高速射頻AD轉(zhuǎn)換器前端設(shè)計(jì)

在將巴倫、LNA和FDA與TRF1208等單端轉(zhuǎn)差分(S2D)放大器進(jìn)行比較時(shí)，重要的是要搞清楚設(shè)計(jì)寬帶、高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)接口時(shí)所涉及的指標(biāo)。

AC性能比較權(quán)衡

在將巴倫、LNA和FDA與TRF1208等單端轉(zhuǎn)差分(S2D)放大器進(jìn)行比較時(shí)，重要的是要搞清楚設(shè)計(jì)寬帶、高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)接口時(shí)所涉及的指標(biāo)。如果提前考慮好的話，以下五個(gè)指標(biāo)可以有助于使設(shè)計(jì)不出問(wèn)題：

• 輸入阻抗或電壓駐波比(VSWR)：該參數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，它顯示在有用帶寬內(nèi)有多少功率被反射到負(fù)載中。網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗是負(fù)載的特定值，通常為50Ω。

• 帶寬：系統(tǒng)中的起始和截止頻率，通常距某個(gè)參考點(diǎn)–3dB。

• 通帶平坦度：通常定義為指定帶寬內(nèi)可容忍的波動(dòng)量或紋波量。例如，1.0dB或+5dB。這些可以或多或少地用斜率定義。

• AC性能中，對(duì)于單音來(lái)說(shuō)，信噪比(SNR)和無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)很重要;而對(duì)于雙音而言，非常重要的卻是三次互調(diào)失真(IMD3)。

• 輸入驅(qū)動(dòng)電平：該參數(shù)是帶寬、輸入阻抗和VSWR的函數(shù)。該電平確定轉(zhuǎn)換器滿量程輸入信號(hào)所需的增益或幅度。它高度依賴于前端組件——巴倫、放大器和抗混疊濾波器——并且可能是最難實(shí)現(xiàn)的參數(shù)之一。

需要明確的是，這些指標(biāo)概括了整個(gè)前端接口設(shè)計(jì)，而不僅僅是ADC。事先考慮好這些指標(biāo)，將有助于在有源或無(wú)源前端之間做出正確選擇。

實(shí)際上，只需對(duì)前端帶寬、輸入驅(qū)動(dòng)和交流性能(SNR和SFDR)的各頻率進(jìn)行掃描，即可快速評(píng)估整體前端設(shè)計(jì)的差異。

觀察以下五種不同的前端設(shè)計(jì)，對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行比較權(quán)衡，如圖1所示。

圖1：分別基于一個(gè)巴倫、一個(gè)LNA、一個(gè)巴倫加FDA、一個(gè)單端FDA和TRF1208放大器的五種前端設(shè)計(jì)。資料來(lái)源：德州儀器

接下來(lái)，圖2顯示了在頻率高達(dá)10GHz的頻段上輸入帶寬和輸入驅(qū)動(dòng)電平的權(quán)衡。對(duì)于每款設(shè)計(jì)，都考慮其前端帶寬(–3dB帶寬)和1.4GHz頻率上達(dá)到–6dBFS所需的輸入驅(qū)動(dòng)電平。例如，查看TRF1208數(shù)據(jù)，只需–16dBm輸入信號(hào)即可達(dá)到ADC滿量程值的–6dBFS。然而，使用寬帶巴倫時(shí)卻大約需要+1dBm才能達(dá)到相同的水平。兩者之間，信號(hào)強(qiáng)度相差17dBm。巴倫和寬帶接口網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生損耗，因此會(huì)提高整個(gè)信號(hào)鏈的噪聲系數(shù)。位于下面的跡線顯示巴倫會(huì)產(chǎn)生損耗，而LNA和FDA前端設(shè)計(jì)也是如此，其中包括用于S2D信號(hào)轉(zhuǎn)換的巴倫。

