如何為ADC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)變壓器耦合型前端

　　前言

　　采用高輸入頻率(IF)的高速模擬-數(shù)字變換器(ADC)的系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)一直被證明是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。而變壓器的采用則使得這一任務(wù)變得更為困難，因?yàn)樽儔浩鞔嬖诠逃械姆蔷€性，這些非線性特性會(huì)造成性能難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。本文就高速分級(jí)比較(sub-ranging)ADC采用變壓器耦合前端設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的問題進(jìn)行了分類說明。

　　設(shè)計(jì)參數(shù)

　　在設(shè)計(jì)前端時(shí)有若干重要的參數(shù)需要予以考慮。

　　輸入阻抗是設(shè)計(jì)的特性阻抗。在大多數(shù)情況下它的量值為50Ω，但是某些設(shè)計(jì)也會(huì)要求采用其他阻抗值。變壓器本質(zhì)上是跨阻抗器件，因?yàn)樵谟斜匾獣r(shí)，它們也可以實(shí)現(xiàn)特性阻抗不同的電路間的耦合，從而讓總的系統(tǒng)負(fù)載得到充分的平衡。

　　帶寬是指系統(tǒng)所使用的頻率的范圍。這寬度可窄可寬，分布在基帶上(第一Nyquist 頻率)，或者覆蓋多個(gè)Nyquist 區(qū)。

　　輸入驅(qū)動(dòng)電平是帶寬參數(shù)的函數(shù)，設(shè)定了特定應(yīng)用所需要的系統(tǒng)增益。驅(qū)動(dòng)電平在很大程度上取決于所采用的前端元件，如濾波器和變壓器，這方面的要求有可能成為最難達(dá)到的參數(shù)之一。

　　電壓駐波比 (VSWR)則量度所關(guān)心的帶寬上被反射到負(fù)載中的功率大小。該參數(shù)設(shè)定了用于實(shí)現(xiàn)ADC的滿度輸入時(shí)所需要的輸入驅(qū)動(dòng)電平。

　　通帶平坦度是在規(guī)定的帶寬內(nèi)性能發(fā)生波動(dòng)的大小。這可能是由于紋波的影響或者一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波器的很緩慢的滾降特性所造成的。通帶平坦度往往小于或者等于1dB,對(duì)于總系統(tǒng)的設(shè)定來說很關(guān)鍵。

　　信噪比 (SNR)是變換器所看到的信號(hào)與其自身噪聲間的相對(duì)關(guān)系。在前端中，SNR可能會(huì)由于帶寬、信號(hào)品質(zhì)(抖動(dòng))和增益方面的原因而變差。請(qǐng)記住，當(dāng)信號(hào)被放大時(shí)，噪聲分量也會(huì)同時(shí)被放大。

　　無寄生動(dòng)態(tài)范圍(Spurious Free Dynamic Range,SFDR)是滿量度rms值與峰值寄生頻譜分量的rms值之比。這主要是由于前端的兩個(gè)特性所造成的，第一種特性是變壓器的線性度，或者平衡品質(zhì)，后者與二次諧波失真有關(guān);第二種特性是增益和輸入間的匹配關(guān)系。隨著所需要的增益量的提升，匹配變得越來越困難，而非線性的變壓器的寄生分量(通常可被視為一種3次諧波)卻會(huì)上升。

　　變壓器參數(shù)

　　變壓器可以被簡(jiǎn)單地視為一種帶通濾波器。

　　插入損耗 ,表示變壓器在特定的頻率上的損耗量，是一個(gè)變壓器的數(shù)據(jù)表中最為常見的量度指標(biāo)參數(shù)，但它不應(yīng)該成為設(shè)計(jì)中唯一考慮的指標(biāo)。

　　回波損耗是指變壓器的次級(jí)端接時(shí)其原級(jí)一側(cè)所看到的變壓器。例如，理想的1:2阻抗變換器在次級(jí)端接有100Ω阻抗時(shí)，在原級(jí)所反映出來的阻抗為 50Ω。不過，這并不總是成立，因?yàn)樵吽从吵龅淖杩箤㈦S著頻率的變化而變化。隨著阻抗比的增加，回波損耗也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。

　　幅相不平衡性是考察變壓器的一個(gè)關(guān)鍵的性能特性。設(shè)計(jì)需要采用100MHz以上的IF頻率時(shí)，這兩個(gè)規(guī)范可以讓設(shè)計(jì)者了解可能遇上多大的非線性。隨著頻率的增加，變壓器的非線性也在增加。相位的非平衡往往是主要的不平衡性，相應(yīng)會(huì)帶來偶數(shù)階次的失真，或者二次諧波的增加。

　　ADC 參數(shù)

