借助平衡和對稱發(fā)揮 ADC最高性能

作者：Rob Reeder

在新的信號鏈和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)前端設(shè)計中，系統(tǒng)設(shè)計人員需要考慮許多前端拓撲結(jié)構(gòu)和設(shè)計權(quán)衡因素。

這些權(quán)衡因素包括帶寬、輸入驅(qū)動、阻抗和性能。拓撲結(jié)構(gòu)也很重要，即選用放大器耦合輸入還是變壓器耦合輸入，還有 ADC架構(gòu)是否采用緩沖。眾多論文都在探討如何權(quán)衡利弊，做出正確的選擇。

使用何種拓撲結(jié)構(gòu)，以及優(yōu)先考慮哪些因素來構(gòu)建所需的信號鏈和 ADC前端，應(yīng)當(dāng)由系統(tǒng)設(shè)計規(guī)格決定。即使設(shè)計選定以后，也不要把所有的努力白白扔掉。想一想，如果信號稍微不平衡，哪些因素會因此受到限制？不錯，一個主要的影響是動態(tài)范圍會受限。

偶數(shù)階失真的產(chǎn)生或增大通常由一個或許多信號鏈不平衡因素決定。理想情況下，只要整個信號鏈和所用的器件保持完美對稱，根本不會存在偶數(shù)階失真（二次、四次、六次諧波等）。

奇數(shù)階失真（三次、五次、七次諧波等）表現(xiàn)為各器件的非線性、裕量或所施加的偏置。如果不了解這些限制源于何處，即使您的設(shè)計仍然有效，但其性能水平如何就難說了。

共模不平衡

接口之間的共模電壓問題是引起偶數(shù)階失真的一些最常見因素。即使最后一級達到完美平衡，信號鏈更下游的共模電壓不平衡也會引起失真，最終影響到轉(zhuǎn)換器。

設(shè)計是直流耦合還是交流耦合并不重要。為了讓對稱的差分信號進入 ADC輸入端，每個接口級都需要穩(wěn)定可靠的共模電壓。否則，轉(zhuǎn)換器的輸出頻譜就會超量程、欠量程或者看起來嘈雜不堪（這里假設(shè)您使用的是雙極性信號和單電源）。

元件不平衡

無源元件的容差也可能成為性能殺手。放大器反饋環(huán)路的求和節(jié)點以及放大器與轉(zhuǎn)換器之間的多極點抗混疊濾波器中可以看到這種現(xiàn)象。從下面的數(shù)學(xué)方程式就可以看出這種不匹配情況。

圖 1. RG和 RF容差不嚴密將導(dǎo)致共模電壓不匹配

如果 RG和 RF的元件容差不夠嚴密，那么就可能產(chǎn)生共模電壓不匹配（圖 1）。此處的任何不匹配都會導(dǎo)致求和節(jié)點 VACM稍微不同，因為這些電阻會隨著自身的容差、溫度變化和使用時間的增加而漂移。 VACM的不同將導(dǎo)致 VIP和 VIN在放大器的輸出端不同，從而產(chǎn)生二階失真。

為解決這個問題，應(yīng)確保元件容差非常低 (1%)。如果精度很重要，可以使用某些具有低 ppm漂移和嚴密漏電容差的專用電阻包。這是 ADI公司將匹配電阻增益網(wǎng)絡(luò)內(nèi)置于高速放大器的原因之一。

元件保持低容差至關(guān)重要；當(dāng)同時設(shè)計抗混疊濾波器時，可以看到偶數(shù)階失真的變化。在大多數(shù)通信應(yīng)用中， ADC有一個窄帶寬(20 - 40 MHz)的多極點級聯(lián)濾波器，您可以想象構(gòu)建這樣一個濾波器可能需要多少元件（差分濾波器需要 10個元件）。

顯然，元件越多，元件之間的容差變化和不匹配誤差就越大。電感是眾所周知的元兇，因此保持低容差非常重要。如果組裝車間的溫控技術(shù)不合適，電感還可能存在可焊性問題。即使焊接接頭看起來很漂亮，平滑光亮，接觸不良有時也是罪魁禍首之一。

布局不平衡

如果在布局階段不小心，您的所有努力仍有可能化為烏有。整個信號鏈的布局都應(yīng)保持嚴密和對稱。如若不然，就會產(chǎn)生二階失真。例如，在用于幫助改善相位不平衡問題的典型前端巴倫配置中，即使很微小的不匹配也可能導(dǎo)致性能明顯下降。

其它情況則是濾波器走線以及信號鏈相鄰元件間其它接口的不匹配。采用高中頻頻率時，布局應(yīng)保持對稱，但不要強迫 CAD操作員將所有都匹配到最精確的程度。

此外還應(yīng)注意布局階段做出的任何取舍。否則，只要路徑不對稱，無論是長度不同還是寄生效應(yīng)不同，都可能導(dǎo)致兩個差分信號在到達轉(zhuǎn)換器模擬輸入端時出現(xiàn)相位偏差。

ADC不平衡

轉(zhuǎn)換器本身對不平衡的耐受能力如何？整個信號鏈不可能做到完美平衡，因此轉(zhuǎn)換器能夠容忍多大的不平衡呢？確實，不可能將一切問題都推給前端信號鏈元件來解決。一定會有某種程度的不平衡，無論它是源于元件容差、布局限制還是其它因素。但是，轉(zhuǎn)換器遇到這些不平衡時有多大的韌性？這種韌性對于失真是否意義重大？

我們在最近的測試中發(fā)現(xiàn)：通過聯(lián)鎖兩個獨立的信號源，我們可以使相位偏移若干度，以便測試 ADC對不平衡信號的耐受度。首先，執(zhí)行這種測試的初衷不僅是要證明轉(zhuǎn)換器在整個頻率范圍內(nèi)的表現(xiàn)，而且要了解 IC本身的布局能在多大程度上控制平衡。

隨著頻率提高，一般趨勢是任何兩個信號都會不可避免地發(fā)生相位不平衡。因此，我們預(yù)期這種趨勢隨著頻率提高會變得更差。其次，隨著相位不平衡變得越來越大，偶數(shù)階失真會自動增大。如果我們在測試中同時觀察這兩種趨勢，我們應(yīng)當(dāng)能看到一個斜坡狀曲線（圖 2）。

圖 2. 隨著頻率升高，兩個 ADC信號間的相位不平衡會增大，且偶次諧波也增大

這說明，在對轉(zhuǎn)換器性能有嚴重影響之前（ 5 dB）,任何信號不平衡對頻率范圍內(nèi)的不匹配都有約 3°的耐受度但更高的不平衡會使性能迅速下降。此外，三階失真隨著頻率增加而相對平坦，相位不平衡表現(xiàn)為強烈的不匹配。這再次印證了上述觀點：不平衡信號是偶數(shù)階失真的主要原因，但不是奇數(shù)階失真的主要原因。

總結(jié)

注意信號鏈設(shè)計的不平衡和對稱有助于實現(xiàn)系統(tǒng)的最高性能。如果不仔細考慮布局布線、元件選擇并將共模電壓不匹配保持最低，系統(tǒng)性能就會受損，至少偶數(shù)階失真會增大。這時，轉(zhuǎn)換器可能仍然正常工作，不過只能發(fā)揮某種程度的效用。