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高速ADC前端设计的挑战和权衡因素(2)

导读: 通过本文第一部分内容的介绍,相信广大工程师朋友已经了解到了前端设计的权衡因素,并知道该如何开发基带、带通或宽带转换器应用的高性能前端。本期ADI转换器应用指南的第二部分,我们将为大家详细介绍具体的前端设计指南。

  通过本文第一部分内容的介绍,相信广大工程师朋友已经了解到了前端设计的权衡因素,并知道该如何开发基带、带通或宽带转换器应用的高性能前端。本期ADI转换器应用指南的第二部分,我们将为大家详细介绍具体的前端设计指南。

  前端设计指南

  为需要达到一定性能水平的转换器设计前端时,有大量事情需要考虑。本部分首先将说明变压器前端和放大器前端各自的优点,以便读者更好地了解为什么有些事情可行,有些事情不可行。然后会给出一些通用框图示例,以可视化方式显示不同类型的前端拓扑结构。

  匹配:解决工程设计问题时,最好是将它分解成多个小问题,这样不致于无处下手。通常来说,前端设计至少可以分解为两个问题。第一个是前端与之前一级的接口,第二个是副边或放大器输出端与转换器的匹配。使用放大器时,输入和输出阻抗通常均已确定,并清楚显示于数据手册中。放大器输出端一般需要一定的负载,以便实现良好的性能。放大器的数据手册一般会列出一组用于测量器件输入端和输出端特性的端接电阻。设计最好基于这些值进行,这样有助于获得所需的性能。缓冲型转换器具有明确的输入阻抗结构,如上文所述,很容易匹配。这正是放大器实现良好响应性能所需要的。然而,当使用无缓冲型转换器时,输入阻抗会随着频率而改变。最好从ADI公司网站下载输入阻抗表,然后针对目标频段的中心频率进行设计。此外还建议使用跟踪模式阻抗值来设计两个器件之间的匹配。

  变压器略有不同,匹配仅在100MHz以上的设计中才重要,这包括上文所述的带通和宽带设计。基带设计不需要通过匹配来改善或实现数据手册性能。可利用回波损耗来匹配变压器和巴伦的副边与转换器输入级之间的反射阻抗,以便优化原边阻抗,如上例所示。由于变压器在性质上比放大器更“透明”,因此应将整个前端视为前一级的负载。这包括变压器、副边与转换器之间的无源元件以及转换器的输入阻抗,参见图8。无论使用缓冲型还是非缓冲型转换器,均适用同样的经验法则。应按照跟踪模式下的中心频率进行设计。

  

  图8:使用变压器或巴伦时的负载匹配。

  移除带宽:一些前端设计只需要一定量的带宽就能使设计达到性能要求。移除带宽的最好办法是在放大器与变压器之间使用抗混叠滤波器(AAF)。在基带设计中,简单的RC滤波器就很不错。不过,还可以通过其它方式来降低带宽。在输入信号节点的原边放置一个电感也能降低带宽量,如图9所示。有时候,综合运用简单的RC滤波器与原边电感能够更快速地降低不必要的带宽,实现更陡峭的滚降。

  

  图9:利用原边电感降低带宽(原理图在图表下方)

  记住,转换器的带宽通常非常宽。宽带噪声总是能折返到转换器的基带或奈奎斯特区。这会提高转换器的噪底,进而降低转换器的信噪比和动态范围。

  另一种降低带宽的方法是在转换器的模拟输入端并联放置一个电感,从而形成一个简单的带通滤波器。不过应小心,有些类型的电感会导致转换器变得不稳定,使得噪底像“杂草”一样杂乱无章,或者在某些情况下引起SFDR性能下降。使用电感线圈时,建议检查软Q部分,如Coilcrafts 0603CS系列。注意,电感并非“生而平等”!

  扩展带宽:有些设计需要更多带宽,这不是从转换器的立场出发来考虑,而是从前端设计的立场出发来考虑。有多种方法可以扩展带宽,但同样应小心翼翼,因为通带平坦度可能达不到所需的性能。另一个常用术语是带宽“峰化”。根据放大器的不同,可以增加一两个电容,从而针对增益电阻产生峰化。其实际结果取决于放大器的拓扑结构,参见图10。对于具有引脚绑定增益引脚的放大器,电容一般位于这些节点以内,并与增益设置电阻并联。

  

  图10:放大器带宽“峰化”示例

  变压器的带宽扩展方法稍有不同。简单方法是在转换器的各模拟输入端串联放置低Q电感或高频铁氧体磁珠。同样应注意,通带平坦度可能会改变,需要仔细权衡得失,参见图11。

  

  图11:利用副边电感/铁氧体磁珠扩展带宽(原理图在图表下方)

  无论哪一种情况,扩展带宽都不是一件简单的事情。权衡利弊时,了解无源器件是关键。可能需要在实验室里反复试探,这通带是扩展带宽的最佳途径。像Agilent ADS等仿真工具对此可能也会有帮助。

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