改善無(wú)源寬帶ADC前端網(wǎng)絡(luò )的設計

由于轉換器技術(shù)的改進(jìn)，準確高速解析極高中頻信號的要求也隨之提高。這帶來(lái)了兩大難題：一個(gè)是轉換器設計本身，另一個(gè)是將信號耦合到轉換器的前端設計。即使轉換器本身設計出色，前端設計也必須能夠確保信號質(zhì)量。

　　高頻高速轉換器設計在眾多應用都有涉及，無(wú)線(xiàn)基礎設施和儀器儀表更是推動(dòng)了轉換器的跨領(lǐng)域發(fā)展。這些應用需要12至16位分辨率的100MSps+高速轉換器。（“寬頻帶”表示大于100MHz的信號帶寬，頻率范圍為1GHz以上）。

　　前端設計背景知識

　　“前端”指網(wǎng)絡(luò )或耦合電路（圖1），它把信號鏈（通常是放大器、增益模塊或調諧器）的最后一級與轉換器的模擬輸入相連。假設前面的信號鏈電路都有適當的帶寬，支持頻率解析。

圖1. 在這里，前端是信號鏈的上一級與ADC輸入之間的耦合電路。

除了提供充足的帶寬，它還需要高線(xiàn)性度、良好的平衡和適當的布局。

　　最后一級，或稱(chēng)前端電路，也需要有適當的帶寬，但不限于此。前端電路必須有高線(xiàn)性度，平衡性良好，并妥善地布設于印刷電路板（PCB），以保持信號正常。否則轉換器會(huì )拾取前端電路產(chǎn)生的非線(xiàn)性信號，在目標頻率中表現為失真和噪聲。因此，前端網(wǎng)絡(luò )必須精心設計，才能滿(mǎn)足任意高速、高分辨率轉換器的要求?！?/p>

　 前端電路通常分為有源和無(wú)源兩類(lèi)。有源前端電路使用放大器或“增益模塊”將信號驅動(dòng)到轉換器的模擬輸入。只要選擇合適的放大器，前端電路一般比較容易設計。但是，設計要求極高頻率時(shí)，放大器往往性能有限，其非線(xiàn)性度最多達到200MHz。事實(shí)上，一些寬頻帶放大器的可用帶寬大于200MHz，但通常功耗較高。

　　變壓器：技術(shù)規格、拓撲結構和類(lèi)型

　　變壓器可采用通量耦合變壓器拓撲結構，它本身就是交流耦合，因為變壓器隔離電流，不會(huì )傳送直流電平。它能夠快速輕松地從單端電路轉換至差分電路，成為轉換器的通用模擬輸入接口。中心抽頭變壓器允許自由設置共模電平。這些優(yōu)勢組合可減少前端設計所需元件數量，對最大程度地降低復雜性至關(guān)重要。

　　使用中心抽頭變壓器時(shí)應格外謹慎。如果轉換器電路的差分模擬輸入之間存在很大的不平衡性，大量的電流可能流經(jīng)變壓器的中心抽頭，可能會(huì )使核心電路產(chǎn)生飽和。例如，如果采用VCM/CML引腳來(lái)驅動(dòng)變壓器的中心抽頭，可能會(huì )導致不穩定，滿(mǎn)量程模擬信號過(guò)驅轉換器輸入，從而開(kāi)啟防護二極管。

　　變壓器還提供基本無(wú)噪聲增益，這取決于設計師選擇的匝數比。理想狀態(tài)下，信號增益等于變壓器的匝數比。雖然電壓增益本身無(wú)噪聲，不過(guò)使用具有電壓增益的變壓器的確能獲取信號噪聲以及權衡帶寬。

　　變壓器可以簡(jiǎn)單地看作是具有標稱(chēng)增益的寬頻帶通帶濾波器。變壓器增益越大，帶寬越小。如今，很難找到GHz頻帶范圍內具有低插入損耗性能、阻抗比為1:4的變壓器。

　雖然變壓器外觀(guān)簡(jiǎn)單，但也不能低估。下面是與理想變壓器（圖2a）兩端的電流和電壓相關(guān)的幾個(gè)簡(jiǎn)單公式。變壓器升壓時(shí)，其阻抗負載會(huì )反射回輸入端。

　　匝數比 a = N1/N2表示原邊電壓與副邊電壓的比率。副邊電流與原邊電流的關(guān)系則相反（a = I2/I1），從副邊反射回到原邊的阻抗比等于匝數比的平方（Z1/Z2 = a2）。變壓器的信號增益可簡(jiǎn)單地表示為20 log (V2/V1) = 20 log/(Z2/Z1)，所以電壓增益為3dB的變壓器，其阻抗比為1:2。

　　一些偏離理想狀態(tài)的固有和寄生特性會(huì )影響變壓器（圖2b）。每一特性對變壓器的頻率響應和線(xiàn)性度具有一定的影響。依據前端方案情況，這些特性偏離可能有助于提高性能，也可能會(huì )阻礙性能。圖2b不失為一個(gè)不錯的方法，通過(guò)變壓器建?？傻玫綆掜憫?、插入損耗和回波損耗的一階預期值。

圖2. 理想變壓器及其關(guān)系式(a)非常直觀(guān)。但在建立實(shí)際變壓器的頻率響應和線(xiàn)性度(b)時(shí)，自身及寄生特性會(huì )偏離理想狀態(tài)。

　變壓器的線(xiàn)性模型更難構思和開(kāi)發(fā)。了解鐵氧體的線(xiàn)性度很重要，開(kāi)發(fā)此類(lèi)模型時(shí)，仍然會(huì )出現一些未知情況。一些制造商可能會(huì )通過(guò)網(wǎng)站或技術(shù)支持團隊提供建模信息。如果使用硬件執行模型分析，設計人員還需要網(wǎng)絡(luò )分析儀和少量樣本，才能妥善完成所有測量。然而，這些方法除了能得到相位不平衡和幅度不平衡數據，都沒(méi)有考慮到線(xiàn)性度的各個(gè)方面，而線(xiàn)性通常會(huì )引起偶次諧波失真?！?/p>

實(shí)際上所有變壓器都會(huì )有損耗，而且帶寬受限制。鑒于以上的寄生效應配置，變壓器可視為寬頻帶帶通濾波器，其帶寬以–3dB帶寬定義。大多數制造商以1dB、2dB 和3dB帶寬規定變壓器的頻率響應。幅度響應伴隨著(zhù)相位特性。通常一款優(yōu)秀變壓器在其頻率帶寬內的相位不平衡為1％到2％。

　　變壓器的插入損耗，或指定頻率范圍內的損耗，是變壓器數據手冊中最常見(jiàn)的測量規格。從原邊端接中可見(jiàn)，回波損耗是指變壓器二次端接的有源阻抗不匹配。舉例來(lái)說(shuō)，如果副邊匝數與原邊匝數之比的平方為1:2，當副邊端接阻抗為200Ω時(shí)，應該有50Ω的阻抗將會(huì )反射到原邊端接。然而，這種關(guān)系并不準確。