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

　　前端電路的匹配（圖6）也可能具有不同的含義，取決于設(shè)計(jì)人員。根據(jù)定義，匹配只是表示前端網(wǎng)絡(luò)已確定某一等值源阻抗和負(fù)載阻抗（通常為50Ω）。 信號(hào)源和負(fù)載之間產(chǎn)生最大的信號(hào)功率傳輸，以最大限度減少各種反射。

圖6. 匹配不僅是定義源阻抗，而且要實(shí)現(xiàn)源阻抗和負(fù)載阻抗匹配。為了實(shí)現(xiàn)最大信號(hào)功率傳輸，需針對(duì)目標(biāo)頻帶進(jìn)行優(yōu)化(b)。

　　通常采取復(fù)雜的共軛匹配方式，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器的內(nèi)部輸入阻抗復(fù)雜，前端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的變壓器也不理想。信號(hào)源確定為前端網(wǎng)絡(luò)的前一級(jí)。負(fù)載包括前端網(wǎng)絡(luò)。這包括變壓器、變壓器副邊端接和轉(zhuǎn)換器模擬輸入之間的端接或?yàn)V波，以及轉(zhuǎn)換器的復(fù)雜輸入阻抗。

　　匹配也涉及到帶寬。隨著帶寬在前端電路滾降，出現(xiàn)等值源阻抗和負(fù)載阻抗開(kāi)始分離的良好跡象。預(yù)期帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)前端電路匹配，需要考慮多種規(guī)格才能確保性能不變，不僅涉及動(dòng)態(tài)性能，即信噪比（SNR），而且還有無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）。這在高頻時(shí)特別重要，如前所述，前端電路往往會(huì)快速滾降。

　　特殊的前端電路設(shè)計(jì)為具有10至70MHz的通帶區(qū)，使用阻抗比為1:9的變壓器，并配置250MHz的帶寬。通過(guò)各種折衷手段，可以運(yùn)用不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的邊界條件。常常只有一個(gè)設(shè)計(jì)可行或成為最佳選擇。該例中選中REVL，因?yàn)镽EVL對(duì)于設(shè)計(jì)要求的各種規(guī)格“匹配性”最佳。該設(shè)計(jì)也滿足超過(guò)85dB的動(dòng)態(tài)雜散性能。同時(shí)具有整個(gè)目標(biāo)頻帶內(nèi)最好的輸入阻抗匹配，允許92％的信號(hào)功率轉(zhuǎn)移到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并保持低于1dB的通帶平坦度。
“匹配”有時(shí)可能并不嚴(yán)格。但是，匹配后，前端網(wǎng)絡(luò)確定的一些性能參數(shù)在目標(biāo)頻帶內(nèi)確實(shí)得到了優(yōu)化。

　　布局也是變量，可能會(huì)破壞任何前端設(shè)計(jì)，特別是高頻段的前端設(shè)計(jì)。不當(dāng)布局會(huì)弄亂前端設(shè)計(jì)，造成意想不到的后果。定義前端設(shè)計(jì)時(shí)，不要一下子放棄所有辛苦得到的設(shè)計(jì)成果。花點(diǎn)時(shí)間保持良好對(duì)稱的布局。

　　如上例所述，使用多個(gè)級(jí)聯(lián)變壓器（圖7）可以抑制偶次諧波失真。這兩個(gè)布局圖描繪出ADC前端使用兩個(gè)變壓器布局之間的微小差異。但是，布局（b）在寬頻率帶運(yùn)行得更好。布局更對(duì)稱，使返回電流或接地基準(zhǔn)趨于正常。

圖7. 相同的級(jí)聯(lián)變壓器(a) 會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，具體取決于PCB (b和 c)走線的對(duì)稱情況。

　　快速傅立葉變換（FFT）性能曲線圖（圖8）驗(yàn)證了16位125MSps雙通道ADC-- AD9268的測(cè)量值。使用對(duì)稱布局，得到圖8a 。在-1dBFS下施加140MHz中頻信號(hào)，可產(chǎn)生85dB二次諧波。圖8b 顯示同樣條件下非對(duì)稱布局的性能。二次諧波的測(cè)量值為79.5dB，性能損失大于5dB！

