硬件设计—高性能ADC前端电路

高性能模数转换器(ADC)一般对系统的性能有非常高的要求,而AD芯片的“前端”的输入电路设计对ADC系统的的性能有非常大的影响。以下主要介绍了ADC芯片前端输入使用放大器和变压器各自的优势。
  1. 放大器和变压器根本区别
    放大器是有源器件,而变压器是无源器件。放大器和其它所有的有源器件一样,消耗功率并且产生噪声;变压器不消耗功率并且产生的噪声可以忽略不计。 如果必须保持直流(DC)电平,就必须使用放大器,因为变压器是固有的交流(AC)器件。而当信号的频率很高而且ADC的输入端不允许很大的附加噪声时,变压器具有超越放大器的最大性能优势。变压器和放大器在增益方面主要的区别在于ADC的输入阻抗,它直接影响系统的带宽。变压器的输入阻抗和输出阻抗与匝数比的平方有关,而放大器的输入阻抗和输出阻抗与增益(G)根本无关无关。如果设计要求为ADC的模拟输入提供宽带增益,那么放大器会提供优于变压器的匹配。
  2. 使用变压器时的优劣势
    (1)尽管电压增益无噪声,但是要考虑其它因素。变压器可以简单地看作具有标称增益的带通滤波器。插入损耗是滤波器在规定频率范围内的损耗,虽然它是产品使用说明中最常见的测量技术指标,但还要考虑其它指标。
    (2)回波损耗是指从变压器的初级端看次级端有效阻抗不匹配特性的一种度量。例如,如果变压器的次级线圈与初级线圈的匝数比的平方是2:1,那么我们预期当次级端终止的阻抗为100 Ω时,反射到初级端的阻抗是50 Ω。然而,实际上不是严格符合这种关系;例如,反射到初级的阻抗会随着频率变化。一般地,随着阻抗比率增加,回波损耗的变化程度也随着增加。
    (2)幅度失衡和相失衡是变压器的重要特性。当要求设计非常高的中频时(高于100 MHz),设计工程师可以通过这两项技术指标预测非线性误差的大小。随着频率的增高,变压器的非线性误差的也随着增加,通常是相位失衡起主要影响作用,相位失衡会转化为偶次谐波失真(主要是二次谐波)。
    注:因为变压器制造商不能都以相同的方法来规定所有的变压器指标,所以技术指标显然相同的变压器在相同情况下可能会表现出不同的性能。为你的设计方案选择变压器的最好方法是,收集和了解考虑到的所有变压器指标,向制造商索取在其产品技术资料中没有给出的所有关键数据。另外你可以使用网络分析器自己测量变压器的性能指标,可能会有用。
  3. 使用放大器时的优劣势
    (1)选用放大器代替变压器的主要理由是为了获得好的通带平坦性。如果这项技术指标对你的设计方案来说很关键,那么放大器在规定频率范围内的波动会小一些,通常为±0.1 dB。变压器的频率响应波动会小一些,当必须使用变压器时要求“精细调整”,所以平坦性是一个问题。
    (2)放大器的驱动能力是它的另一个优势。变压器不能驱动PCB板上很长的印制线。变压器用来直接连接到ADC。如果系统要求把驱动器或耦合器安装在远离ADC处,或者另外一块PCB板上,那么我们强烈推荐使用放大器。
    (3)直流耦合特性也是使用放大器的一个原因,因为变压器是固有的交流耦合器件。如果直流频段在应用中很重要,可选择放大器,因为有些高频放大器可以耦合一直到直流的频率。
    (4)放大器还可以提供动态隔离(大约为30 dB~40 dB的反向隔离)以抑制无缓冲ADC输入端的瞬态电流产生的尖峰毛刺。
    (5)另外要考虑带宽与噪声的折衷。如果采用的频率高于150MHz,变压器在保持SNR和SFDR方面会做得更好一些。然而,如果工作在第一奈奎斯特区或第二奈奎斯特区,那么变压器或放大器都可以使用。
  4. 综上所述高性能ADC前端电路使用放大器和变压器各个参数优势对比
    图片
    注:在有多个关键参数发生冲突的应用中,要做进一步分析和权衡。
  5. 设计中出现的参数含义:
    (1)输入阻抗是系统设计的特性阻抗。大多数情况下输入阻抗为50Ω,但可能会要求其它取值。变压器是具有很好互阻性能的器件。变压器允许用户根据需要耦合不同特性阻抗并且充分平衡系统的总负载。在一个放大器的电路里,阻抗被定义为输入阻抗和输出阻抗,放大器的阻抗特性不像变压器那样随频率变化。
    (2)电压驻波比(VSWR)是一项无量纲参数,用来表示在有用带宽内输入功率反射到负载上的比率。当负载ADC达到满度输入时,VSWR是一项用来确定所需要的输入驱动能力的重要参数。
    (3)带宽是在系统中使用的频率范围。带宽可宽可窄,可仅覆盖基带或者覆盖多个奈奎斯特区。带宽的边界通常限制在其最大幅度衰减-3dB处对应的频率。
    (4)通带平坦度(或者增益均匀性)指在规定带宽内增益响应随频率变化量(包括正波动和负波动)。它可能会表现为波动,或者像Butterworth滤波器那样简单单调地下降。不管是哪一种情况,通常要求通带平坦度小于或等于1 dB,这对于稳定总系统增益至关重要。
    (5)输入驱动能力是由特定应用需要的系统增益决定。输入驱动能力与带宽指标密切相关,并且依赖于所选择的前端元件,例如滤波器、放大器或者变压器。它们的特性是使输入驱动能力最难达到要求水平的原因之一。
    (6)信噪比(SNR)是在给定带宽内,满度信号的有效值与全部噪声分量平方和的平方根(RSS)的对数比,但是不包括失真分量。从前端方面来看,SNR会随着带宽、时钟抖动和增益的增加而降低(在高增益情况下,放大器在低增益时可能被忽略的噪声分量会产生明显作用)。
    (7)无杂散动态范围(SFDR)是满度值的有效值与最大杂散频谱分量的有效值之比。前端杂散有两大危害,一个是造成放大器的非线性(或者使变压器造成不理想平衡),它主要产生二次谐波失真;另一个是输入失配并且按照一定的增益放大这种失配(在高增益情况下,失配更加严重,并且放大寄生非线性作用),通常将这种情况看作三次谐波失真。

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