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          從直流到寬帶的高速模擬信號(hào)鏈設(shè)計(jì)

          作者: 時(shí)間:2017-10-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            目前,在轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域風(fēng)頭正盛的是GSPS ADC—也稱RF ADC。憑借市場(chǎng)上采樣速率如此高的轉(zhuǎn)換器,奈奎斯特頻率與五年前相比提高了10倍。關(guān)于使用RF ADC的優(yōu)勢(shì),以及如何使用它們進(jìn)行設(shè)計(jì)并以如此高的速率捕獲數(shù)據(jù),人們進(jìn)行了大量的討論。感謝JESD204x聯(lián)盟。但是人們似乎忘了一件事情,即低直流信號(hào)。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201710/365869.htm

            高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)之前的輸入配置或者前端設(shè)計(jì),對(duì)于實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)性能非常關(guān)鍵。通常重點(diǎn)在于捕獲寬帶頻率,例如大于1 GHz的寬帶頻率。然而,在某些應(yīng)用中,也需要直流或近直流信號(hào),并且受到最終用戶的歡迎,因?yàn)樗鼈円部梢詡鬏斨匾畔ⅰR虼耍ㄟ^優(yōu)化整體前端設(shè)計(jì)來捕獲直流和寬帶信號(hào)需要直流耦合前端,該直流耦合前端一直連接到高速轉(zhuǎn)換器。

            考慮到應(yīng)用的本質(zhì),將需要開發(fā)一個(gè)有源前端設(shè)計(jì),因?yàn)橛糜趯⑿盘?hào)耦合到轉(zhuǎn)換器的無源前端和巴倫本身就已交流耦合。本文以實(shí)際系統(tǒng)解決方案為例,概述了共模信號(hào)的重要性,以及如何正確對(duì)前端進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

            共模:概述

            由于對(duì)共模參數(shù)及其與設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)缺乏了解,客戶仍然會(huì)提出許多技術(shù)支持問題。ADC數(shù)據(jù)表指定了模擬輸入的共模電壓要求。關(guān)于這方面沒有太多詳細(xì)信息,但為了以滿量程實(shí)現(xiàn)額定ADC性能,必須保持適當(dāng)?shù)那岸似谩?/p>

            集成緩沖器的ADC通常具有內(nèi)部偏置共模(CM)電平,此電平是電源的一半加上二極管壓降(AVDD/2 + 0.7 V)。不需要外部電路對(duì)此電路進(jìn)行偏置,但必須保持共模電平才能正確使用轉(zhuǎn)換器。對(duì)于無緩沖的(開關(guān)電容輸入)轉(zhuǎn)換器,共模偏置通常是模擬電源的一半,即AVDD/2。可通過多種方式由外部提供。部分轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)專用引腳,允許設(shè)計(jì)人員通過幾個(gè)與模擬輸入相連的電阻來提供偏置。或者,設(shè)計(jì)人員可以將內(nèi)部偏置連接到變壓器的中心抽頭,或者可以使用電阻分壓器分離模擬電源(電阻從模擬輸入的每個(gè)端腳連接到AVDD和接地)。在使用轉(zhuǎn)換器的VREF引腳之前,請(qǐng)查閱制造商的數(shù)據(jù)手冊(cè)或咨詢應(yīng)用支持小組,因?yàn)樵S多基準(zhǔn)信息并未提供,不能在沒有外部緩沖器的情況下提供共模偏置。這很誘人,因?yàn)槟枰腃M電壓很容易獲得,但提醒一句—不要這樣做。

            如果未提供或保持共模偏置,轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生增益和失調(diào)誤差,使總體測(cè)量性能下降。轉(zhuǎn)換器可能過早削波,或者根本不會(huì)削波,因?yàn)檗D(zhuǎn)換器達(dá)不到滿量程。在轉(zhuǎn)換器之前連接時(shí),共模偏置尤其重要,特別是當(dāng)應(yīng)用需要直流耦合時(shí)。查看的數(shù)據(jù)手冊(cè)技術(shù)規(guī)格,確保放大器可以滿足轉(zhuǎn)換器的擺幅和共模電源要求。轉(zhuǎn)換器日益趨向采用更小的工藝尺寸,因此需要更低的電源。使用1.8 V電源時(shí),如果需要直流耦合,則放大器需要0.9 V的共模電壓。使用3.3 V至5 V電源電壓的放大器可能無法保持那么低的電平,但是較新的低電壓放大器可以,或者設(shè)計(jì)人員可以使用分離電源并在VSS引腳上使用負(fù)供電軌。然而,這樣做時(shí),記住其他引腳可能也需要連接到負(fù)供電軌。相關(guān)信息請(qǐng)參考數(shù)據(jù)手冊(cè)和/或咨詢直接應(yīng)用支持人員。