　　ADC可以分為兩種類型：帶有緩沖的和不帶緩沖的。無緩沖ADC的功耗往往要遠(yuǎn)大于緩沖ADC,但是緩沖ADC更容易驅(qū)動(dòng)。

　　開關(guān)電容ADC是一種無緩沖的ADC的一個(gè)具體例子。前端設(shè)計(jì)則直接與ADC內(nèi)部的采樣-保持電路(SAH)網(wǎng)絡(luò)相連接。這就帶來了兩個(gè)問題：一是 ADC的輸入阻抗會(huì)隨著時(shí)間和模式不同而發(fā)生變化;第二種則是電荷注入，它會(huì)反映到ADC的模擬輸入上，這會(huì)帶來濾波器穩(wěn)態(tài)建立(filter settling)方面的問題。

　　帶有緩沖的ADC的理解和使用最為方便。通過采用能夠抑制電荷注入帶來的尖峰的隔離緩沖器，可以顯著降低開關(guān)的瞬態(tài)。與開關(guān)電容ADC中的情形不同，輸入的端接特性在整個(gè)規(guī)定的ADC帶寬上不會(huì)隨著模擬輸入頻率的不同而發(fā)生變化，恰當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電路的選擇將變得更為方便。帶緩沖的輸入級(jí)的不利之處，就在于會(huì)使得ADC消耗更多的功率。

　　設(shè)計(jì)示例

　　下面給出了基帶和IF應(yīng)用的設(shè)計(jì)實(shí)例，分別如圖1和2所示。

　　在基帶應(yīng)用中，ADC的輸入阻抗一般都很高，因此輸入的匹配的重要性較低，而且也更容易實(shí)現(xiàn)。往往一、兩個(gè)小量值的、用于衰減電荷注入效應(yīng)的串聯(lián)電阻外加簡(jiǎn)單的差分輸入電容就夠用了。這樣一來，就只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的濾波器，來衰減寬帶噪聲，以獲得最優(yōu)的性能。[!--empirenews.page--]

　　圖1 無緩沖的(開關(guān)電容式)ADC示例

　　高頻應(yīng)用則需要設(shè)計(jì)者作出更多一些的思考。要優(yōu)化輸入的匹配，就需要通過前端跟蹤模式阻抗的匹配來讓輸入的阻抗盡可能呈阻性。使用串連或者并聯(lián)的電感或者鐵氧體磁珠(在圖中示出的是前者)，可以消除“電容”項(xiàng)。www.analog.com 網(wǎng)站上的各ADC產(chǎn)品網(wǎng)頁中所提供的數(shù)據(jù)表，示出了無緩沖的ADC在多種頻率上的特性。只需點(diǎn)擊產(chǎn)品網(wǎng)頁上的Evaluation Board鏈接，就可以選中給出特性阻抗的Excel電子表格。

　　總之，對(duì)輸入進(jìn)行匹配可以給出良好的帶寬、增益平坦度(功率驅(qū)動(dòng)的變化更小)和更為出色的性能(SFDR)。

　　圖2 帶緩沖的ADC示例

　　帶緩沖的ADC的基帶應(yīng)用同樣使用一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，類似于開關(guān)電容ADC的配置。請(qǐng)注意，應(yīng)對(duì)副邊進(jìn)行端接來將其與原邊的輸入相匹配。

　　在圖2中，針對(duì)高IF應(yīng)用使用了雙balun(平衡/非平衡轉(zhuǎn)換)。這就使得輸入在高達(dá)300MHz的范圍內(nèi)能得到很好的保持平衡，讓二階失真始終最小化。

　　小結(jié)

　　設(shè)計(jì)中必須考慮多種參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能。變壓器千差萬別。設(shè)計(jì)者若能理解特定的變壓器性能參數(shù)，并向制造商咨詢沒有給出的參數(shù)，就能夠更好預(yù)測(cè)出其設(shè)計(jì)的特性。高IF設(shè)計(jì)對(duì)于變壓器的相位非平衡性很敏感;因此這些設(shè)計(jì)可能需要兩個(gè)變壓器或者balun。

　　了解所采用的ADC是屬于緩沖型還是非緩沖型也很重要。不帶緩沖的ADC的輸入阻抗是隨時(shí)間而變化的，在高IF情況下，相應(yīng)的設(shè)計(jì)也更為困難。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，輸入應(yīng)該實(shí)現(xiàn)跟蹤匹配。使用磁珠或者低Q的電感來消除開關(guān)電容ADC的輸入電容分量。這可以最大限度地提高輸入帶寬，實(shí)現(xiàn)更為優(yōu)化的輸入匹配，并維持SFDR性能。緩沖的ADC的設(shè)計(jì)工作較為方便，即使在高IF下也是如此，但是它們的功耗更大。無論使用何種ADC類型，基帶應(yīng)用的設(shè)計(jì)工作最簡(jiǎn)單。