关于宽带ADC前端设计考虑：用放大器还是用变压器驱动ADC？（二）

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关于宽带ADC前端设计考虑：用放大器还是用变压器驱动ADC？（二） [复制链接]

问：高速放大器和ADC在功耗方面有何不同？

答：这要看使用的放大器和ADC。具有相似功耗的两种典型放大器，AD83523 在5 V电压下的电源电流是37 mA（185 mW）,ADA4937在5 V电压下的电源电流是40 mA(200 mW)。如果使用3.3 V电源供电，它们的功耗都可以降低三分之一，同时会稍微降低它们的一些性能。ADC的功耗差异性较大，这取决于它们的分辨率和采样速率。16 bit, 80 MSPS 的AD9446-80 功耗为2.4 W，14 bit,125 MSPS的AD9246-1254 功耗为415mW,12 bit, 20 MSPS 的AD9235-205功耗仅为95mW。

问：在什么情况下需要使用变压器呢？

答：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。

问：变压器和放大器在增益方面有何不同？

答：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。

例如，采用一个增益G=2的变压器，并且变压器的输入阻抗为50Ω，输出阻抗为200 Ω。 AD9246 ADC有一个4 pF的差分输入电容，它与一个200 Ω输出阻抗的变压器相连，会使ADC的-3dB带宽范围从650 MHz降低到200 MHz。为了提高ADC的性能和减少踢回噪声(kickback noise)，通常需要外接一只串联电阻和微分电容，这样会进一步限制-3 dB的带宽，大概下降到100 MHz。

如果使用一个低输出阻抗的放大器，例如使用ADA4937，结果通常会提供低于5 Ω的源阻抗。这样每个ADC的输入端可串联一只25 Ω限制瞬态电流的电阻器；这对于选用650 MHz模拟输入带宽的AD9246，应该是合适的。

到目前为止，我们一直在围绕-3 dB带宽进行讨论。如果在单极点系统中需要增益起伏比较平坦，比方说0.5 dB，那么需要将-3 dB带宽扩展大约3倍。对于0.1 dB平坦度，需要将-3 dB带宽扩展6.5倍。如果需要0.5 dB平坦度达到150 MHz带宽，那么它的-3 dB带宽必须大于450 MHz。采用 G = 2的变压器很难做到这一点，但是采用低输出阻抗的放大器很容易实现。

问：在究竟选择变压器还是放大器来驱动ADC时，要考虑哪些因素呢？

答：我们可以把这些因素归结为6个参数，如下表所示：

参数	通常优势
带宽	变压器
增益	放大器
通带平坦性	放大器
功耗要求	变压器
噪声	变压器
直流与交流耦合	放大器（保持直流信号） 变压器（隔离直流信号）

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。

问：那么在分析中有要考虑哪些因素呢？

答：首先要了解为给定的ADC设计前端的困难程度。第一，要了解ADC内部有缓冲器呢，还是没有（例如，开关电容型前端）？很显然，不论是哪一种情况，困难程度会随着频率的增高而增加。但是，对设计工程师来说，处理开关电容会更难一些。

如果需要增益充分利用ADC的输入范围，那么倾向于采用变压器的应用会随着需要的增益（匝数比）增大变得越来越困难。

当然，困难程度会随着频率的增高而增加。采用一个带缓冲器的ADC来设计一个低于100 MHz的中频（IF）系统要比采用不带缓冲器的ADC设计一个小信号高IF系统要相对容易一些，如图3所示。由于引进许多不同的参数，权衡利弊往往会变得很难，而且常常为跟追改变元件和评估参数的过程而感到困惑。

图3. 设计难度与频率的关系

随着设计的改进，使用电子数据表格记录所有的参数可能很有用。不存在满足所有情况的最佳设计方案；它取决于可提供的器件和应用技术指标。

问：的确，设计工作不容易。能否介绍一下与系统参数相关的细节问题？

答：首先，设计ADC的前端时，重要的是要考虑到所有的参数。要把每一个元件当作前一级负载的一部分来考虑，并且当源阻抗等于负载阻抗的共轭（见图4）时，会产生最大的功率传输。

图4. 最大功率传输

现在开始设计各个参数：

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。

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。

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。

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。

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。

图5. 带宽、通带平坦度和输入驱动能力的定义

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）。

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。

问：变压器的重要特性是什么？

答：变压器有许多特性——例如电压增益和阻抗比、带宽和插入损耗、幅度和相位不平衡性，以及回波损耗。其它特性可能包括额定功率、配置类型（例如不平衡变压器或变压器）和中心点选项。

使用变压器进行设计并不总是一帆风顺的。例如，变压器的特性会随着频率变化，从而使变压器模型复杂化。在ADC应用中开始变压器建模的一个例子如图6所示。每一个参数都取决于所选用的变压器。如果变压器生产商可提供变压器的模型，建议你与他们联系。

图6. 变压器模型

变压器特性包括：

匝数比是次级电压与初级电压之比。

电流比与匝数比成反比。

阻抗比是匝数比的平方。

信号增益正好等于匝数比。尽管电压增益无噪声，但是要考虑其它因素——后面将会讨论到。

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。

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。

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）。

图7示出了单变压器配置和双变压器配置情况下，变压器的典型相位失衡与频率的关系曲线。

图7.在单变压器和双变压器配置情况下，变压器的相位失衡与频率的关系曲线。

请记住，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。