圖2：五種前端設(shè)計(jì)各自的頻率響應(yīng)。

圖2顯示出從大約DC到8GHz的通帶平坦度。盡管所有前端設(shè)計(jì)都可以達(dá)到8GHz，但每個(gè)設(shè)計(jì)都有需要應(yīng)對(duì)的不同的峰值和谷值。平心而論，可以根據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)值的變化以及設(shè)計(jì)的最終要求來(lái)微調(diào)這些峰值和谷值。

巴倫本身有損耗，因此寬帶巴倫接口需要更高的信號(hào)驅(qū)動(dòng)電平，為了在ADC輸出上實(shí)現(xiàn)-6dBFS，巴倫初級(jí)端的信號(hào)電平需高達(dá)+1dBm。由于所有其他比較對(duì)象都使用了有源放大器件(所有這些器件都具有各種固有增益)，因此所需的輸入驅(qū)動(dòng)電平將大大降低：從–5dBm到–16dBm?？梢赃M(jìn)行進(jìn)一步的分析和前端設(shè)計(jì)，來(lái)“平衡”增益和輸入網(wǎng)絡(luò)損耗。與此同時(shí)，在深入了解交流性能之前，這些信息確實(shí)讓設(shè)計(jì)師對(duì)預(yù)期結(jié)果提前有所了解。

SNR和SFDR

在相同帶寬上進(jìn)行頻率掃描可捕獲SNR、SFDR和IMD3性能。這些是典型的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，用于在設(shè)計(jì)高速轉(zhuǎn)換器時(shí)進(jìn)行比較權(quán)衡。

圖3顯示了各種架構(gòu)之間的SNR權(quán)衡。

圖3：五種前端設(shè)計(jì)的SNR值。

將紫色曲線視為基準(zhǔn)性能，可以看到寬帶巴倫接口在轉(zhuǎn)換器的整個(gè)帶寬內(nèi)的SNR性能最佳。代表LNA方法的綠色曲線排在第二位，雖然這些類(lèi)型的有源器件通常具有非常低的噪聲系數(shù)，還是增加了大約1dB到2dB的噪聲。FDA排在第三位，因?yàn)樗膶拵г肼暠萀NA高，卻比TRF1208低。在單端輸入架構(gòu)中使用FDA時(shí)，共模噪聲消除是一個(gè)小問(wèn)題，因?yàn)樵谳斎攵似涔逃性O(shè)計(jì)期望的是全差分信號(hào)。使用這種類(lèi)型的架構(gòu)會(huì)對(duì)SNR稍微帶來(lái)一些影響。

TRF1208排在最后。其輸出噪聲最大，因?yàn)樗哂斜菷DA更高的增益。請(qǐng)記住，較高的有源增益將會(huì)放大器件自身產(chǎn)生的噪聲。例如，當(dāng)模擬輸入信號(hào)為2GHz時(shí)，TRF1208的增益為16dB，在–166.7dBm/Hz時(shí)的噪聲系數(shù)等于8dB，導(dǎo)致輸出噪聲為–150.7dBm/Hz。而FDA的增益等于10dB(S2D)，在–163.3dBm/Hz時(shí)的噪聲系數(shù)等于11dB，導(dǎo)致的輸出噪聲為–153.3dBm/Hz。

所有設(shè)計(jì)所配置的帶寬都會(huì)盡可能寬，如圖2所示。在任何有源設(shè)計(jì)中，通過(guò)在放大器輸出和ADC輸入之間使用抗混疊濾波器來(lái)降低帶寬，將有助于降低有用頻帶之外的寬帶噪聲。它還有助于降低轉(zhuǎn)換器接收的噪聲，從而將SNR推回到基準(zhǔn)性能，如圖1所示(WB Balun+5200RF ADC)。

圖4顯示了各種前端配置在10GHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行線性掃描得到的SFDR動(dòng)態(tài)范圍。SFDR是一種單音測(cè)量，可以很好地觀察有用頻段內(nèi)的任何諧波(二次、三次、四次諧波)。

