关于宽带ADC前端设计考虑2：用放大器还是用变压器驱动

6 Analog Dialogue第41卷第1期 应用 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师问答——36 关于宽带ADC前端设计考虑Ⅱ： 用放大器还是用变压器驱动ADC？ By Rob Reeder [rob.reeder@analog.com] Jim Caserta [jim.caserta@analog.com] 高性能模数转换器（ADC）“前端”的输入配置设计对达到要求的系 统性能至关重要 。优化总体设计取决于很多因素 ，包括应用性质、 系统组成和ADC的结构。以下的问答主要节绍了使用放大器和变压 器影响ADC前端设计的一些重要的实际考虑。 问：放大器和变压器根本区别是什么？ 答：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。两者都涉及到动态效应问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 问：为什么选择放大器？ 答：放大器的性能限制比变压器少。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。另外， 如果需要，变压器可以提供电流隔离。放大器提供增益比较容易， 因为放大器的输出阻抗实质上与增益无关。另一方面，变压器的 输出阻抗与电压增益呈平方关系增加——电压增益取决于匝数 比。放大器在通带范围内提供平坦的响应，而没有由于变压器寄 生交互作用引起的纹波。 问：放大器通常产生的噪声有多大？如何减少这些噪声？ 答：让我们考虑一个典型的放大器，例如ADA49371，如果设置增益G＝ 1，那么输出的噪声谱密度在高频部分是6 nV/√Hz，与此频带可比的 采样速率为80 MSPS 的AD9446－82 ADC的输入噪声谱密度是10 nV/√Hz。这里的问题是，放大器的噪声带宽等于ADC的全带宽（中 心频率位于500 MHz），而ADC的噪声又必须限制在第一奈奎斯特 范区（40 MHz）。在没有滤波器的情况下，放大器的噪声有效值是 155 µVrms，ADC的噪声有效值是90 µV。从理论上讲，总系统的信 噪比（SNR）降低了6dB。为了从实验上证实这一点，用ADA4937驱 动的AD9446-80测量的SNR结果是76 dBFS,本底噪声是－118dB(见 图1)。如果改用变压器来驱动AD9446-80，测量SNR结果是82 dBFS。因此用放大器驱动ADC可将SNR降低6dB。 0 –150 –140 –130 –120 –110 –100 –90 –80 –70 –60 –50 –40 –30 –20 –10 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 幅 度 (d B FS ) 频率 (MHz) 4 + 5 1 6 2 ENCODE: 80MHz SAMPLES: 32768 ANALOG: 19.0991MHz FUND: –0.997dBFS 2ND: –86.5dBc 3RD: –83.03dBc 4TH: –103.38dBc 5TH: –100.03dBc 6TH: –95.59dBc SNR: 74.81dBc SNRFS: 75.8dBFS THD: –81.17dBc SINAD: 73.9dBc SFDR: 82.64dBc WO SPUR: –98.31dBc NOISE FLOOR: –117.9dB FUND LEAD: 100 HARM LEAK: 3 DC LEAK: 6 3 图1. 使用没有噪声滤波器的ADA4937放大器驱动80 MSPS采 样速率的AD9446-80 ADC。 为了提高ADC的信噪比，在放大器和ADC之间加了一个滤波器。 如果使用的是一个100 MHz的双极点滤波器，放大器的总噪声有 效值变为71 µV， 使ADC的信噪比仅降低3 dB 。使用双极点滤波 器改善了图1电路的SNR达到79 dBFS，本底噪声为－121dB，如 图2a所示。构建双极点滤波器的方法是放大器的每个输出引脚都 串联一个24Ω的电阻器和一个30 nH的电感器并且差分连接一个 47pF的电容器（见图2b）。 0 –150 –140 –130 –120 –110 –100 –90 –80 –70 –60 –50 –40 –30 –20 –10 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 幅 度 (d B FS ) 频率 (MHz) 5 1 6 ENCODE: 80MHz SAMPLES: 32768 ANALOG: 19.0991MHz FUND: –1.036dBFS 2ND: –82.97dBc 3RD: –82.94dBc 4TH: –102.95dBc 5TH: –98.1dBc 6TH: –96.3dBc SNR: 78.11dBc SNRFS: 79.14dBFS THD: –79.76dBc SINAD: 75.85dBc SFDR: 82.56dBc WO SPUR: –100.61dBc NOISE FLOOR: –121.3dB FUND LEAD: 100 HARM LEAK: 3 DC LEAK: 6 3 4 2 + 图2a. 使用在外接100 MHz噪声滤波器的ADA4937放大器驱动 AD9446-80 ADC。 30nH 30nH 47pF 24Ě AVDD 3pF2kĚ 24Ě ADA4937 AV = UNITY ADC输入阻抗 AD9446 VOCM 200Ě 18kĚ 10kĚ 200Ě 200Ě 228Ě 0.1ĨF 50Ě 信号 发生器 图2b. 使用外接双极点噪声滤波器的ADA4937放大器驱动 AD9446-80 ADC原理图。 Analog Dialogue第41卷第1期 7 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50 Ω，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 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 ，如下 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 所示： 参数 通常优选 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。 