深入解析HMC760LC4B宽带4 GS/s跟踪保持放大器

在微波数据转换应用领域，HMC760LC4B宽带4 GS/s跟踪保持放大器凭借其卓越的性能，成为众多工程师的首选。本文将深入剖析这款放大器的各项特性、应用场景以及使用注意事项。

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一、典型应用场景

HMC760LC4B适用于多种领域，包括但不限于：

• RF ATE应用：在射频自动测试设备中，对信号的精确采样和处理至关重要，HMC760LC4B的高性能能够满足测试的高精度要求。
• 数字采样示波器：为示波器提供高速、准确的信号采样，确保能够捕捉到快速变化的信号细节。
• RF解调系统：在射频解调过程中，有效处理宽带信号，提高解调的准确性。
• 数字接收系统：增强接收系统对宽带信号的处理能力，提升接收性能。
• 高速峰值检测器：快速准确地检测信号的峰值，为后续处理提供关键数据。
• 软件定义无线电：适应软件定义无线电的灵活性需求，支持多种信号处理模式。
• 雷达、ECM与ELINT系统：在雷达等系统中，保证对高速信号的精确采样和处理，提高系统的性能和可靠性。
• 高速DAC去毛刺：有效去除高速数模转换器输出信号中的毛刺，提高信号质量。

二、关键特性

带宽与采样率

• 输入带宽：具备5 GHz的输入带宽（1 Vp-p满量程），能够处理从直流到5 GHz的宽带信号，为高速信号处理提供了广阔的空间。
• 采样率：最大采样率可达4 GS/s，能够快速准确地对信号进行采样，满足高速数据采集的需求。

动态范围

• 无杂散动态范围（SFDR）：在不同输入条件下表现出色。例如，在0 - 5 GHz、0.5 Vp-p输入且时钟频率为1 GS/s时，SFDR ≥ 66 dB；在0 - 5 GHz、1 Vp-p输入且时钟频率为1 GS/s时，SFDR ≥ 56 dB。高SFDR意味着信号中的杂散成分较少，能够更好地还原原始信号。

输出特性

• 直接耦合I/O：方便与其他设备进行连接，减少信号传输过程中的损耗和干扰。
• 超净输出波形：输出波形干净，最小化毛刺，保证了信号的质量。
• 高保持模式馈通抑制：>60 dB的保持模式馈通抑制，有效减少了在保持模式下信号的泄漏，提高了信号的稳定性。
• 低输出噪声：0.9 mV RMS的保持模式输出噪声，降低了噪声对信号的干扰，提高了系统的信噪比。

封装与兼容性

采用RoHS合规的4x4 mm SMT封装，体积小巧，便于集成到各种电路板中。

三、电气规格

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，确保信号输入的稳定性。
• 回波损耗：在0 - 6 GHz范围内，回波损耗为19 dB，减少了信号反射，提高了信号传输的效率。
• 输入共模电压：范围在 -0.1 V至0.1 V之间，保证了输入信号的稳定性。

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 - -20 mV。
• 幅度（正弦输入）：每个端口的幅度范围为 -6 - 10 dBm。
• 输入共模电压：范围在 -0.5 V至0.5 V之间。
• 时钟压摆率：推荐为2 - 4 V/ns，以获得最佳线性度。
• 回波损耗：在0 - 5 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。

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，确保信号输出的匹配。
• 回波损耗：在0 - 5 GHz范围内，回波损耗为14 dB。

跟踪模式动态特性

• 基带增益：范围为 -1.5 - 0.5 dB。
• 跟踪模式带宽：在1 Vp-p输入时为4 GHz。
• 集成噪声：为0.7 mV RMS。

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5 GHz。
• 差分下垂率（线性分量）：为 -1.3 %/ns。
• 差分下垂率幅度（固定分量）：为2 mV/ns。
• 馈通抑制：在3 GHz时 ≥ 60 dB。
• 集成噪声：在500 MHz时钟频率下为0.86 mV RMS。
• 最大保持时间：为2 ns。
• 单音THD/SFDR：在不同频率和输入电平下有不同的表现，如在0.995 GHz、全量程输入（1 Vp-p）时为 -57 / 57 dB。

跟踪到保持和保持到跟踪切换

• 孔径延迟：模拟值为 -6 ps。
• 随机孔径抖动：在全量程输入@1 GHz时 <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0.15 %。
• 差分基座幅度（固定分量）：为1.6 mV。
• 时钟频率：在50%占空比下范围为250 - 4000 MHz。
• 时钟缓冲器流水线延迟：模拟值为35 ps。
• 采集时间到1 mV：模拟值为290 ps。
• 建立时间到1 mV：模拟值为116 ps。

电源要求

• VccTH电压：范围为1.9 - 2.1 V，电流为62 mA。
• VccOF电压：范围为1.9 - 2.1 V，电流为39 mA。
• VccOB电压：范围为1.9 - 2.1 V，电流为72 mA。
• VccCLK电压：范围为1.9 - 2.1 V，电流为25 mA。
• Vee电压：范围为 -5 - -4.5 V，(Vee + VeeCLK)电流为 -216 mA。
• 功耗：为1.42 W。

