向应用工程师提问—36

AnalogDialogue41-02,February(2007)向应用工程师提问—36宽带A/D转换器的前端设计考虑因素II：用放大器还是变压器来驱动ADC？作者：RobReeder[[e-mail]]JimCaserta[[e-mail]]设计高性能模数转换器（ADC）之前的“前端”或输入配置，是获取所需系统性能的关键所在。整个设计的优化取决于许多因素，其中包括应用的特点、系统划分，以及ADC的构架。下面的问答着重考虑了影响采用放大器和变压器电路的ADC前端设计的一些重要的实际因素。问：放大器和变压器有什么本质区别？答：放大器是有源元件，而变压器是无源的。像所有的有源元件一样，放大器需要消耗功率，并且会引入噪声；而变压器不消耗功率，并且其所引入的噪声可以忽略不计。放大器和变压器都具有动态效应。问：为什么要使用放大器？答：放大器的性能所受到的限制比变压器要少。如果必须保持直流电平，则必须使用放大器，因为变压器本质上是交流耦合器件。但另一方面，如有需要，变压器能够提供隔离能力。放大器能更容易地提供增益，因为它们的输出阻抗本身与增益无关。而变压器的输出阻抗却随电压增益（取决于匝数比）的平方的增大而增大。放大器在通带上能提供更平坦的频率响应，不会出现变压器中由寄生互感所引起的纹波。问：放大器通常会引入多大的噪声?如何才能降低这一噪声？答：可以考虑一款典型的放大器，例如ADA49371，当将其增益设置为G=1时，在高频端的输出噪声谱密度为6nV/√Hz，而80-MSPSAD9446-802ADC的输入噪声谱密度为10-nV/√Hz。这里的问题是放大器的噪声带宽等于ADC的整个带宽，大约为500MHz，但ADC的噪声却被折叠到一个奈奎斯特区（40MHz）中。如果不采用滤波器，那么放大器和ADC的积分后的噪声将分别为155µVrms和90µVrms。理论上，这将使整个系统的SNR（信噪比）衰减6dB。为了从实验上验证这一结果，采用ADA4937来驱动AD9446-80时，测得的SNR为76dBFS，噪底为–118dB（图1）。而使用变压器进行驱动，测得的SNR为82dBFS。驱动放大器使信噪比衰减了6dB。为了改善ADC的SNR，可以在放大器和ADC之间插入一个滤波器。采用一个100MHz的2极点滤波器，能将放大器的积分噪声降低到71µVrms，从而只使SNR衰减3dB。如图2a所示，使用2极点滤波器能将图1电路的SNR性能提高到79dBFS，噪底为-121dB。这一2极点滤波器由放大器每个输出端串联的24-Ω电阻、30-nH电感，以及一个47-pF差分连接的电容构成（图2b）。图1.ADA4937在没有噪声滤波器的情况下驱动一个80MSPS的AD9446-80ADC图2b.ADA4937放大器和一个2极点噪声滤波器驱动一个80MSPSAD9446-80ADC的原理图图2a.在使用100MHz噪声滤波器的情况下驱动AD9446-802AnalogDialogue41-02,February(2007)问：高速放大器和ADC在功耗方面如何进行比较？答：这取决于所使用的放大器和ADC。两款功耗相当的典型放大器：AD83523的电流为37mA@5V(185mW)，ADA4937的电流为40mA@5V(200mW)。如果采用3.3-V的电源，稍微牺牲一些性能，就能将整体功耗降低三分之一。不同分辨率和速率的ADC在功耗方面的差异很大。16位、80-MSPS的AD9446-80的功耗为2.4W，14位、125-MSPS的AD9246-1254的功耗为415mW，而12位、20-MSPS的AD9235-205的功耗为95mW。问：什么时候需要使用变压器？答：当信号频率很高，并且在ADC的输入端不能容忍太显著的附加噪声时，与放大器相比，变压器能提供最大的性能优势。问：变压器与放大器在提供增益时有何区别？答：主要的区别在于它们对ADC的输入端呈现的阻抗，这直接影响系统带宽。