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改善无源宽带 ADC 前端
网络的设计
作者:Rob Reeder
由于转换器技术的改进,准确高速解析极高中频(IFs)信号的要
求也随之提高。这带来了两大难题:一个是转换器设计本身,
另一个是将信号耦合到转换器的前端设计。即使转换器本身设
计出色,前端设计也必须能够确保信号质量。
高频高速转换器设计在众多应用都有涉及,无线基础设施和仪
器仪表更是推动了转换器的跨领域发展。这些应用需要 12 至
16 位分辨率的 100Msample / s+高速转换器。(“宽频带”表示
大于 100MHz 的信号带宽,频率范围为 1GHz 以上)。
前端设计背景知识
“前端”指网络或耦合电路(图 1),它把信号链(通常是放
大器、增益模块或调谐器)的最后一级与转换器的模拟输入相
连。假设前面的信号链电路都有适当的带宽,支持频率解析。
最后一级,或称前端电路,也需要有适当的带宽,但不限于此。
前端电路必须有高线性度,平衡性良好,并妥善地布设于印刷
电路板(PCB),以保持信号正常。否则转换器会拾取前端电路
产生的非线性信号,在目标频率中表现为失真和噪声。因此,
前端网络必须精心设计,才能满足任意高速、高分辨率转换器
的要求。
前端电路通常分为有源和无源两类。有源前端电路使用放大器
或“增益模块”将信号驱动到转换器的模拟输入。只要选择合
适的放大器,前端电路一般比较容易设计。但是,设计要求极
高频率时,放大器往往性能有限,其非线性度最多达到
200MHz。事实上,一些宽频带放大器的可用带宽大于 200MHz,
但通常功耗较高。
变压器:技术规格、拓扑结构和类型
变压器可采用通量耦合变压器拓扑结构,它本身就是交流耦
合,因为变压器隔离电流,不会传送直流电平。它能够快速轻
松地从单端电路转换至差分电路,成为转换器的通用模拟输入
接口。中心抽头变压器允许自由设置共模电平。这些优势组合
可减少前端设计所需元件数量,对最大程度地降低复杂性至关
重要。
使用中心抽头变压器时应格外谨慎。如果转换器电路的差分模
拟输入之间存在很大的不平衡性,大量的电流可能流经变压器
的中心抽头,可能会使核心电路产生饱和。例如,如果采用
VCM/CML 引脚来驱动变压器的中心抽头,可能会导致不稳
定,满量程模拟信号过驱转换器输入,从而开启防护二极管。
变压器还提供基本无噪声增益,这取决于设计师选择的匝数
比。理想状态下,信号增益等于变压器的匝数比。虽然电压增
益本身无噪声,不过使用具有电压增益的变压器的确能获取信
号噪声以及权衡带宽。
变压器可以简单地看作是具有标称增益的宽频带通带滤波器。
变压器增益越大,带宽越小。如今,很难找到 GHz 频带范围
内具有低插入损耗性能、阻抗比为 1:4 的变压器。
虽然变压器外观简单,但也不能低估。下面是与
理想变压器
(图 2a)
两端的电流和电压相关的几个简单公式。变压器升压
时,其阻抗负载会反射回输入端。
匝数比a = N1/N2 表示源边电压与副边电压的比率。副边电流
与源边电流的关系则相反(a = I2/I1),从副边反射回到源边的阻
抗比等于匝数比的平方(Z1/Z2 = a
2
)。变压器的信号增益可简单
地表示为 20 log (V2/V1) = 20 log/(Z2/Z1),所以电压增益为 3dB
的变压器,其阻抗比为 1:2。
一些偏离理想状态的固有和寄生特性会影响
变压器(图 2b)。
每一特性对变压器的频率响应和线性度具有一定的影响。依据
前端方案情况,这些特性偏离可能有助于提高性能,也可能会
阻碍性能。
图 2b不失为一个不错的方法,通过变压器建模可得
到带宽响应、插入损耗和回波损耗的一阶预期值。
变压器的线性模型更难构思和开发。了解铁氧体的线性度很重
要,开发此类模型时,仍然会出现一些未知情况。一些制造商
可能会通过网站或技术支持团队提供建模信息。如果使用硬件
执行模型分析,设计人员还需要网络分析仪和少量样本,才能
妥善完成所有测量。然而,这些方法除了能得到相位不平衡和
幅度不平衡数据,都没有考虑到线性度的各个方面,而线性通
常会引起偶次谐波失真。
实际上所有变压器都会有损耗,而且带宽受限制。鉴于以上的
寄生效应配置,变压器可视为宽频带带通滤波器,其带宽以
–3dB 带宽定义。大多数制造商以 1dB、2dB 和 3dB 带宽规定
变压器的频率响应。幅度响应伴随着相位特性。通常一款优秀
变压器在其频率带宽内的相位不平衡为 1%到 2%。
变压器的插入损耗,或指定频率范围内的损耗,是变压器数据
手册中最常见的测量规格。从源边端接中可见,回波损耗是指
变压器二次端接的有源阻抗不匹配。
举例来说,如果副边匝数与源边匝数之比的平方为 1:2,当副
边端接阻抗为 200Ω时,应该有 50Ω的阻抗将会反射到源边端
接。然而,这种关系并不准确。
例如,源边的反射阻抗随频率发生变化。首先,找出前端设计
的中心频率回波损耗。此例中频率为 110MHz。若假设为理想
变压器,Zo 值并非 50Ω。从公式 3 可看出,Zo 值要低些:
回波损耗(RL) =
–18.9 dB @ 110 MHz =
–20*log((50 – Zo)/(50 + Zo)) (1)