借助平衡和對稱(chēng)發(fā)揮 ADC最高性能

作者：Rob Reeder

在新的信號鏈和模數轉換器 (ADC)前端設計中，系統設計人員需要考慮許多前端拓撲結構和設計權衡因素。

這些權衡因素包括帶寬、輸入驅動(dòng)、阻抗和性能。拓撲結構也很重要，即選用放大器耦合輸入還是變壓器耦合輸入，還有 ADC架構是否采用緩沖。眾多論文都在探討如何權衡利弊，做出正確的選擇。

使用何種拓撲結構，以及優(yōu)先考慮哪些因素來(lái)構建所需的信號鏈和 ADC前端，應當由系統設計規格決定。即使設計選定以后，也不要把所有的努力白白扔掉。想一想，如果信號稍微不平衡，哪些因素會(huì )因此受到限制？不錯，一個(gè)主要的影響是動(dòng)態(tài)范圍會(huì )受限。

偶數階失真的產(chǎn)生或增大通常由一個(gè)或許多信號鏈不平衡因素決定。理想情況下，只要整個(gè)信號鏈和所用的器件保持完美對稱(chēng)，根本不會(huì )存在偶數階失真（二次、四次、六次諧波等）。

奇數階失真（三次、五次、七次諧波等）表現為各器件的非線(xiàn)性、裕量或所施加的偏置。如果不了解這些限制源于何處，即使您的設計仍然有效，但其性能水平如何就難說(shuō)了。

共模不平衡

接口之間的共模電壓?jiǎn)?wèn)題是引起偶數階失真的一些最常見(jiàn)因素。即使最后一級達到完美平衡，信號鏈更下游的共模電壓不平衡也會(huì )引起失真，最終影響到轉換器。

設計是直流耦合還是交流耦合并不重要。為了讓對稱(chēng)的差分信號進(jìn)入 ADC輸入端，每個(gè)接口級都需要穩定可靠的共模電壓。否則，轉換器的輸出頻譜就會(huì )超量程、欠量程或者看起來(lái)嘈雜不堪（這里假設您使用的是雙極性信號和單電源）。

元件不平衡

無(wú)源元件的容差也可能成為性能殺手。放大器反饋環(huán)路的求和節點(diǎn)以及放大器與轉換器之間的多極點(diǎn)抗混疊濾波器中可以看到這種現象。從下面的數學(xué)方程式就可以看出這種不匹配情況。

圖 1. RG和 RF容差不嚴密將導致共模電壓不匹配

如果 RG和 RF的元件容差不夠嚴密，那么就可能產(chǎn)生共模電壓不匹配（圖 1）。此處的任何不匹配都會(huì )導致求和節點(diǎn) VACM稍微不同，因為這些電阻會(huì )隨著(zhù)自身的容差、溫度變化和使用時(shí)間的增加而漂移。 VACM的不同將導致 VIP和 VIN在放大器的輸出端不同，從而產(chǎn)生二階失真。

為解決這個(gè)問(wèn)題，應確保元件容差非常低 (1%)。如果精度很重要，可以使用某些具有低 ppm漂移和嚴密漏電容差的專(zhuān)用電阻包。這是 ADI公司將匹配電阻增益網(wǎng)絡(luò )內置于高速放大器的原因之一。

元件保持低容差至關(guān)重要；當同時(shí)設計抗混疊濾波器時(shí)，可以看到偶數階失真的變化。在大多數通信應用中， ADC有一個(gè)窄帶寬(20 - 40 MHz)的多極點(diǎn)級聯(lián)濾波器，您可以想象構建這樣一個(gè)濾波器可能需要多少元件（差分濾波器需要 10個(gè)元件）。

顯然，元件越多，元件之間的容差變化和不匹配誤差就越大。電感是眾所周知的元兇，因此保持低容差非常重要。如果組裝車(chē)間的溫控技術(shù)不合適，電感還可能存在可焊性問(wèn)題。即使焊接接頭看起來(lái)很漂亮，平滑光亮，接觸不良有時(shí)也是罪魁禍首之一。

布局不平衡

如果在布局階段不小心，您的所有努力仍有可能化為烏有。整個(gè)信號鏈的布局都應保持嚴密和對稱(chēng)。如若不然，就會(huì )產(chǎn)生二階失真。例如，在用于幫助改善相位不平衡問(wèn)題的典型前端巴倫配置中，即使很微小的不匹配也可能導致性能明顯下降。

其它情況則是濾波器走線(xiàn)以及信號鏈相鄰元件間其它接口的不匹配。采用高中頻頻率時(shí)，布局應保持對稱(chēng)，但不要強迫 CAD操作員將所有都匹配到最精確的程度。

此外還應注意布局階段做出的任何取舍。否則，只要路徑不對稱(chēng)，無(wú)論是長(cháng)度不同還是寄生效應不同，都可能導致兩個(gè)差分信號在到達轉換器模擬輸入端時(shí)出現相位偏差。

ADC不平衡

轉換器本身對不平衡的耐受能力如何？整個(gè)信號鏈不可能做到完美平衡，因此轉換器能夠容忍多大的不平衡呢？確實(shí)，不可能將一切問(wèn)題都推給前端信號鏈元件來(lái)解決。一定會(huì )有某種程度的不平衡，無(wú)論它是源于元件容差、布局限制還是其它因素。但是，轉換器遇到這些不平衡時(shí)有多大的韌性？這種韌性對于失真是否意義重大？

我們在最近的測試中發(fā)現：通過(guò)聯(lián)鎖兩個(gè)獨立的信號源，我們可以使相位偏移若干度，以便測試 ADC對不平衡信號的耐受度。首先，執行這種測試的初衷不僅是要證明轉換器在整個(gè)頻率范圍內的表現，而且要了解 IC本身的布局能在多大程度上控制平衡。

隨著(zhù)頻率提高，一般趨勢是任何兩個(gè)信號都會(huì )不可避免地發(fā)生相位不平衡。因此，我們預期這種趨勢隨著(zhù)頻率提高會(huì )變得更差。其次，隨著(zhù)相位不平衡變得越來(lái)越大，偶數階失真會(huì )自動(dòng)增大。如果我們在測試中同時(shí)觀(guān)察這兩種趨勢，我們應當能看到一個(gè)斜坡?tīng)钋€(xiàn)（圖 2）。

圖 2. 隨著(zhù)頻率升高，兩個(gè) ADC信號間的相位不平衡會(huì )增大，且偶次諧波也增大

這說(shuō)明，在對轉換器性能有嚴重影響之前（ 5 dB）,任何信號不平衡對頻率范圍內的不匹配都有約 3°的耐受度但更高的不平衡會(huì )使性能迅速下降。此外，三階失真隨著(zhù)頻率增加而相對平坦，相位不平衡表現為強烈的不匹配。這再次印證了上述觀(guān)點(diǎn)：不平衡信號是偶數階失真的主要原因，但不是奇數階失真的主要原因。

總結

注意信號鏈設計的不平衡和對稱(chēng)有助于實(shí)現系統的最高性能。如果不仔細考慮布局布線(xiàn)、元件選擇并將共模電壓不匹配保持最低，系統性能就會(huì )受損，至少偶數階失真會(huì )增大。這時(shí)，轉換器可能仍然正常工作，不過(guò)只能發(fā)揮某種程度的效用。