ADI集成帶通濾波器的高中頻采樣接收機(jī)前端
電路功能與優(yōu)勢
圖1中的電路是基于 ADL5565 超低噪聲差分放大器驅(qū)動器和 AD9642 14位、250 MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的窄帶通接收機(jī)前端。
三階巴特沃茲抗混疊濾波器基于放大器和ADC的性能和接口要求而優(yōu)化。濾波器網(wǎng)絡(luò)和其它組件引起的總插入損耗僅有5.8 dB。
整體電路帶寬為18 MHz,通帶平坦度為3 dB。采用127 MHz模擬輸入時,測量得到信噪比(SNR)和無雜散動態(tài)范圍(SFDR)分別為71.7 dBFS和92 dBc。采樣頻率為205 MSPS,因此中頻輸入信號定位于102.5 MHz和205 MHz之間的第二奈奎斯特頻率區(qū)域。
電路描述
該電路接受單端輸入并使用寬帶寬(3 GHz) Mini-Circuits TC2-1T 1:2變壓器將其轉(zhuǎn)換為差分信號。6 GHz差分放大器 ADL5565 以6 dB的增益工作時,差分輸入阻抗為200 Ω;以12 dB的增益工作時,差分輸入阻抗為100 Ω。它還提供15.5 dB的增益選項。
ADL5565是 AD9642的理想驅(qū)動器,通過帶通濾波器可在ADC中實現(xiàn)全差分架構(gòu),提供良好的高頻共模抑制,同時將二階失真產(chǎn)物降至最低。根據(jù)輸入連接的不同,ADL5565提供6 dB或12 dB的增益。本電路使用12 dB的增益來補(bǔ)償濾波器網(wǎng)絡(luò)和變壓器的插入損耗(約5.8 dB),總信號增益為5.5 dB。
圖1. 14位、250 MSPS寬帶接收機(jī)前端(原理示意圖:未顯示所有連接和去耦)增益、損耗和信號電平在127 MHz輸入頻率下測得
1.5 dBm的輸入信號在ADC輸入端產(chǎn)生1.75 V p-p滿量程差分信號。
抗混疊濾波器是采用標(biāo)準(zhǔn)濾波器設(shè)計程序設(shè)計出的三階巴特沃茲濾波器。選擇巴特沃茲濾波器是因為它具有通帶平坦度。三階濾波器產(chǎn)生的交流噪聲帶寬噪聲比為1.05,可以借助多款免費(fèi)濾波器程序進(jìn)行設(shè)計,例如Nuhertz Technologies Filter Free或Quite Universal Circuit Simulator (Qucs) Free Simulation等。
為了實現(xiàn)最佳性能, ADL5565 應(yīng)載入200 Ω的凈差分負(fù)載。15 Ω串聯(lián)電阻將濾波器電容與放大器輸出隔離開,100 Ω電阻與下游阻抗并聯(lián),當(dāng)加入30 Ω串聯(lián)電阻時可產(chǎn)生217 Ω的凈負(fù)載阻抗。
5 Ω電阻與ADC輸入串聯(lián),將內(nèi)部開關(guān)瞬變與濾波器和放大器隔離開。
2.85 kΩ輸入阻抗由可通過 AD9642 網(wǎng)頁上下載的電子表格確定。只需使用目標(biāo)中頻頻率處于中心時的并聯(lián)跟蹤模式值。電子表格同時給出實值與虛值。
三階巴特沃茲濾波器采用源阻抗(差分)為200 Ω、負(fù)載阻抗(差分)為200 Ω、中心頻率為127 MHz和20 MHz的3 dB帶寬設(shè)計而成。標(biāo)準(zhǔn)濾波器設(shè)計程序計算出的值如圖1所示。由于需要較大的串聯(lián)電感,1.59 μH的電感被降為620 nH,并且0.987 pF的電容按比例提高到2.53 pF,因此保持127 MHz的諧振頻率不變,使元件值更真實。
圖2. 開始三階差分巴特沃茲濾波器的設(shè)計,ZS = 200 Ω,ZL = 200 Ω,F(xiàn)C = 127 MHz,BW = 20 MHz
第二并聯(lián)電容的值減去ADC的2.5 pF內(nèi)部電容,得到37.3 pF的值。該電路中,電容位于ADC附近,以減少/吸收電荷反沖。
