由于轉(zhuǎn)換器技術(shù)的改進(jìn),準(zhǔn)確高速解析極高中頻信號(hào)的要求也隨之提高。這帶來了兩大難題:一個(gè)是轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)本身,另一個(gè)是將信號(hào)耦合到轉(zhuǎn)換器的前端設(shè)計(jì)。即使轉(zhuǎn)換器本身設(shè)計(jì)出色,前端設(shè)計(jì)也必須能夠確保信號(hào)質(zhì)量。
高頻高速轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)在眾多應(yīng)用都有涉及,無線基礎(chǔ)設(shè)施和儀器儀表更是推動(dòng)了轉(zhuǎn)換器的跨領(lǐng)域發(fā)展。這些應(yīng)用需要12至16位分辨率的100MSps+高速轉(zhuǎn)換器。(“寬頻帶”表示大于100MHz的信號(hào)帶寬,頻率范圍為1GHz以上)。
前端設(shè)計(jì)背景知識(shí)
“前端”指網(wǎng)絡(luò)或耦合電路(圖1),它把信號(hào)鏈(通常是放大器、增益模塊或調(diào)諧器)的最后一級(jí)與轉(zhuǎn)換器的模擬輸入相連。假設(shè)前面的信號(hào)鏈電路都有適當(dāng)?shù)膸挘С诸l率解析。
圖1. 在這里,前端是信號(hào)鏈的上一級(jí)與ADC輸入之間的耦合電路。
除了提供充足的帶寬,它還需要高線性度、良好的平衡和適當(dāng)?shù)牟季帧?/p>
最后一級(jí),或稱前端電路,也需要有適當(dāng)?shù)膸?,但不限于此。前端電路必須有高線性度,平衡性良好,并妥善地布設(shè)于印刷電路板(PCB),以保持信號(hào)正常。否則轉(zhuǎn)換器會(huì)拾取前端電路產(chǎn)生的非線性信號(hào),在目標(biāo)頻率中表現(xiàn)為失真和噪聲。因此,前端網(wǎng)絡(luò)必須精心設(shè)計(jì),才能滿足任意高速、高分辨率轉(zhuǎn)換器的要求。
前端電路通常分為有源和無源兩類。有源前端電路使用放大器或“增益模塊”將信號(hào)驅(qū)動(dòng)到轉(zhuǎn)換器的模擬輸入。只要選擇合適的放大器,前端電路一般比較容易設(shè)計(jì)。但是,設(shè)計(jì)要求極高頻率時(shí),放大器往往性能有限,其非線性度最多達(dá)到200MHz。事實(shí)上,一些寬頻帶放大器的可用帶寬大于200MHz,但通常功耗較高。
變壓器:技術(shù)規(guī)格、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和類型
變壓器可采用通量耦合變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它本身就是交流耦合,因?yàn)樽儔浩鞲綦x電流,不會(huì)傳送直流電平。它能夠快速輕松地從單端電路轉(zhuǎn)換至差分電路,成為轉(zhuǎn)換器的通用模擬輸入接口。中心抽頭變壓器允許自由設(shè)置共模電平。這些優(yōu)勢(shì)組合可減少前端設(shè)計(jì)所需元件數(shù)量,對(duì)最大程度地降低復(fù)雜性至關(guān)重要。
使用中心抽頭變壓器時(shí)應(yīng)格外謹(jǐn)慎。如果轉(zhuǎn)換器電路的差分模擬輸入之間存在很大的不平衡性,大量的電流可能流經(jīng)變壓器的中心抽頭,可能會(huì)使核心電路產(chǎn)生飽和。例如,如果采用VCM/CML引腳來驅(qū)動(dòng)變壓器的中心抽頭,可能會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定,滿量程模擬信號(hào)過驅(qū)轉(zhuǎn)換器輸入,從而開啟防護(hù)二極管。
變壓器還提供基本無噪聲增益,這取決于設(shè)計(jì)師選擇的匝數(shù)比。理想狀態(tài)下,信號(hào)增益等于變壓器的匝數(shù)比。雖然電壓增益本身無噪聲,不過使用具有電壓增益的變壓器的確能獲取信號(hào)噪聲以及權(quán)衡帶寬。