            2 從直流到寬帶的高速模擬信號(hào)鏈設(shè)計(jì)

            共模:定義

            我們首先來看共模電壓的定義。圖1顯示了轉(zhuǎn)換器如何查看差模與共模信號(hào)。CM電壓只是信號(hào)移動(dòng)的中點(diǎn)—參見圖1。您也可以將其視為新中點(diǎn)或零代碼—放大器,通常通過一個(gè)VOCM引腳或類似的器件,在輸出端建立CM。不過要小心,這些引腳也有一定的電流和電壓范圍要求。最好查閱一下放大器數(shù)據(jù)手冊(cè),并且/或者使用不會(huì)使電路內(nèi)部的任何相鄰電路或基準(zhǔn)點(diǎn)負(fù)荷過重的穩(wěn)定偏置點(diǎn)。不要只是分接一個(gè)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓引腳(VREF),它通常是轉(zhuǎn)換器滿量程的一半。可能無法提供充分的高精度偏置。謹(jǐn)慎起見,也應(yīng)查閱轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)上的引腳技術(shù)規(guī)格。一般而言,電阻容差1%的簡(jiǎn)單分壓器和/或緩沖器驅(qū)動(dòng)器之類,可正確設(shè)置放大器的CM偏置。

            在下面表1中簡(jiǎn)要列出了如何連接每個(gè)應(yīng)用的放大器和轉(zhuǎn)換器,圖2顯示了一些正確的電路示例。

            

            圖1.差模與共模信號(hào)示例。

            

            圖2.用于放大器/轉(zhuǎn)換器前端的交流耦合與直流耦合應(yīng)用示例。

            表1.共模矩陣

            應(yīng)用放大器ADC注釋

            直流耦合在DS指定的限制范圍內(nèi)設(shè)置VOCM。使用來自ADC VREF/CML引腳的分壓器或緩沖放大器。不要提供CM偏置。確保放大器和ADC CM偏置在彼此的范圍內(nèi)。否則,不匹配可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤。

            交流耦合(具有無緩沖的ADC)在DS指定的限制范圍內(nèi)設(shè)置VOCM。使用分壓器或其他一些穩(wěn)定的偏置點(diǎn)。將VIN CM偏置設(shè)置為AVDD/2。

            使用分壓器或CML引腳

            提供CM偏置。。

            在放大器的輸出端提供交流耦合電容。

            交流耦合(具有緩沖的ADC)在DS指定的限制范圍內(nèi)設(shè)置VOCM。使用分壓器或其他一些穩(wěn)定的偏置點(diǎn)。不要提供CM偏置。VIN引腳自偏置為AVDD/2 + 0.7。在放大器的輸出端提供交流耦合電容。

            共模:已斷開

            如果未提供或保持共模偏置,轉(zhuǎn)換器將產(chǎn)生增益和失調(diào)誤差,使獲取的總體測(cè)量性能下降。簡(jiǎn)單地說—轉(zhuǎn)換器輸出將如圖3所示,或者略有變化。輸出頻譜的形態(tài)將與過載滿量程輸入相似。這意味著轉(zhuǎn)換器的零點(diǎn)偏離中心,不是最優(yōu)。設(shè)計(jì)人員可能會(huì)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器會(huì)較早削波或者達(dá)不到轉(zhuǎn)換器的滿量程。最近,由于轉(zhuǎn)換器開始使用1.8 V電源和更低的電源,這一問題變得更為嚴(yán)重。這意味著模擬輸入的CM偏置為0.9 V或AVDD/2。并非所有的單電源放大器都支持這樣的低共模電壓,同時(shí)還保持相對(duì)較好的性能。但是,部分新型放大器已經(jīng)適應(yīng)此類電壓,并在市場(chǎng)上有售。因此,謹(jǐn)慎起見,需查看哪些放大器可以用于您的新設(shè)計(jì)。并不是任何舊款放大器都能使用,因?yàn)樵A靠赡芊浅J芟?,并且?nèi)部晶體管可能會(huì)開始塌陷。如果將雙電源與放大器配合使用,大多數(shù)情況下應(yīng)該會(huì)有充足的裕量來實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腃M偏置。缺點(diǎn)是增加了一個(gè)額外的電源—可能不標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)電源,這意味著更多的器件和更高的成本。簡(jiǎn)單的反相器電路有助于解決這一問題。

