关于宽带ADC前端设计考虑：用放大器还是用变压器驱动ADC？（三）

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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？（三） [复制链接]

问：选择放大器时要考虑哪些重要参数？

答：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。

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。

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。可选的典型放大器包括AD8138和ADA4937。

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。

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。

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。

问：ADI公司的那些放大器最适合驱动高性能ADC？

答：只有少数放大器最适合用于高速ADC的前端，包括AD81386和AD81397；AD83508，AD83519和AD835210；以及ADA4937和ADA4938。AD 8139通常用于设计基带系统，即有用输入频率低于50 MHz。AD8352通常用于设计中高频设计。这种放大器可以在高至200 MHz宽频带内具有优良的噪声和杂散抑制能力。ADA4937可以用于工作频率高达150 MHz，它的主要优点表现在驱动ADC的直流耦合应用，因为它可以提供很宽的共模输出电压范围。

问：我可能要用到的ADC的重要特性是什么？

答：目前流行的CMOS开关电容ADC没有内置的输入缓冲器，所以其功耗比带缓冲器的ADC要低一些。外部信号源直接连接到ADC的内置开关电容采样保持（SHA）电路（见图8）。这会产生两个问题。第一，输入阻抗随时间变化，因为工作方式在采样和保持之间不断切换。第二，注入到采样电容器的电荷会反射回信号源；这可能引起驱动电路里的无源滤波器的过渡延迟。

图8. 带开关电容器ADC输入级电路框图

重要的是把外部网络阻抗与ADC跟踪模式阻抗匹配，见图9。正如你看到的，输入阻抗的实部或阻性阻抗（用蓝色线表示）在低频段（基带）非常高（在几千欧姆范围内），在超过100 MHz的频段下降到2 kΩ以下。

输入阻抗的虚部或容性阻抗（用红色线表示），一开始从一个相当高的容性负载，然后在高频段减小大约3 pF（见右边纵坐标）。要匹配这样的输入阻抗是一个相当具有挑战性的设计问题，尤其是在频率高于100 MHz的情况下。

图9. 跟踪模式下开关电容ADC的典型输入阻抗与频率关系曲线

图10和图11中的波形示出了差分输入信号的优势。乍一看，图10中示出的ADC的单端输入波形看起来很差。但是，图11证明了单端输入波形受到的干扰几乎完全是由于共模电压的影响。

图10. 带开关电容的ADC的单端输入与时钟相关的波形测量

图11. 带开关电容的ADC的差分输入与时钟相关的波形测量

请看ADC的差分输入（见图11），我们可以看到输入信号干净多了。与时钟相关的尖峰干扰消失了。差分信号固有的共模抑制特性能够消除共模噪声，包括来自电源、数字源和电荷注入引起的共模噪声。

带输入缓冲器的ADC比较容易理解和使用。输入源阻抗固定。缓冲器由晶体管组成，它以低阻抗驱动ADC，所以大大地减少了注入电荷和开关管引起的尖峰。与带开关电容的ADC不同，输入阻抗在模拟输入频率范围内变化很小，所以选择合适的驱动电路相对容易一些。带缓冲器的ADC特别适合于高线性、低噪声应用；它唯一的缺点是由于它自身的功导致ADC总功耗增加。

问：你能否给我举出变压器和放大器驱动电路的例子？

答：图12示出了4个使用变压器的ADC输入配置的例子。

对于基带应用器件（见图a），输入阻抗很高，所以匹配起来很简单，不像在高频段匹配那么重要。通常，使用一个很小的串联电阻器和一个并联电容器就足以衰减电荷注入。这种简单的滤波器衰减了宽带噪声，从而优化了性能。

为了得到宽带应用中匹配合适的输入阻抗（见图b），可以尝试让输入阻抗的实部（阻性）起主要作用。用电感或铁氧体磁珠与模拟前端并联或者串联从而将容性部分减到最少。这样可以得到很好的带宽，改进增益的平坦性并且提高性能（SFDR），就像使用AD93xx开关电容ADC系列时看到的那样。

对于带缓冲的高中频（IF）应用（见图c），示出了带双不平衡变压器的配置，带一个类似于基带配置滤波器。这允许输入频率高达300 MHz并且提供很好的平衡，把偶次谐波失真减到最小。

对于窄带（共振）应用（见图d），它的拓扑结构类似于宽带。但是，匹配方式采用并联而不是串联，以便将带宽缩小到规定的频带。

图12 . 采用变压器驱动的ADC的前端设计

在基带应用中，当采用放大器驱动带缓冲器或不带缓冲器的ADC时，设计将变得相当简单（见图13）。只要保证与ADC共同分担放大器的共模电压就可以使用一个简单的低通滤波器滤掉有无用的宽带噪声（见图a）。对于中频应用（见图b和图c），其匹配网络跟基带的情况非常相似，但是通常会有轻度下降。如果需要，可以在放大器的输出使用电感器或铁氧体磁珠以扩大带宽。