變壓器可以簡(jiǎn)單地看作是具有標(biāo)稱增益的寬頻帶通帶濾波器。變壓器增益越大,帶寬越小。如今,很難找到GHz頻帶范圍內(nèi)具有低插入損耗性能、阻抗比為1:4的變壓器。
雖然變壓器外觀簡(jiǎn)單,但也不能低估。下面是與理想變壓器(圖2a)兩端的電流和電壓相關(guān)的幾個(gè)簡(jiǎn)單公式。變壓器升壓時(shí),其阻抗負(fù)載會(huì)反射回輸入端。
匝數(shù)比 a = N1/N2表示原邊電壓與副邊電壓的比率。副邊電流與原邊電流的關(guān)系則相反(a = I2/I1),從副邊反射回到原邊的阻抗比等于匝數(shù)比的平方(Z1/Z2 = a2)。變壓器的信號(hào)增益可簡(jiǎn)單地表示為20 log (V2/V1) = 20 log/(Z2/Z1),所以電壓增益為3dB的變壓器,其阻抗比為1:2。
一些偏離理想狀態(tài)的固有和寄生特性會(huì)影響變壓器(圖2b)。每一特性對(duì)變壓器的頻率響應(yīng)和線性度具有一定的影響。依據(jù)前端方案情況,這些特性偏離可能有助于提高性能,也可能會(huì)阻礙性能。圖2b不失為一個(gè)不錯(cuò)的方法,通過變壓器建??傻玫綆掜憫?yīng)、插入損耗和回波損耗的一階預(yù)期值。
圖2. 理想變壓器及其關(guān)系式(a)非常直觀。但在建立實(shí)際變壓器的頻率響應(yīng)和線性度(b)時(shí),自身及寄生特性會(huì)偏離理想狀態(tài)。
變壓器的線性模型更難構(gòu)思和開發(fā)。了解鐵氧體的線性度很重要,開發(fā)此類模型時(shí),仍然會(huì)出現(xiàn)一些未知情況。一些制造商可能會(huì)通過網(wǎng)站或技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)提供建模信息。如果使用硬件執(zhí)行模型分析,設(shè)計(jì)人員還需要網(wǎng)絡(luò)分析儀和少量樣本,才能妥善完成所有測(cè)量。然而,這些方法除了能得到相位不平衡和幅度不平衡數(shù)據(jù),都沒有考慮到線性度的各個(gè)方面,而線性通常會(huì)引起偶次諧波失真。
實(shí)際上所有變壓器都會(huì)有損耗,而且?guī)捠芟拗啤hb于以上的寄生效應(yīng)配置,變壓器可視為寬頻帶帶通濾波器,其帶寬以–3dB帶寬定義。大多數(shù)制造商以1dB、2dB 和3dB帶寬規(guī)定變壓器的頻率響應(yīng)。幅度響應(yīng)伴隨著相位特性。通常一款優(yōu)秀變壓器在其頻率帶寬內(nèi)的相位不平衡為1%到2%。
變壓器的插入損耗,或指定頻率范圍內(nèi)的損耗,是變壓器數(shù)據(jù)手冊(cè)中最常見的測(cè)量規(guī)格。從原邊端接中可見,回波損耗是指變壓器二次端接的有源阻抗不匹配。舉例來說,如果副邊匝數(shù)與原邊匝數(shù)之比的平方為1:2,當(dāng)副邊端接阻抗為200Ω時(shí),應(yīng)該有50Ω的阻抗將會(huì)反射到原邊端接。然而,這種關(guān)系并不準(zhǔn)確。
例如,原邊的反射阻抗隨頻率發(fā)生變化。首先,找出前端設(shè)計(jì)的中心頻率回波損耗。此例中頻率為110MHz。若假設(shè)為理想變壓器,Zo值并非50Ω。從公式3可看出,Zo值要低些:
回波損耗(RL) =–18.9 dB @ 110 MHz = –20*log((50–Zo)/(50 + Zo)) (1)
10^(18.9/20) = ((50 – Zo)/(50 + Zo)) (2)
Zo = 39.8 Ω (3)
該例中,公式3中為原邊端接阻抗Zo,副邊理想阻抗為200Ω。同樣,原邊理想阻抗(50Ω),求解實(shí)際副邊阻抗:
Z(原邊反射阻抗)/Z(副邊理想阻抗) = Z(原邊理想阻抗)/ Z(副邊反射阻抗) (4)
39.8/200 = 50/X (5)
求解X:
X = 251 Ω (6)
變壓器的匝數(shù)比為1:2時(shí),副邊端接阻抗應(yīng)為251Ω。因此,使用更高端接考慮了變壓器內(nèi)的核心損耗,不僅得到更好的匹配,而且改進(jìn)變壓器原邊端接的輸入驅(qū)動(dòng)能力。