变压器的输入和输出阻抗与匝数比的平方相关，而放大器的输入和输出阻抗本质上与增益无关。例如，当增益G=2的变压器的源阻抗为50-Ω时，变压器的次级的阻抗为200Ω。AD9246ADC有一个4pF的差分输入电容，其与200Ω的变压器阻抗耦合，会将ADC的-3-dB带宽从650MHz降低到200MHz。为了提高性能并降低转换器的kickback效应，通常需要额外的串联电阻和差分电容，它会进一步将-3-dB带宽限制到100MHz。当使用诸如ADA4937这样的低输出阻抗的放大器时，能得到很低的源阻抗，通常低于5Ω。可以在每个ADC的每个输入端串联一个25-Ω的瞬态限制电阻；对于AD9246，ADC的整个650-MHz模拟输入带宽都是可用的。到目前为止，都是在讨论–3-dB带宽。当需要更严格的平坦度要求时，例如在单极点系统中要达到0.5dB，则–3-dB带宽必须扩大3倍。对于平坦度为0.1dB的单极点系统，–3-dB带宽必须扩大6.5倍。如果要求在150MHz的范围内达到0.5dB的平坦度，则–3-dB带宽必须大于450MHz，这很难由一个G=2的变压器来实现，但采用一个低输出阻抗的放大器可以很容易地实现。问：在选择变压器或放大器来驱动ADC时，需要考虑哪些因素？答：简要地归结为6个参数—显示在下面这张表中：参数通常的首选带宽变压器增益放大器通带平坦度放大器功耗要求变压器噪声变压器放大器（保持直流电平）直流与交流耦合变压器（隔离直流）对于关键参数互相冲突的应用，需要进行额外的分析和折衷考虑。答：一开始，必须了解为一个给定的ADC设计前端电路的难度。首先，确定这个ADC是内部缓冲型的，还是无缓冲型的（例如，开关电容类型）？通常，在这两种情况下，设计难度都随频率的升高而增大。但开关电容类型更难处理。如果需要增益来充分利用ADC的输入范围，那么由于所需的增益（匝数比）增大，采用变压器实现将变得更难，即使其它方面可能偏向于变压器的应用。当然，设计难度随频率的升高而增大。如图3所示，设计一个采用缓冲ADC的低于100MHz的IF系统，要比设计一个采用无缓冲ADC的低信号电平的高IF系统相对容易。由于有太多参数相互冲突，有时很难做出折中选择，而且，在调整和评估元器件时，常常难以弄清这种折中关系。图3.频率与相对难度采用一张电子数据表或普通的表格在设计过程中直接记录所有的参数，会对设计起到帮助作用。不存在一种能满足所有情况的最优设计；设计将受到所提供的元件和应用规范的制约。问：好的，设计可能会很困难，那么现在能否详细地介绍一下系统参数？答：首先，在设计ADC前端时，最重要的一点是要将所有的元件都考虑到！每个元件都应该被看作前一级负载的一部分；当ZSOURCE=共轭ZLOAD时（图4），将达到最大的功率传输。图4.最大功率传输AnalogDialogue41-02,February(2007)3现在来考察设计参数：输入阻抗是设计的特性阻抗。在大多数情况下其为50Ω，但也有可能要求不同的值。变压器是一种很好的阻抗变换器件。用户需要时可以使用变压器在不同的特性阻抗之间进行耦合，并且完全平衡整个系统的负载。在放大器电路中，阻抗被作为输入和输出特性来指定，与变压器不同，放大器的阻抗能够被设计成不随频率变化的固定值。电压驻波比（VSWR）是一个无量纲的参数，能被用来理解在所感兴趣的带宽内有多少功率被反射给负载。它是确定达到ADC满量程输入所需的输入驱动电平的一种重要测量。带宽是系统中所使用的频率范围。可以较窄（处于基带位置），也可以较宽（覆盖多个奈奎斯特区）。它们的频率限制通常是–3-dB点。通带平坦度（也被称作增益平坦度）规定了一个特定带宽内频率响应的（正负）变化量。它可能是纹波或简单的单调下降，类似于巴特沃兹滤波器的特性。无论哪种情况，通常要求带通平坦度小于或等于1dB，其对于整个系统增益的设定十分关键。输入驱动电平由特定应用所需的系统增益决定。