四、规格定义

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到保持节点的群延迟之间的差值。如果输入信号到保持节点的群延迟超过时钟延迟，该值可能为负。

孔径抖动

采样时刻的时间标准差，反映了采样时间的稳定性。

采集时间

内部保持到跟踪转换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流水线延迟。

差分基座

由采样转换期间T/H开关中的电荷再分配引起的采样值中的一个分量，通常可以近似为 (P = P0 + P{lin}V_{in})，其中 (P0) 是固定基座分量，(P{lin}) 是线性基座分量，(V_{in}) 是采样信号电平。

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，可以近似为 (D = D0 + D{lin}V_{in})，其中 (D0) 是固定分量，(D{lin}) 是线性下垂常数，(V_{in}) 是采样信号电平。

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。

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。

采样带宽

由保持样本幅度表示的采样信号电平的 -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限效应。

建立时间

内部跟踪 - 保持转换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流水线延迟，但包括输出放大器的群延迟。

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），可针对全量程输入和部分全量程输入进行指定。

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

一般应用

HMC760LC4B宽带单级T/H放大器非常适合用于需要最大采样带宽、极宽带宽内的高线性度和低噪声的微波数据转换应用。其关键应用之一是高速A/D转换器的前端采样，以增强其输入带宽和/或高频线性度。

ESD保护

虽然芯片上集成了ESD保护网络，但RF/微波兼容接口提供的保护有限，因此在使用时应采取ESD预防措施。

电源排序

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

输入信号驱动

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

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/压摆率应与差分驱动推荐的全差分幅度/压摆率相似，未使用的输入应端接50 Ω。为了获得最佳线性度，建议时钟过零压摆率约为2 - 4 V/ns（每个时钟输入）或更高。

输出

为了获得最干净的输出波形，输出应采用差分检测。输出阻抗为50 Ω电阻，返回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。设备提供真正接地参考的共模输出，通常在 ±50 mV以内，但如果需要，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。

输出带宽与噪声优化

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略大。对于较低时钟速率（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

由于输出放大器带宽较宽，输出在时钟边缘会有非常尖锐的过渡。用户应注意，芯片输出与负载之间的任何显著长度的电缆都会导致频率响应滚降和色散，从而在输出波形进入负载的稳定过程中产生具有相对长的时间常数的低幅度尾部。因此，T/H与负载之间的输出电缆应具有非常高的质量，长度应在2英尺或更短。

反射问题

负载与设备之间的反射也会降低保持模式响应。可以通过调整输出电缆长度来在一定程度上最小化反射扰动。一般来说，电缆的往返传输时间应是时钟周期的整数倍，以在波形的保持模式部分获得最小的反射扰动。在A/D转换器应用中，T/H应尽可能靠近A/D转换器放置，以最小化T/H输出与A/D转换器输入之间路径上的反射影响。

六、线性度测量

测量难点

在表征T/H的线性度时，用户通常最关注保持样本的传递函数线性度（称为T/H模式线性度）。由于T/H模式线性度通常与跟踪模式线性度不同，对于单级T/H，必须选择性地测量模拟输出波形的保持部分的线性度，这对于高速T/H来说是一个独特的测量问题。

传统方法及局限性

传统方法是将两个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）的输出进行重新采样。但这种方法并非完美，因为第二个T/H会对整体线性度产生影响，特别是对于HMC760LC4B，在信号频率 < 5 GHz时，第二个T/H的直流线性度会显著影响整体双级配置的线性度。

改进方法

Hittite开发了一种改进的方法，即衰减双级技术。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 (A = 10 dB)。这种配置仍然输出一个双级波形，消除了跟踪模式分量，但信号进入第二级设备的衰减大大降低了其非线性产物对总频谱的贡献，使得第一级设备的线性度主导整体线性度。

输出波形频率响应校正

对于双级T/H，输出波形类似于方波，其频谱内容受到Sinc函数频率响应包络的加权。为了正确测量样本的线性度，需要对响应包络的影响进行校正，或者使用一种将相关非线性谐波产物外差到低频的测量方法，即低频拍频产物技术。Hittite使用低频和高频拍频产物方法来测量宽范围时钟和信号频率下的线性度。

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

HMC760LC4B采用4x4 mm SMT封装，封装主体材料为氧化铝（白色），引脚镀层为镍上镀金，MSL评级为MSL3，封装标记为H760 XXXX（XXXX为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，该地和时钟地必须连接到相同的直流电位，但如果需要可以彼此进行RF隔离。
3	INP	正T/H输入，具有片上直流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，具有片上直流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必须连接到相同的电位，在 -4.75 V时总(Vee + VeeCLK)标称电流为 -216 mA。
7	VccCLK	时钟缓冲器电源，在2 V时需要25 mA标称电流。
8, 11, 12	GNDc	时钟地，该地和模拟地必须连接到相同的直流电位，但如果需要可以彼此进行RF隔离。
9, 10	CLKN, CLKP	负CLK输入，正CLK输入，具有片上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，50 Ω输出阻抗，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，在 -4.75 V时总(Vee + VeeCLK)电流为 -216 mA。
20	VccOB	50 Ω输出缓冲器电源，在2 V时VccOB电流为72 mA，用户可以通过在 +1 V至 +3 V的范围内改变VccOB来调整