為最終濾波器無源元件選擇的值(經(jīng)實際電路寄生效應(yīng)調(diào)整后)顯示在圖1中。表1總結(jié)了系統(tǒng)的測量性能,其中3 dB帶寬為18 MHz,以127 MHz為中心。網(wǎng)絡(luò)的總插入損耗約為5.8 dB。圖3所示為頻率響應(yīng);圖4所示為SNR和SFDR性能。
表1. 電路的測定性能
性能規(guī)格:-1 dBFS (FS = 1.75 V p-p),采樣速率 = 205 MSPS | 最終結(jié)果 |
中心頻率 | 127 MHz |
通帶平坦度(118 MHz至136 MHz) | 3 dB |
SNRFS at 127 MHz | 71.7 dBFS |
SFDR at 127 MHz | 92 dBc |
H2/H3 at 127 MHz | 93 dBc/92 dBc |
總增益(127 MHz) | 5.5 dB |
輸入驅(qū)動(127 MHz) | 0.5 dBm (-1 dBFS) |
圖3. 通帶平坦度性能與頻率的關(guān)系
圖4. SNR/SFDR性能與頻率的關(guān)系,采樣速率 = 205 MSPS
圖5. 采用帶通濾波器的一般差分放大器/ADC接口
濾波器和接口設(shè)計程序
本節(jié)介紹放大器/ADC與帶通濾波器接口設(shè)計的常用方法。為實現(xiàn)最佳性能(帶寬、SNR和SFDR),放大器和ADC應(yīng)對一般電路形成一定設(shè)計限制。
1. 放大器必須參考數(shù)據(jù)手冊推薦的正確直流負(fù)載,以獲得最佳性能。
2. 放大器與濾波器的負(fù)載間必須使用正確數(shù)量的串聯(lián)電阻。這是為了防止通帶內(nèi)的不良信號尖峰。
3. ADC的輸入必須通過外部并聯(lián)電阻降低,并使用正確串聯(lián)電阻將ADC與濾波器隔離開。此串聯(lián)電阻也會減少信號尖峰。
圖5所示的一般電路適用于大多數(shù)高速差分放大器/ADC接口,并作為帶通濾波器的基礎(chǔ)。此設(shè)計方法傾向于利用大多數(shù)高速ADC的相對較高輸入阻抗和驅(qū)動源(放大器)的相對較低阻抗,將濾波器的插入損耗降至最低。
基本設(shè)計流程如下:
1. 設(shè)置外部ADC端接電阻RTADC ,使得和 RADC的并聯(lián)組合介于200 Ω和400 Ω之間。
2. 根據(jù)經(jīng)驗和/或ADC數(shù)據(jù)手冊建議選擇RKB ,通常介于5 Ω和36 Ω之間。r> 3. 使用下式計算濾波器負(fù)載阻抗
ZAAFL = 2RTADC || (RADC + 2RKB)
4. 選擇放大器外部串聯(lián)電阻RRA。如果放大器差分輸出阻抗在100 Ω至200 Ω范圍內(nèi),RA 應(yīng)小于10 Ω。如果放大器輸出阻抗為12 Ω或更低,RA應(yīng)介于5 Ω和36 Ω之間。
5. 選擇 ZAAFL ,使放大器獲得的總負(fù)載ZAL最適合通過以下公式選擇的特定差分放大器:
ZAL = 2RA + ZAAFL
6. 使用下式計算濾波器源阻抗
ZAAFS = ZO + 2RA
7. 利用濾波器設(shè)計程序或表格,以及源阻抗ZAAFS 、負(fù)載阻抗 ZAAFL、濾波器類型、帶寬和階數(shù),設(shè)計濾波器。實際使用的帶寬比應(yīng)用的通帶所需帶寬高出10%,以確保頻率范圍內(nèi)的平坦度。
經(jīng)過上述初步計算,須了解電路的下列項目。
1. CAAF3 值必須至少為10 pF,比 CADC大數(shù)倍。這樣可將濾波器對CADC波動的敏感度降至最低。
2. ZAAFL與ZAAFS 之比不可高于約7,使濾波器在大多數(shù)濾波器表和設(shè)計程序的限值內(nèi)。
3. CAAF1 值必須至少為5 pF,以盡可能降低對寄生電容和元件波動的敏感度。
4. 電感 LAAF必須為合理值,至少為數(shù)nH。
5. CAFF2 和 LAAF1 必須為合理值。有時電路仿真器會使這些值太低或太高。為使這些值更合理,只需保持同樣的諧振頻率并將這些值與更好的標(biāo)準(zhǔn)值元件相比。