圖8. 圖7 (b)中上部變壓器的輸出布局更對(duì)稱，產(chǎn)生的頻譜如左圖所示。

請(qǐng)注意，與右圖的非對(duì)稱設(shè)計(jì)相比，左圖的二次諧波降低5 dB。

　　鐵氧體與非鐵氧體

　　傳統(tǒng)上，線繞變壓器或鐵氧體變壓器一直是轉(zhuǎn)換器前端電路設(shè)計(jì)的解決方案，可以將信號(hào)鏈的最后一級(jí)單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，典型阻抗轉(zhuǎn)換比為1:2、1:1和1:4。頻率低于200MHz時(shí)，線繞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供良好的性能，表現(xiàn)出良好的均衡相位和幅度性能，以及較少的插入損耗和回波損耗。

　　但是，線繞巴倫也有一些缺點(diǎn)，最嚴(yán)重的問(wèn)題是較高頻率下性能降低。線繞巴倫基本上由集總元件組成，低頻率時(shí)運(yùn)行良好，但在較高的頻率下，隨著寄生效應(yīng)的影響越來(lái)越明顯，鐵氧體損耗逐漸增加，線繞巴倫的性能隨之降低。

　　根據(jù)定義，因?yàn)楣ぷ鞑ㄩL(zhǎng)可比得上組件的物理尺寸，所以不適合使用集總元件。然而，安倫公司提供的一系列巴倫，采用非鐵氧體耦合、微波帶狀線結(jié)構(gòu)，本身適合在更高的頻率，即200MHz以上使用。

　　這些巴倫采用耦合帶狀線設(shè)計(jì)，使用軟質(zhì)纖維板（聚四氟乙烯/聚四氟乙烯）材料作為電介質(zhì)。此類電介質(zhì)通常損耗低，在較高頻率下，其插入損耗能維持在最小值。此外，這種技術(shù)允許大量的電路集中封裝，盡可能縮減封裝尺寸，采用典型鐵氧體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可節(jié)約高達(dá)80％的空間。

　　不同于線繞巴倫，安倫公司的巴倫結(jié)構(gòu)（圖9）沒(méi)有采用鐵氧體材料。非鐵氧體變壓器技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是對(duì)更寬帶寬的差分阻抗變化不敏感，轉(zhuǎn)換器在采樣電路和保持電路間變動(dòng)，使用輸入阻抗有變化的無(wú)緩沖模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)這種現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。巴倫或變壓器部分對(duì)轉(zhuǎn)換器阻抗的敏感度可能表現(xiàn)為其性能退化。

圖9. 可以看出，采用相同的 125-Msps 轉(zhuǎn)換器AD9640，分別配以常見(jiàn)的鐵氧體巴倫和安倫公司帶狀線巴倫，通帶平坦度有明顯差異。

　　設(shè)計(jì)ADC前端的寬帶網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要選擇變壓器類型，收集所需的規(guī)格資料，以便選擇最佳應(yīng)用方案。選擇變壓器時(shí)要特別注意其不平衡性能。如以上拓?fù)鋱D所示，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可能需要兩三個(gè)變壓器。

　　如果需要額外的帶寬，可在變壓器副邊電路上使用一系列低Q電感或高頻鐵氧體磁珠。但記得要重新*估通帶平坦度，以確保處于控制中。整個(gè)通帶實(shí)現(xiàn)匹配可能不易做到。匹配實(shí)際上應(yīng)該包括優(yōu)化設(shè)計(jì)確定的所有規(guī)格，以獲得轉(zhuǎn)移到前端網(wǎng)絡(luò)的最大功率。

　　在布局方面，不要忽視前端的對(duì)稱性，或性能可能有所降低。最后還要注意，如今，其它可用的解決方案能夠解決一些最寬帶寬的應(yīng)用難題，改進(jìn)通帶平坦度和在更高頻率下的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)還可節(jié)省PCB空間。