如何為ADC轉換器設計變壓器耦合型前端

　　前言

　　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。