改善無(wú)源寬帶ADC前端網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

由于轉(zhuǎn)換器技術(shù)的改進(jìn)，準(zhǔn)確高速解析極高中頻信號(hào)的要求也隨之提高。這帶來(lái)了兩大難題：一個(gè)是轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)本身，另一個(gè)是將信號(hào)耦合到轉(zhuǎn)換器的前端設(shè)計(jì)。即使轉(zhuǎn)換器本身設(shè)計(jì)出色，前端設(shè)計(jì)也必須能夠確保信號(hào)質(zhì)量。

　　高頻高速轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)在眾多應(yīng)用都有涉及，無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施和儀器儀表更是推動(dòng)了轉(zhuǎn)換器的跨領(lǐng)域發(fā)展。這些應(yīng)用需要12至16位分辨率的100MSps+高速轉(zhuǎn)換器。（“寬頻帶”表示大于100MHz的信號(hào)帶寬，頻率范圍為1GHz以上）。

　　前端設(shè)計(jì)背景知識(shí)

　　“前端”指網(wǎng)絡(luò)或耦合電路（圖1），它把信號(hào)鏈（通常是放大器、增益模塊或調(diào)諧器）的最后一級(jí)與轉(zhuǎn)換器的模擬輸入相連。假設(shè)前面的信號(hào)鏈電路都有適當(dāng)?shù)膸挘С诸l率解析。

圖1. 在這里，前端是信號(hào)鏈的上一級(jí)與ADC輸入之間的耦合電路。

除了提供充足的帶寬，它還需要高線性度、良好的平衡和適當(dāng)?shù)牟季帧?/p>

　　最后一級(jí)，或稱(chēng)前端電路，也需要有適當(dāng)?shù)膸?，但不限于此。前端電路必須有高線性度，平衡性良好，并妥善地布設(shè)于印刷電路板（PCB），以保持信號(hào)正常。否則轉(zhuǎn)換器會(huì)拾取前端電路產(chǎn)生的非線性信號(hào)，在目標(biāo)頻率中表現(xiàn)為失真和噪聲。因此，前端網(wǎng)絡(luò)必須精心設(shè)計(jì)，才能滿(mǎn)足任意高速、高分辨率轉(zhuǎn)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(hào)驅(qū)動(dòng)到轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)。但是，設(shè)計(jì)要求極高頻率時(shí)，放大器往往性能有限，其非線性度最多達(dá)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(guī)格、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和類(lèi)型

　　變壓器可采用通量耦合變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它本身就是交流耦合，因?yàn)樽儔浩鞲綦x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(zhuǎn)換至差分電路，成為轉(zhuǎn)換器的通用模擬輸入接口。中心抽頭變壓器允許自由設(shè)置共模電平。這些優(yōu)勢(shì)組合可減少前端設(shè)計(jì)所需元件數(shù)量，對(duì)最大程度地降低復(fù)雜性至關(guān)重要。

　　使用中心抽頭變壓器時(shí)應(yīng)格外謹(jǐn)慎。如果轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)變壓器的中心抽頭，可能會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定，滿(mǎn)量程模擬信號(hào)過(guò)驅(qū)轉(zhuǎn)換器輸入，從而開(kāi)啟防護(hù)二極管。

　　變壓器還提供基本無(wú)噪聲增益，這取決于設(shè)計(jì)師選擇的匝數(shù)比。理想狀態(tài)下，信號(hào)增益等于變壓器的匝數(shù)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(hào)噪聲以及權(quán)衡帶寬。

　　變壓器可以簡(jiǎn)單地看作是具有標(biāo)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(nèi)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(fù)載會(huì)反射回輸入端。

　　匝數(shù)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(shù)比的平方（Z1/Z2 = a2）。變壓器的信號(hào)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(duì)變壓器的頻率響應(yīng)和線性度具有一定的影響。依據(jù)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(cuò)的方法，通過(guò)變壓器建?？傻玫綆掜憫?yīng)、插入損耗和回波損耗的一階預(yù)期值。

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

　變壓器的線性模型更難構(gòu)思和開(kāi)發(fā)。了解鐵氧體的線性度很重要，開(kāi)發(fā)此類(lèi)模型時(shí)，仍然會(huì)出現(xiàn)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(tuán)隊(duì)提供建模信息。如果使用硬件執(zhí)行模型分析，設(shè)計(jì)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(cè)量。然而，這些方法除了能得到相位不平衡和幅度不平衡數(shù)據(jù)，都沒(méi)有考慮到線性度的各個(gè)方面，而線性通常會(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?guī)捠芟拗?。鑒于以上的寄生效應(yīng)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(shù)制造商以1dB、2dB 和3dB帶寬規(guī)定變壓器的頻率響應(yīng)。幅度響應(yīng)伴隨著相位特性。通常一款優(yōu)秀變壓器在其頻率帶寬內(nèi)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(nèi)的損耗，是變壓器數(shù)據(jù)手冊(cè)中最常見(jiàn)的測(cè)量規(guī)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(shù)與原邊匝數(shù)之比的平方為1:2，當(dāng)副邊端接阻抗為200Ω時(shí)，應(yīng)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(zhǔn)確。