高速ADC的前端设计指南

【Word版本下载可任意编辑】高速ADC的前端设计指南相信广阔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

为需要到达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例如，以可视化方式显示不同类型的前端拓扑构造。

匹配：解决工程设计问题时，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。个是前端与之前的接口，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。设计好基于这些值开展，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构造，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。好从ADI公司网站输入阻抗表，然后针对目标频段的中心频率开展设计。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开展设计。

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到达性能要求。移除带宽的好方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Coilcrafts0603CS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构造，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”例如

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佳途径。像AgilentADS等仿真工具对此可能也会有帮助。

优化SFDR：似乎所有前端设计都优先采用33Ω串行电阻（Rs）标准，参见图13和14，但这通常是放大器或变压器前端设计与转换器输入端之间显示的值。使用此电阻的理由是优化转换器输入端的源阻抗，并大程度地减少返回到模拟前端的“反冲”或电荷注入。它能够优化内部采样网络的建立，提供更高的线性度，从而优化转换器的SFDR性能。

无缓冲型转换器对此更为敏感，因为前端网络直接连接到转换器的内部采样网络。每种无缓冲型转换器都有略微不同的采样电容比或开关电容采样网络，因此并不存在一个比这更简单的答案，也没有仿真工具能够提供一个明确的电阻值或答案。解决这一问题的佳方法是操起家伙（烙铁），用一系列电阻逐个试验。试验的电阻值范围通常是10Ω到140Ω，参见图12。

图12：SFDR变化与串联电阻的关系（原理图在图表下方）

优化平衡：务必在前端中提供一个共模点，无论是放大器还是变压器拓扑构造，均应坚持这一点。使用放大器时，确保两个IC之间的共模电压一致。没有共模点会导致转换器过早削波或无法到达满量程。当放大器为直流耦合时，这可能会造成转换器显著失真。使用变压器时，应让中心抽头接地或端接，原因有两方面：，变压器的内部配置通常需要一个参考点来平衡内部电流，如果忽略这一点，变压器很可能会使信号不平衡，产生偶数阶失真；第二，当转换器过驱到饱和状态时，此点还能提供信号参考，使电流处于局部并接地。

放大器源电阻：所有放大器都需要一定的源电阻才能正常工作。如今和未来的设计所需的频率越来越高，因此放大器必须支持高频。放大器的频率越高，输出频率也越高。如果输出引脚上存在一定量的寄生误差，往往会导致放大器振荡。为应对这种情况，用户应习惯于在各输出端靠近放大器引脚的地方使用少量串联电阻。该串联电阻与寄生电容（形成于顶层与相邻的下方接地层之间）构成一个低通滤波器，从而提供局部接地路径。许多设计人员靠自己摸索发现了这一窍门，在实验室花费无数小时后才明白，造成信号误差和非线性的问题原来如此。

放大器和变压器拓扑构造：下面的图13和图14给出了本文讨论的放大器和无源变压器前端设计的标准拓扑构造。注意，这些电路图仅供参考。选择的器件不同，设计的性能可能大不相同。

图13：放大器配置拓扑构造

图14：变压器配置拓扑构造

要点总结

面对新设计时，务必理解设计目标并按优先顺序排列重要参数。一般而言，VSWR/输入阻抗、通带平坦度、带宽、SNR、SFDR和输入驱动决定了前端设计的难度。先从带宽开始，考虑是基带、带通还是宽带。这将为前端设计和拓扑构造确实定指明方向与途径。

接下来关注转换器。缓冲型转换器更容易设计，但其功耗高于无缓冲型转换器。如果设计要求无缓冲型转换器，记住查看模拟输入的输入阻抗图表。针对跟踪模式下目标频段的中心频率开展设计。

如上所述，放大器和变压器各自都有很多优点和缺点。何者佳，归根到底取决于设计的要求。放大器消耗功率并需要电源，好处是在接口过程中一般更容易处理。变压器是无源器件，不消耗功率，但当中频频率较高时，它表现为非线性，可能需要额外的器件开展补偿，除非找到合适的变压器。选择设计方向之前，务必检查各种方案的参数列表。

后，本文列出了有关前端匹配、移除或扩展带宽以及优化SFDR的指