它与带宽指标密切相关，并且依赖于诸如滤波器和放大器/变压器等前端元件的选择；这些元件的特性使得驱动电平的要求成为最难获取的参数之一。图6.变压器模型图5.带宽、通带平坦度和输入驱动电平的定义信噪比（SNR）是指在给定的带宽内，满量程信号的有效值与所有噪声成分（不包括失真成分）的和方根值的对数比。对于前端电路，SNR随带宽、抖动以及增益（在低增益时可忽略的放大器噪声在高增益情况下会变得十分显著）的增大而衰减。无杂散动态范围（SFDR）是指满量程的有效值与最大杂散谱成分有效值之比。作为二次谐波失真最大来源的放大器（或变压器非理想平衡）的非线性和通常产生三次谐波失真的输入失配及其被增益放大的效应（增益越高，匹配越困难，并且寄生的非线性效应会被放大），是前端电路中产生杂波的两个主要来源。问：变压器有哪些重要的特性？答：变压器有许多不同的特性—例如电压增益、阻抗比、带宽、插入损耗、幅度和相位非平衡以及反射损耗。其它的要求还可能包括额定功率、配置类型（巴伦或变压器），以及中心抽头选择。采用变压器的设计通常不那么简单。例如，变压器特性随频率会发生改变，这使得其模型变得复杂。图6显示了一个ADC应用中的变压器建模的初步模型的实例。其中的每个参数都取决于所选取的变压器。建议用户与变压器制造商联系，以获取所提供的模型。变压器的特性参数：匝数比是指次级与初级的电压之比。电流比是匝数比的倒数。阻抗比是匝数比的平方。信号增益在理想情况下等于匝数比。虽然电压增益本身是无噪声的，但有一些其它方面的考虑—将在后面进行讨论。变压器可以被简单地看成一个具有额定增益的带通滤波器。插入损耗，整个频率范围内，滤波器的损耗是数据表中可找到的最常见的测量规范，但还有一些附加的考虑因素。反射损耗是从变压器的初级所看到的次级端接的有效阻抗失配的度量。例如，如果次级与初级线圈的匝数比的平方为2:1，则当次级端接负载为100Ω时，在初级上相当于一个50-Ω的反射阻抗。但是，这一关系并不十分精确；例如，初级上的反射阻抗随频率变化。通常，阻抗比越高，反射损耗的波动性越大。幅度和相位非平衡是变压器的关键性能参数。这两个指标告诉设计人员当设计要求很高（超过100MHz）的IF频率时，会出现多大的非线性效应。随着频率的升高，通常主要由相位非平衡所引起的变压器的非线性程度也会增加，其表现为偶次谐波失真（主要是2次谐波）。4AnalogDialogue41-02,February(2007)图7显示了单变压器和双变压器配置中，典型的相位非平衡与频率的关系。图7.单变压器和双变压器配置中的变压器相位非平衡注意，制造商并不是按照同样的方式来指定所有变压器规格的，表面上规格相似的变压器可能会在同样的情况下具有较大的性能差别。为设计选择变压器的最好方法是收集和理解所有待选变压器的规格指标，并索要未在制造商所提供的数据手册中标明的关键数据。作为选择或补充，自己使用网络分析仪测量这些参数和性能会起到一定作用。问：在选择放大器时，哪些参数是最重要的？答：选择放大器而不选择变压器的最主要原因是为了得到更好的通带平整度。如果这一指标对于你的设计十分关键，那么选择放大器能提供在频率范围内通常为±0.1dB的较小波动性。变压器的频率响应具有起伏，如果必须使用而又有平整度要求时，就需要“细调”。驱动能力是放大器的另一个优势。变压器不能用来驱动PC板上的长引线。它们应该被直接与ADC相连。如果系统要求“驱动器／耦合器”必须远离ADC，或在另一块板上，则强烈推荐使用放大器。直流耦合也是使用放大器的原因之一，由于变压器本身是交流耦合的。如果频谱的直流成分在应用中十分重要，则一些高频放大器能在一直降低到直流的所有频率上进行耦合。这样的典型放大器包括AD8138和ADA4937放大器也能提供动态隔离，大约为30dB到40dB的反向隔离，抑制来自无缓冲ADC输入端电流瞬态的反射尖峰脉冲。如果设计要求宽带增益，则放大器能提供比变压器更