圖4：五種前端設(shè)計(jì)的SFDR值

再次查看作為基準(zhǔn)性能的紫色曲線，可以發(fā)現(xiàn)寬帶巴倫接口將在轉(zhuǎn)換器的整個(gè)帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)的SFDR最佳。代表LNA的綠色曲線顯示性能最差，尤其是在高達(dá)5GHz以下的較低頻段，這是因?yàn)長(zhǎng)NA的單端特性所致，因?yàn)榕即问д?HD2)將始終是主要諧波分量。HD2最終會(huì)落到ADC帶寬之外。

當(dāng)前端使用差分時(shí)，在0.5至3.5GHz范圍內(nèi)，F(xiàn)DA中的主要諧波分量為三次諧波。使用單端方法時(shí)，在0.5至5GHz范圍內(nèi)，主要分量則明顯為偶次諧波。

圖中發(fā)現(xiàn)，TRF1208的FDA性能一直與無(wú)源基準(zhǔn)前端一致，這說(shuō)明了為什么在寬帶前端需要有源器件時(shí)，該放大器是首選的原因。

雙音測(cè)量

另一種常見(jiàn)的轉(zhuǎn)換器測(cè)試指標(biāo)是雙音測(cè)量，不過(guò)會(huì)導(dǎo)致IMD3或三次互調(diào)失真增加，并快速仿真實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的信號(hào)。簡(jiǎn)而言之，雙音測(cè)量有效評(píng)估同時(shí)注入前端接口的兩個(gè)信號(hào)。通常將這兩個(gè)信號(hào)相互偏移10MHz，并被放大到相同的電平，或者均為–7dBFS。圖5所示為IMD3+(2×F1+F2或2×F2+F1)分量。為便于說(shuō)明性能差異，圖中不包括IMD3–(2×F1–F2或2×F2–F1)分量。

圖5：五種前端設(shè)計(jì)中的IMD3+

紫色曲線再次作為基準(zhǔn)性能，可以看到寬帶巴倫接口將在轉(zhuǎn)換器的整個(gè)帶寬內(nèi)產(chǎn)生的IMD3性能最佳。代表LNA的綠色曲線顯示出性能相對(duì)于寬帶巴倫接口的下降。相對(duì)于基準(zhǔn)，代表FDA接口的藍(lán)色和黑色曲線的性能也有所下降，最高可達(dá)5GHz。在整個(gè)頻率掃描范圍內(nèi)，TRF1208與無(wú)源基準(zhǔn)前端保持一致。同樣這也說(shuō)明在寬帶前端需求方面，為什么說(shuō)該放大器是首選的原因。

此外， FDA評(píng)估需要用兩個(gè)電源，其中一個(gè)為負(fù)電源;為了保持低噪聲，功耗僅為1.8W。這是一種經(jīng)典設(shè)計(jì)方法，一方面降低噪聲，同時(shí)增加了放大器的動(dòng)態(tài)范圍，以便使設(shè)計(jì)能夠提供更高功率。其中，LNA功耗最小，僅0.275W，采用5V單電源。TRF1208亦采用5V單電源供電，而功耗為0.675W。

本文對(duì)如何克服ADC模擬前端接口設(shè)計(jì)的缺陷提供快速入門(mén)指南，并提供一些有用且熟悉的設(shè)計(jì)比較，并介紹新型TRF1208差分放大器。對(duì)于任何新的寬帶前端設(shè)計(jì)，建議提前仔細(xì)評(píng)估各項(xiàng)指標(biāo)，并作出權(quán)衡。要注意相位平衡，因?yàn)槭Ш鈺r(shí)，如果有用頻率中含有偶次諧波，可能會(huì)造成嚴(yán)重影響。巴倫和放大器設(shè)計(jì)性能各具優(yōu)缺點(diǎn)，重要的是要會(huì)權(quán)衡取舍，并做出明智的選擇。