            

            圖3.放大器和轉(zhuǎn)換器之間的CM不匹配。

            將器件連接起來

            了解共模和直流耦合之后,我們可以開始組建信號(hào)解決方案。例如,ADL5567是雙通道差分放大器,增益為20 dB。它具有4.8 GHz帶寬,適合連接GSPS ADC,例如AD9625,這是12位、2.5 GSPS轉(zhuǎn)換器,具有JESD204B 8通道接口。圖4所示為整體設(shè)置框圖。

            在顯示的該配置中,前端接口針對(duì)寬帶采樣進(jìn)行了優(yōu)化,同時(shí)保留信號(hào)的直流成分。由于器件為+5.5 V耐壓。該設(shè)計(jì)使用+3.3 V 和−2 V AVDD 分離電源。這使得放大器的輸出端和ADC的輸入端之間共模簡(jiǎn)單對(duì)齊,兩者均需在AIN+和AIN−保持+0.525 V。同樣,注意幾個(gè)接地使能的放大器引腳功能(Vss),單電源現(xiàn)強(qiáng)制設(shè)置為−2 V供電(新Vss)。

            CM電壓輸出很簡(jiǎn)單,但是弄清楚放大器輸入的共模需求可能有點(diǎn)麻煩。需要為接口做兩件事。第一,輸入端CM電壓需要配置為0 V,否則,驅(qū)動(dòng)放大器失調(diào)將使輸出軌偏向一側(cè)。這將導(dǎo)致圖3所描述的性能問題或更嚴(yán)重,—將出現(xiàn)放大器和轉(zhuǎn)換器信號(hào)鏈交流性能不佳。為此,放大器輸入端的每一側(cè)都需要允許電流流向地面,或該直流耦合案例中2 V。因此,在每個(gè)放大器輸入端添加2.2 k?的電阻來抑制失調(diào)電流。

            這是它的工作原理:放大器輸出約為0.525 V,放大器輸入CM電壓為0 V。具有500 ?的內(nèi)部反饋電阻和約50 ?的輸入電阻使得它看起來有550 ?;或在本例中,我們假設(shè)一個(gè)50 ?源電阻與100 ?電阻并聯(lián),得到33 ?。再串聯(lián)20 ?增加到53 ?。這是串聯(lián)了500 ?內(nèi)部反饋電阻或總計(jì)553 ?。也就是形成了500 ?和53 ?的0.525 V電阻分壓器。反過來,產(chǎn)生了900 μA(或0.525/553)的電流。為將此分流至地面或新VSS或−2 V,添加2.2 k?電阻或−2 V/2.2 k? = 900 μA。

            

            圖4.直流到WB 放大器/轉(zhuǎn)換器信號(hào)鏈?zhǔn)纠?/p>

            第二,輸入為單端輸入且需要適當(dāng)配置來保持最佳性能,同時(shí)維持較低偶數(shù)階失真。同樣,100 ?與50 ?源電阻有效并聯(lián),得到33.33 ?戴維南等效電阻,如前所述。這通常又會(huì)反映在VIN 節(jié)點(diǎn)上,來平衡設(shè)備的輸入,因?yàn)樗菃味蓑?qū)動(dòng)的。但是,為了改善偶數(shù)階失真,VIN+節(jié)點(diǎn)上的20 ?用于保持所有寬帶頻率的低失真。這通過使用特定中頻約500 MHz完成,—或參見圖 5 測(cè)試示例。由于它是一個(gè)迭代的過程,所以會(huì)有些乏味。有關(guān)放大器上SE到DIFF轉(zhuǎn)換的計(jì)算和方程,參見ADA4932數(shù)據(jù)手冊(cè)。圖6中所示為信號(hào)鏈設(shè)計(jì)中最高2 GHz輸入頻率的典型交流頻率掃描性能。

            

            圖5.典型FFT性能@ 507 MHz AIN @ 2500 MSPS.