但是，通常没有必要这样做，因为放大器的特性在有用带宽内变化很小，不像变压器那样变化较大。对于窄带应用或共振应用（见图d），滤波器与放大器的输出阻抗相匹配，抵消了ADC的输入电容。通常，使用多极滤波器用来滤除有用频段之外的宽带噪声。

图13.采用放大器驱动的ADC的前端的设计方案

问：请你总结一下设计要点好吗？

当面对一项设计时，请记住：

• 了解设计的困难程度。
• 排列你设计中的重要参数。
• 当确定变压器或放大器上的总负载时，应包括ADC的输入阻抗和输入电路的外部元件。
• 
  
  

当选择变压器的时候，要牢记：

• 不是所有的变压器都做得一样。
• 了解变压器的技术指标。
• 向变压器制造商索要未给出的参数和仿真模型。
• 高IF设计对变压器的相位不平衡性很敏感。
• 甚高IF设计可能需要两个变压器或不平衡变压器来抑制偶次谐波失真。
  

当选择放大器的时候，要牢记：

• 注意噪声技术指标。
• 了解放大器的技术指标。
• 对低IF或基带频率设计，使用AD8138/AD8139。
• 对中IF设计，使用ADA4937。
• 对高IF设计，使用AD8352。
• 放大器对不平衡性不那么敏感，所以可自动抑制偶次谐波失真。
• 有些放大器可以将直流信号耦合到ADC的输入端，例如，AD8136/AD8139和ADA4937/ADA4938
• 放大器具有将输入信号源与输出负载隔离的作用，所以对于处理对输入信号源敏感的应用，放大器比变压器更适用。
• 放大器可以驱动长距离的负载，特别是当系统要求将一个设计化分成两块或更多块PCB板时特别有用。
• 放大器可能会要求另外的电源，这样会增加系统的功率要求。
  

当选择ADC的时候，要牢记：

• ADC是否有内置的缓冲器？
• 带开关电容的ADC的输入阻抗是时变的，对于高IF设计来说比较困难。
• 如果使用不带缓冲器的ADC，输入匹配总是采用跟踪模式。
• 带缓冲器的ADC即使是在高IF频段也容易设计。
• 带缓冲器的ADC趋向于功耗较大。
  

最后：

• 用任何类型的ADC完成基带设计都是最容易的。
• 使用铁氧体磁珠或低Q值的电感器来消除带开关电容ADC的输入电容。这样可以使输入带宽最大，改善输入匹配，维持优良的SFDR。
• 为了处理高IF设计，可能需要两个变压器。
  

问：请推荐一些进一步阅读的参考资料好吗？

A. 应用笔记

AN-742, Frequency-Domain Response of Switched-Capacitor ADCs.

AN-827, A Resonant Approach to Interfacing Amplifiers to Switched-Capacitor ADCs.

B. 技术文章

Reeder, Rob. “Transformer-Coupled Front-End for Wideband A/D Converters.” Analog Dialogue 39-2. 2005. pp. 3-6.

Reeder, Rob, Mark Looney, and Jim Hand. “Pushing the State of the Art with Multichannel A/D Converters.” Analog Dialogue 39-2. 2005. pp. 7-10.

Kester, Walt. “Which ADC Architecture Is Right for Your Application?” Analog Dialogue 39-2. 2005. pp. 11-18.

Reeder, Rob and Ramya Ramachandran. “Wideband A/D Converter Front-End Design Considerations—When to Use a Double Transformer Configuration.” Analog Dialogue 40-3. 2006. pp. 19-22.

C. 技术资料

AD9246, 80-/105-/125-MSPS 14-Bit, 1.8-V, Switched-Capacitor ADC

AD9445 105-/125-MSPS 14-Bit, 5-/3.3-V, Buffered ADC

AD9446 16-Bit, 80-/100-MSPS Buffered ADC

AD8138 Low-Distortion Differential ADC Driver

AD8139 Ultralow Noise Fully Differential ADC Driver

AD8350 1.0-GHz Differential Amplifier

AD8351 Low-Distortion Fully Differential RF/IF Amplifier

AD8352 2-GHz Ultralow Distortion Differential RF/IF Amplifier

ADA4937 Ultralow Distortion Differential ADC Driver

ADA4938 Ultralow Distortion Differential ADC Driver

ADC Switched-Capacitor Input Impedance Data (S-parameters) for AD9215, AD9226, AD9235, AD9236, AD9237, AD9244, AD9245.

Go to their Web pages, click on Evaluation Boards, upload Microsoft Excel spreadsheet.

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