基带频率 不带缓冲器的 ADC 带缓冲器的 ADC 带增益 带增益 甚高中频中频 困 难 程 度 非 常 困 难 困 难 容 易 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 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ；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。 VIN+ VIN–R CR R ADC 内部的 输入阻抗 L ZLOAD Z = 50Ě R C C R 变压器 信号源 ZSOURCE 信号源 ZSOURCE ZLOAD Z = R + jX Z = R – jX 当源阻抗等于负载阻抗共轭值时ZSOURCE = ZLOAD （共轭值），会产生最大的功率传输。 图4. 最大功率传输。 Analog Dialogue第41卷第1期 7 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50 Ω，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 通常优选 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。 基带频率 不带缓冲器的 ADC 带缓冲器的 ADC 带增益 带增益 甚高中频中频 困 难 程 度 非 常 困 难 困 难 容 易 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。 VIN+ VIN–R CR R ADC 内部的 输入阻抗 L ZLOAD Z = 50Ě R C C R 变压器 信号源 ZSOURCE 信号源 ZSOURCE ZLOAD Z = R + jX Z = R – jX 当源阻抗等于负载阻抗共轭值时ZSOURCE = ZLOAD （共轭值），会产生最大的功率传输。 图4. 最大功率传输。 � Analog Dialogue第41卷第1期 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。 0 –1 –2 –3 –4 –5 –7 –9 –11 –6 –8 –10 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 满 量 程 幅 度 (d B FS ) 频率 (MHz) 输 入 驱 动 能 力 (d B m ) –3dB带宽 = 325MHz 通带平坦度 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。 初级 次级 C3 C2 RCORE L1 L2 L3 L4 C4 C5 C1 C6 R1 R2 R3 R4 2 1 4 3 1:1 阻抗比 L 初 级 L 次 级 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）。 Analog Dialogue第41卷第1期 � 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。 16 12 8 4 0 0.1 1 10 100 1000 10000 相 位 失 衡 (D eg re es ) 频率 (MHz) 双变压器配置 单变压器配置 100MHz时变压器性能差 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。 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15 0MHz，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。 SHA VCMIN VCMIN 采样开关 输入开关 内置输入时钟 输入开关 内置采样时钟 采样电容 采样电容 内置 采样 时钟 触发开关 触发开关 AVCC AVCC 防静电 GND 防静电 VIN– VIN+ n 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。 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 –0.5 –1.0 –1.5 –2.0 –2.5 –3.0 –3.5 –4.0 –4.5 –5.0 0 50045040035030025020015010050 并 联 电 阻 (k Ě ) 并 联 电 容 (p F) 频率 (MHz) RPAR (kĚ) 跟踪模式 CPAR (pF) 跟踪模式 VIN– VIN+ jXR ADC 内部输入阻抗 R || jX 并联结构 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。 10 Analog Dialogue第41卷第1期 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。 CH1 200mV CH3 2.00V CH2 200mV M50.0ns CH2 1.69V 3 T 图10. 带开关电容的ADC的单端输入与时钟相关的波形测 量。 CH3 2.00V CH4 500mV M50.0ns CH4 160mV 3 4 T 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。 