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采用高輸入頻率(IF)的高速模擬-數字變換器(ADC)的系統，其設計一直被證明是一項具有挑戰性的任務(wù)。而變壓器的采用則使得這一任務(wù)變得更為困難，因為變壓器存在固有的非線(xiàn)性，這些非線(xiàn)性特性會(huì )造成性能難以達到標準。本文就高速分級比較(sub-ranging)ADC采用變壓器耦合前端設計時(shí)應該注意的問(wèn)題進(jìn)行了分類(lèi)說(shuō)明。 設計參數 在設計前端時(shí)有若干重要的參數需要予以考慮。 輸入阻抗是設計的特性阻抗。在大多數情況下它的量值為50Ω，但是某些設計也會(huì )要求采用其他阻抗值。變壓器本質(zhì)上是跨阻抗器件，因為在有必要時(shí)，它們也可以實(shí)現特性阻抗不同的電路間的耦合，從而讓總的系統負載得到充分的平衡。 帶寬是指系統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。 輸入驅動(dòng)電平是帶寬參數的函數，設定了特定應用所需要的系統增益。驅動(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到的參數之一。 電壓駐波比 (VSWR)則量度所關(guān)心的帶寬上被反射到負載中的功率大小。該參數設定了用于實(shí)現ADC的滿(mǎn)度輸入時(shí)所需要的輸入驅動(dòng)電平。 通帶平坦度是在規定的帶寬內性能發(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,對于總系統的設定來(lái)說(shuō)很關(guān)鍵。 信噪比 (SNR)是變換器所看到的信號與其自身噪聲間的相對關(guān)系。在前端中，SNR可能會(huì )由于帶寬、信號品質(zhì)(抖動(dòng))和增益方面的原因而變差。請記住，當信號被放大時(shí)，噪聲分量也會(huì )同時(shí)被放大。 無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍(Spurious Free Dynamic Range,SFDR)是滿(mǎn)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(xiàn)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(zhù)所需要的增益量的提升，匹配變得越來(lái)越困難，而非線(xiàn)性的變壓器的寄生分量(通�？杀灰暈橐环N3次諧波)卻會(huì )上升。 變壓器參數 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)變壓器的數據表中最為常見(jiàn)的量度指標參數，但它不應該成為設計中唯一考慮的指標。 回波損耗是指變壓器的次級端接時(shí)其原級一側所看到的變壓器。例如，理想的1:2阻抗變換器在次級端接有100Ω阻抗時(shí)，在原級所反映出來(lái)的阻抗為 50Ω。不過(guò)，這并不總是成立，因為原邊所反映出的阻抗將隨著(zhù)頻率的變化而變化。隨著(zhù)阻抗比的增加，回波損耗也會(huì )發(fā)生相應的變化。 幅相不平衡性是考察變壓器的一個(gè)關(guān)鍵的性能特性。設計需要采用100MHz以上的IF頻率時(shí)，這兩個(gè)規范可以讓設計者了解可能遇上多大的非線(xiàn)性。隨著(zhù)頻率的增加，變壓器的非線(xiàn)性也在增加。相位的非平衡往往是主要的不平衡性，相應會(huì )帶來(lái)偶數階次的失真，或者二次諧波的增加。 ADC 參數 ADC可以分為兩種類(lèi)型：帶有緩沖的和不帶緩沖的。無(wú)緩沖ADC的功耗往往要遠大于緩沖ADC,但是緩沖ADC更容易驅動(dòng)。 開(kāi)關(guān)電容ADC是一種無(wú)緩沖的ADC的一個(gè)具體例子。前端設計則直接與ADC內部的采樣-保持電路(SAH)網(wǎng)絡(luò )相連接。這就帶來(lái)了兩個(gè)問(wèn)題：一是 ADC的輸入阻抗會(huì )隨著(zhù)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(lái)濾波器穩態(tài)建立(filter settling)方面的問(wèn)題。 帶有緩沖的ADC的理解和使用最為方便。通過(guò)采用能夠抑制電荷注入帶來(lái)的尖峰的隔離緩沖器，可以顯著(zhù)降低開(kāi)關(guān)的瞬態(tài)。與開(kāi)關(guān)電容ADC中的情形不同，輸入的端接特性在整個(gè)規定的ADC帶寬上不會(huì )隨著(zhù)模擬輸入頻率的不同而發(fā)生變化，恰當的驅動(dòng)電路的選擇將變得更為方便。帶緩沖的輸入級的不利之處，就在于會(huì )使得ADC消耗更多的功率。 設計示例 下面給出了基帶和IF應用的設計實(shí)例，分別如圖1和2所示。 在基帶應用中，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。往往一、兩個(gè)小量值的、用于衰減電荷注入效應的串聯(lián)電阻外加簡(jiǎn)單的差分輸入電容就夠用了。這樣一來(lái)，就只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的濾波器，來(lái)衰減寬帶噪聲，以獲得最優(yōu)的性能。 圖1 無(wú)緩沖的(開(kāi)關(guān)電容式)ADC示例 高頻應用則需要設計者作出更多一些的思考。要優(yōu)化輸入的匹配，就需要通過(guò)前端跟蹤模式阻抗的匹配來(lái)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。 總之，對輸入進(jìn)行匹配可以給出良好的帶寬、增益平坦度(功率驅動(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的基帶應用同樣使用一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )，類(lèi)似于開(kāi)關(guān)電容ADC的配置。請注意，應對副邊進(jìn)行端接來(lái)將其與原邊的輸入相匹配。 在圖2中，針對高IF應用使用了雙balun(平衡/非平衡轉換)。這就使得輸入在高達300MHz的范圍內能得到很好的保持平衡，讓二階失真始終最小化。 小結 設計中必須考慮多種參數，以實(shí)現最佳的性能。變壓器千差萬(wàn)別。設計者若能理解特定的變壓器性能參數，并向制造商咨詢(xún)沒(méi)有給出的參數，就能夠更好預測出其設計的特性。高IF設計對于變壓器的相位非平衡性很敏感;因此這些設計可能需要兩個(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，相應的設計也更為困難。為了優(yōu)化設計，輸入應該實(shí)現跟蹤匹配。使用磁珠或者低Q的電感來(lái)消除開(kāi)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)現更為優(yōu)化的輸入匹配，并維持SFDR性能。緩沖的ADC的設計工作較為方便，即使在高IF下也是如此，但是它們的功耗更大。無(wú)論使用何種ADC類(lèi)型，基帶應用的設計工作最簡(jiǎn)單。 |