在某些情況下,濾波器設(shè)計程序可提供一個以上獨(dú)特解決方案,特別是對于更高階濾波器。應(yīng)始終選擇采用最合理元件值組合的解決方案。另外應(yīng)選擇結(jié)束于分流電容的配置,以便分流電容與ADC輸入電容組合。
電路優(yōu)化技術(shù)和權(quán)衡
本接口電路內(nèi)的參數(shù)具有高互動性;因此優(yōu)化電路的所有關(guān)鍵規(guī)格(帶寬、帶寬平坦度、SNR、SFDR和增益)幾乎不可能。不過,通過變更RA 和RKB,可以最大程度地減少通常發(fā)生于帶寬響應(yīng)內(nèi)的信號尖峰。
RA 值也會影響SNR性能。更大值在降低帶寬峰化的同時傾向略微提高SNR,因為驅(qū)動ADC滿量程需要更高信號電平。
選擇ADC輸入端的 RKB 串聯(lián)電阻以盡量減少任何殘余電荷注入(從ADC內(nèi)部采樣電容)造成的失真。增加此電阻也傾向減少帶內(nèi)的信號尖峰。
不過,增加 RKB 會增加信號衰減,因此放大器必須驅(qū)動更大信號才能填充ADC的輸入范圍。
為優(yōu)化中心頻率,通帶特性、串聯(lián)電容、CAAF2可在小范圍內(nèi)變動。
ADC的輸入端接電阻RTADC 通常選擇為使凈ADC輸入阻抗介于200 Ω和400 Ω之間,是大多數(shù)放大器的典型特性負(fù)載值。選擇的數(shù)值太高或太低都可能對放大器的線性度造成不利影響。
上述因素的權(quán)衡可能有些困難。本設(shè)計中,每個參數(shù)權(quán)重相等;因此所選值代表了所有設(shè)計特征的接口性能。某些設(shè)計中,根據(jù)系統(tǒng)要求,可能會選擇不同的值,以便優(yōu)化SFDR、SNR或輸入驅(qū)動電平。
本設(shè)計的SFDR性能取決于兩個因素:放大器和ADC接口元件值,如圖1所示。
請注意,本設(shè)計中的信號與0.1 μF電容進(jìn)行交流耦合,以阻擋放大器、其端接電阻和ADC輸入之間的共模電壓。有關(guān)共模電壓的更多信息,請參閱AD9642數(shù)據(jù)手冊。
無源組件和PCB寄生效應(yīng)考慮
該電路或任何高速電路的性能都高度依賴于適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒?PCB)布局,包括但不限于電源旁路、受控阻抗線路(如需要)、元件布局、信號布線以及電源層和接地層。高速ADC和放大器PCB布局的詳情請參見指南 MT-031 和 MT-101 for。此外,請參考 CN-0227 和 CN-0238。
對于濾波器內(nèi)的無源元件,使用低寄生表面貼裝電容、電感和電阻。所選電感來自Coilcraft 0603CS系列。濾波器使用的表貼電容為5%、C0G、0402型,以確保穩(wěn)定性和精度。
系統(tǒng)的完整文檔請參見 CN-0279設(shè)計支持包
常見變化
AD9643是AD9642的雙通道版本。
如需較低的功耗和帶寬,還可使用 ADA4950-1 和/或 ADL5561/ ADL5562 。這些元件與之前列舉的單通道元件引腳兼容。
電路評估與測試
本電路使用修改的AD9642-250EBZ電路板和基于HSC-ADC-EVALCZ FPGA的數(shù)據(jù)采集板。這兩片板具有對接高速連接器,可以快速完成設(shè)置并評估電路性能。修改的AD9642-250EBZ板包括本筆記所述的評估電路,HSC-ADC-EVALCZ數(shù)據(jù)采集板與VisualAnalog?評估軟件一起使用,此外還使用SPI控制器軟件來適當(dāng)控制ADC并采集數(shù)據(jù)。AD9642-250EBZ板的原理圖、BOM和布局請參見User Guide UG-386。CN-0279設(shè)計支持包中的readme.txt說明了對標(biāo)準(zhǔn)AD9642-250EBZ板做出的修改。應(yīng)用筆記AN-835詳細(xì)說明了如何設(shè)置硬件和軟件,以運(yùn)行本電路筆記所述的測試。
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