dB。这种配置可以消除跟踪模式分量，同时大幅降低第二级设备非线性产物对总频谱的贡献，使第一级设备的线性度主导整体线性度。

4. 输出波形频率响应校正

在双级T/H的情况下，输出波形类似于方波，其频谱内容受到SIN(πf/fs )/(πf/fs)（Sinc）函数频率响应包络的加权。为了正确测量样本的线性度，需要校正响应包络的影响或采用低频拍频产物技术将相关的非线性谐波产物混频到低频。

七、绝对最大额定值

参数	额定值
VccTH, VccOF, VccCLK	2.1 Vdc
VccOB	3 Vdc
Vee, VeeCLK	-5.25 Vdc
CLKP, CLKN输入功率	+10 dBm
INP, INN输入功率	+10 dBm
结温	125 °C
连续功耗（T = 85 °C）	2 W
热阻（结到封装底部）	20 °C/W
存储温度	-65至 +150 °C
工作温度	-40至 +85 °C
ESD灵敏度（HBM）	1B类

八、封装信息

HMC661LC4B采用氧化铝白色封装，引脚镀层为镍上镀金，MSL评级为3。封装标记包含4位批号。

九、引脚描述

引脚编号	功能	描述
1, 2, 5, 13, 14, 17, 18	GNDa	模拟地，与时钟地必须连接到相同的直流电位，但可根据需要进行RF隔离。
3	INP	正T/H输入，片上有直流50 Ω端接，指定性能下标称最大单端输入电平为 ±0.25 V (-2 dBm)，最大为 +10 dBm。
4	INN	负T/H输入，片上有直流50 Ω端接，指定性能下标称最大单端输入电平为 ±0.25 V (-2 dBm)，最大为 +10 dBm。
6	VeeCLK	负时钟缓冲器电源，VeeCLK和Vee必须连接到相同电位，总(Vee + VeeCLK)标称电流在 -4.75 V时为 -242 mA。
7	VccCLK	时钟缓冲器电源，在2 V时需要26 mA的标称电流。
8, 11, 12	GNDc	时钟地，与模拟地必须连接到相同的直流电位，但可根据需要进行RF隔离。
9, 10	CLKN, CLKP	负CLK输入，正CLK输入，片上有50 Ω端接，最大为 +10 dBm。
15, 16	OUTP, OUTN	正T/H RF输出，负T/H RF输出，输出阻抗为50 Ω，标称直流共模输出电压为0 V，50 Ω负载阻抗可以是直流或交流耦合。
19, 21, 24, 封装底座	Vee	负模拟电源，总(Vee + VeeCLK)电流在 -4.75 V时为 -242 mA。
20	VccOB	50 Ω输出缓冲器电源，VccOB电流在2 V时为73 mA，用户可以通过在 +1 V至 +3 V范围内改变VccOB来调整输出共模电压，使Vocm~1/2(VccOB - 2)（直流耦合输出）。
22	VccOF	输出缓冲器电源，在2 V时需要40 mA的标称电流。
23	VccTH	T/H核心电源，在2 V时需要82 mA的标称电流。

十、评估PCB

评估PCB包含多种元件，如SRI K-连接器、SRI SMA-