基带应用 (a) *表示可选 *表示铁氧体磁珠 VIN+ VIN– 变压器 1:1 Z 2pF ~ 20pF 33Ě 10nH* AVDD 1kĚ 62Ě CR 33Ě ADC 的内部 输入阻抗 带缓冲或 不带缓冲的 ADC 模拟输入 输入阻抗 Z = 50Ě 1kĚ 0.1ĨF 中频应用——宽带 (b) VIN+ VIN– 变压器 1:1 Z 2pF ~ 5pF 33Ě 1kĚ 铁氧体磁珠* 10Ě 铁氧体磁珠* 10Ě FB* 10Ě AVDD 1kĚ 62Ě CR 33Ě ADC 的内部 输入阻抗 带缓冲或 不带缓冲的 ADC 模拟输入 输入阻抗 Z = 50Ě 1kĚ 0.1ĨF 499Ě 中频应用——窄带 (d) VIN+ VIN– CML L*** 33Ě CR 33Ě 带缓冲或 不带缓冲的 ADC 带缓冲或 不带缓冲的 ADC 模拟输入 输入阻抗 Z = 50Ě R** R** R* 0.1ĨF 0.1ĨF 0.1ĨF* 0.1ĨF* 变压器或不平衡变压器 的阻抗比是1:1～1:4 *表示可选 **表示取决于变压器 ***表示取决于中频匹配 0.1ĨF 中频应用——宽带 (c) *表示可选 VIN+ VIN– C* 33Ě CR 33Ě ADC 的内部 输入阻抗 带缓冲或 不带缓冲的 ADC 模拟输入 输入阻抗 Z = 50Ě 36Ě 36Ě R* 0.1ĨF 0.1ĨF 不平衡 变压器的 阻抗比为 1:1 不平衡 变压器的 阻抗比为 1:110nH* 0.1ĨF 图12 . 采用变压器驱动的ADC的前端设计。 Analog Dialogue第41卷第1期 11 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。 基带应用 (a) 10pF ~ 20pF 33Ě AVDD CR 33Ě AD8138 AV = UNITY ADC 的输入阻抗 带缓冲器或 不带缓冲器的 ADC VOCM 499Ě 18kĚ或10kĚ 10kĚ 499Ě 499Ě 523Ě 0.1ĨF 50Ě 信号发生器 电感器或 铁氧体磁珠 电感器或 铁氧体磁珠 中频应用——宽带 (b) C* 33Ě AVDD CR 33Ě ADA4937 AV = UNITY ADC 的输入阻抗 带缓冲器或 不带缓冲器的 ADC VOCM 200Ě 18kĚ或10kĚ 10kĚ 200Ě 200Ě 288Ě 0.1ĨF 50Ě 65Ě 信号发生器 *表示可选 中频应用——宽带 (c) 33Ě CR 33Ě AD8352 ADC 的输入阻抗 带缓冲器或 不带缓冲器的 ADCRGP RGN RG*RD*CD* 0.1ĨF 0.1ĨF 0.1ĨF 0.1ĨF 50Ě 25Ě 25Ě 信号发生器 *AV取值取决于CD，RD和RG值 XFMR 1:1 Z *取决于中频匹配 中频应用——窄带 (d) CR ADC 的输入阻抗 带缓冲器或 不带缓冲器的 ADC C*L*C* C* 1nF 1nF 65Ě 25Ě 50Ě 信号发生器 100Ě 100Ě 100Ě CML 100Ě 0Ě L*L* L*L* CMLAD8352AV = 10dB RGP RGN RGRDCD 0.1ĨF 0.1ĨF RN = 200Ě CD = 0.3pF RD = 4.3kĚ RG = 120Ě 33Ě 33Ě 图13.采用放大器驱动的ADC的前端的设计方案。 1� Analog Dialogue第41卷第1期 欲获取本文的HTML格式和PDF格式，请访问http://www.analog.com/analogdialogue。先点击“archives（存档）”，然后选择卷号、期号和标题。 问：请你总结一下设计要点好吗？ 答：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. 参考文献——从2007年4月起有效 1ADI公司网站: www.analog.com (Search) ADA4937 (Go) 2ADI公司网站: www.analog.com (Search) AD9446-80 (Go) 3ADI公司网站: www.analog.com (Search) AD8352 (Go) 4ADI公司网站: www.analog.com (Search) AD9246-125 (Go) 5ADI公司网站: www.analog.com (Search) AD9235-20 (Go) 6ADI公司网站: www.analog.com (Search) AD8138 (Go) 7ADI公司网站: www.analog.com (Search) AD8139 (Go) 8ADI公司网站: www.analog.com (Search) AD8350 (Go) 9ADI公司网站: www.analog.com (Search) AD8351 (Go) 10ADI公司网站: www.analog.com (Search) AD8352 (Go) � Analog Dialogue第41卷第1期 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。 0 –1 –2 –3 –4 –5 –7 –9 –11 –6 –8 –10 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 满 量 程 幅 度 (d B FS ) 频率 (MHz) 输 入 驱 动 能 力 (d B m ) –3dB带宽 = 325MHz 通带平坦度 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。 初级 次级 C3 C2 RCORE L1 L2 L3 L4 C4 C5 C1 C6 R1 R2 R3 R4 2 1 4 3 1:1 阻抗比 L 初 级 L 次 级 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）。 Analog Dialogue第41卷第1期 � 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。 16 12 8 4 0 0.1 1 10 100 1000 10000 相 位 失 衡 (D eg re es ) 频率 (MHz) 双变压器配置 单变压器配置 100MHz时变压器性能差 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。 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15 0MHz，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