如何為ADC轉(zhuǎn)換器設計變壓器耦合型前端

　　前言

　　采用高輸入頻率(IF)的高速模擬-數(shù)字變換器(ADC)的系統(tǒng)，其設計一直被證明是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。而變壓器的采用則使得這一任務變得更為困難，因為變壓器存在固有的非線性，這些非線性特性會造成性能難以達到標準。本文就高速分級比較(sub-ranging)ADC采用變壓器耦合前端設計時應該注意的問題進行了分類說明。

　　設計參數(shù)

　　在設計前端時有若干重要的參數(shù)需要予以考慮。

　　輸入阻抗是設計的特性阻抗。在大多數(shù)情況下它的量值為50Ω，但是某些設計也會要求采用其他阻抗值。變壓器本質(zhì)上是跨阻抗器件，因為在有必要時，它們也可以實現(xiàn)特性阻抗不同的電路間的耦合，從而讓總的系統(tǒng)負載得到充分的平衡。

　　帶寬是指系統(tǒng)所使用的頻率的范圍。這寬度可窄可寬，分布在基帶上(第一Nyquist 頻率)，或者覆蓋多個Nyquist 區(qū)。

　　輸入驅(qū)動電平是帶寬參數(shù)的函數(shù)，設定了特定應用所需要的系統(tǒng)增益。驅(qū)動電平在很大程度上取決于所采用的前端元件，如濾波器和變壓器，這方面的要求有可能成為最難達到的參數(shù)之一。

　　電壓駐波比 (VSWR)則量度所關心的帶寬上被反射到負載中的功率大小。該參數(shù)設定了用于實現(xiàn)ADC的滿度輸入時所需要的輸入驅(qū)動電平。

　　通帶平坦度是在規(guī)定的帶寬內(nèi)性能發(fā)生波動的大小。這可能是由于紋波的影響或者一個簡單的低通濾波器的很緩慢的滾降特性所造成的。通帶平坦度往往小于或者等于1dB,對于總系統(tǒng)的設定來說很關鍵。

　　信噪比 (SNR)是變換器所看到的信號與其自身噪聲間的相對關系。在前端中，SNR可能會由于帶寬、信號品質(zhì)(抖動)和增益方面的原因而變差。請記住，當信號被放大時，噪聲分量也會同時被放大。

　　無寄生動態(tài)范圍(Spurious Free Dynamic Range,SFDR)是滿量度rms值與峰值寄生頻譜分量的rms值之比。這主要是由于前端的兩個特性所造成的，第一種特性是變壓器的線性度，或者平衡品質(zhì)，后者與二次諧波失真有關;第二種特性是增益和輸入間的匹配關系。隨著所需要的增益量的提升，匹配變得越來越困難，而非線性的變壓器的寄生分量(通常可被視為一種3次諧波)卻會上升。

　　變壓器參數(shù)

　　變壓器可以被簡單地視為一種帶通濾波器。

　　插入損耗 ,表示變壓器在特定的頻率上的損耗量，是一個變壓器的數(shù)據(jù)表中最為常見的量度指標參數(shù)，但它不應該成為設計中唯一考慮的指標。

　　回波損耗是指變壓器的次級端接時其原級一側(cè)所看到的變壓器。例如，理想的1:2阻抗變換器在次級端接有100Ω阻抗時，在原級所反映出來的阻抗為 50Ω。不過，這并不總是成立，因為原邊所反映出的阻抗將隨著頻率的變化而變化。隨著阻抗比的增加，回波損耗也會發(fā)生相應的變化。

　　幅相不平衡性是考察變壓器的一個關鍵的性能特性。設計需要采用100MHz以上的IF頻率時，這兩個規(guī)范可以讓設計者了解可能遇上多大的非線性。隨著頻率的增加，變壓器的非線性也在增加。相位的非平衡往往是主要的不平衡性，相應會帶來偶數(shù)階次的失真，或者二次諧波的增加。

　　ADC 參數(shù)

　　ADC可以分為兩種類型：帶有緩沖的和不帶緩沖的。無緩沖ADC的功耗往往要遠大于緩沖ADC,但是緩沖ADC更容易驅(qū)動。

　　開關電容ADC是一種無緩沖的ADC的一個具體例子。前端設計則直接與ADC內(nèi)部的采樣-保持電路(SAH)網(wǎng)絡相連接。這就帶來了兩個問題：一是 ADC的輸入阻抗會隨著時間和模式不同而發(fā)生變化;第二種則是電荷注入，它會反映到ADC的模擬輸入上，這會帶來濾波器穩(wěn)態(tài)建立(filter settling)方面的問題。

　　帶有緩沖的ADC的理解和使用最為方便。通過采用能夠抑制電荷注入帶來的尖峰的隔離緩沖器，可以顯著降低開關的瞬態(tài)。與開關電容ADC中的情形不同，輸入的端接特性在整個規(guī)定的ADC帶寬上不會隨著模擬輸入頻率的不同而發(fā)生變化，恰當?shù)尿?qū)動電路的選擇將變得更為方便。帶緩沖的輸入級的不利之處，就在于會使得ADC消耗更多的功率。

　　設計示例

　　下面給出了基帶和IF應用的設計實例，分別如圖1和2所示。

　　在基帶應用中，ADC的輸入阻抗一般都很高，因此輸入的匹配的重要性較低，而且也更容易實現(xiàn)。往往一、兩個小量值的、用于衰減電荷注入效應的串聯(lián)電阻外加簡單的差分輸入電容就夠用了。這樣一來，就只需要一個簡單的濾波器，來衰減寬帶噪聲，以獲得最優(yōu)的性能。