            

            圖6.典型交流頻率掃描性能@ 2500 MSPS。

            值得注意的是,添加了5.1 nH電感與電源的正供電軌輸入串聯(lián)。這有助于通過捕捉和再循環(huán)放大器內(nèi)部的這些不平衡電流來再次提高偶數(shù)階線性度性能與頻率。

            最后,需要針對(duì)放大器和ADC之間的前端BW優(yōu)化接口。這通常也以迭代的方式完成。但是,對(duì)于兩個(gè)IC之間某些值的設(shè)置有幾點(diǎn)需注意。為了在接口中獲得最佳BW,請(qǐng)遵循以下規(guī)則。

            „ 首先,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和/或ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)建議,選擇一個(gè)反沖電阻器(RKB),(本例中為?),通常介于5 ?和36 ?之間。

            „ 然后,選擇放大器外部串聯(lián)電阻(RA)。如果放大器差分輸出阻抗在100 ?至200 ?范圍內(nèi),RA應(yīng)小于10 Ω。如果放大器輸出阻抗為12 ?或更低,RA應(yīng)介于5 ?和36 ?之間。此時(shí),為ADL5567選擇10 ?串聯(lián)電阻和阻抗為10 ?的差分輸出。

            „ 放大器輸出的串聯(lián)與并聯(lián)總電阻應(yīng)與放大器的表征負(fù)載(RL)接近。這里,圖4電路中為160 ?,或2 RA + 2 RKB + RADC = 20 + 40 + 100。ADL5567具有200 ?的RL,所以如果設(shè)計(jì)值偏離放大器的RL特性值太多,線性度性能可能出現(xiàn)偏差。

            „ 最后,將內(nèi)部ADC電容CADC添加至10 ?串聯(lián)電阻后的并聯(lián)電容,來幫助完成內(nèi)部ADC采樣網(wǎng)絡(luò)反沖。這也提供了軟低通濾波來減少任何折回帶內(nèi)的寬帶諧波。

            有關(guān)在放大器和ADC之間形成抗混疊濾波器的更完整過程,參見CN-0227和CN-0238。

            使用上述標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)出2 GHz通帶平坦度響應(yīng)產(chǎn)品,以捕捉1st和2nd奈奎斯特區(qū)內(nèi)的頻率,假設(shè)采樣速率為2.5 GSPS。該設(shè)計(jì)的輸入驅(qū)動(dòng)規(guī)格將為−8 dBm或252 mV p-p,假設(shè)在100 MHz基準(zhǔn)頻率下具有50 ?輸入阻抗。這是放大器輸入要求轉(zhuǎn)換器達(dá)到滿量程的輸入滿量程電平。

            

            圖7.典型通帶平坦度性能和輸入驅(qū)動(dòng)電平。

            結(jié)論

            在任何直流耦合設(shè)計(jì)中,忽略轉(zhuǎn)換器的共模輸入電壓規(guī)格均可引起嚴(yán)重問題。如果使用了多個(gè)級(jí)別,信號(hào)鏈中的共模水平必須保持一致,以防止兩個(gè)組件相互沖突。如果未正確耦合,其中一個(gè)將經(jīng)常在各級(jí)間取勝,產(chǎn)生虛假測(cè)量。

            對(duì)于交流耦合應(yīng)用,需在兩級(jí)之間使用一個(gè)耦合電容來打破這種共模不匹配。這樣設(shè)計(jì)才能夠優(yōu)化放大器輸出和ADC輸入的偏置。否則,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需考慮雙電源或電平轉(zhuǎn)換電路,如以上直流耦合設(shè)計(jì)中的描述。



          評(píng)論


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