輸入驅(qū)動(dòng)能力提高后,只需較少的電力就可達(dá)到轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入。一般來說,隨著阻抗比率的上升,回波損耗的變異也隨之提高。采用任何變壓器匹配前一級(jí)的前端設(shè)計(jì)時(shí),都應(yīng)當(dāng)考慮這一點(diǎn)。
就變壓器或巴倫而言,幅度和相位不平衡是兩個(gè)最關(guān)鍵的性能特征。當(dāng)電路設(shè)計(jì)要求高中頻(100MHz以上)時(shí),設(shè)計(jì)人員可根據(jù)此兩項(xiàng)技術(shù)規(guī)格,考慮合適的線性度。隨著頻率的增加,變壓器的非線性也同時(shí)增長(zhǎng),通常由相位不平衡控制,轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)換器的偶次失真(主要是二次諧波失真)。但不要馬上把原因歸咎于轉(zhuǎn)換器。如果預(yù)期雜散特性差得遠(yuǎn),應(yīng)先查看前端設(shè)計(jì)或變壓器。
圖3. 根據(jù)這個(gè)簡(jiǎn)單的ADC模型進(jìn)行數(shù)學(xué)分析,有助于解釋變壓器非線性度隨不平衡上升的原因。
不平衡(如圖3)因素很關(guān)鍵。須考慮變壓器輸入x(t)。輸入x(t)轉(zhuǎn)換成一對(duì)信號(hào)x1(t)和x2(t)。如果x(t)為正弦曲線,差分輸出信號(hào)x1(t)和x2(t)如下:
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)建模為一個(gè)對(duì)稱三階傳遞函數(shù):
則
理想情況:完全平衡
當(dāng)x1(t) 和x2(t) 完全平衡時(shí),該兩組信號(hào)為同一幅度(k1 = k2= k),恰好是180°錯(cuò)相(Φ = 0°)。因?yàn)椋?/p>
運(yùn)用三角恒等式,收集頻率等信息,如:
出現(xiàn)差分電路的常見結(jié)果。理想信號(hào)的偶次諧波抵消,而奇次諧波沒有抵消。
幅度不平衡
現(xiàn)在假設(shè)兩個(gè)輸入信號(hào)的幅度不平衡,但沒有相位不平衡。此例中,K1≠K2,Φ= 0:
把公式7代入公式3,并再次運(yùn)用公式14的三角恒等式。我們看到公式8中,此時(shí)二次諧波與幅度K1和K2的平方之差成正比,即:
相位不平衡
假設(shè)現(xiàn)在兩個(gè)輸入信號(hào)之間相位不平衡,沒有幅度不平衡。則k1 = k2,Φ≠0 :
把公式10代入公式3,簡(jiǎn)化得到公式17。從公式17我們看到,二次諧波幅值與幅度K的平方成正比:
比較公式15和公式18可看出,二次諧波幅值受相位不平衡的影響比受幅度不平衡的影響更嚴(yán)重。相位不平衡狀態(tài)下,二次諧波與k1的平方成正比。幅度不平衡狀態(tài)下,二次諧波與K1和K2的平方之差成正比。由于K1和K2值大約相等,此差值較小。
高階匝數(shù)比或阻抗比變壓器的耐不平衡性較差。如果無法找到“合適的”變壓器,應(yīng)用的線性也有問題的話,請(qǐng)嘗試使用多個(gè)級(jí)聯(lián)變壓器或巴倫。增加一個(gè)變壓器后,二次諧波失真通常會(huì)減少,因?yàn)榈诙€(gè)變壓器會(huì)發(fā)揮作用,重新平衡之前第一個(gè)變壓器從單端轉(zhuǎn)換為差分的信號(hào)。
某些情況下,可用兩三個(gè)變壓器,協(xié)助在高頻率下更充分地將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)(圖4)。該方法的缺點(diǎn)是電路板空間增加、成本提高、插入損耗(即高投入驅(qū)動(dòng)能力)增大。新款高頻變壓器現(xiàn)已上市。安倫公司(Anaren)的專利設(shè)計(jì)采用無核心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),允許只采用單一設(shè)備的千兆區(qū)域帶寬擴(kuò)展。
圖4. 對(duì)于單端轉(zhuǎn)差分應(yīng)用,可在各種配置中采用多個(gè)變壓器。
并非所有的變壓器制造商會(huì)使用同樣的方法,即使數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格明顯類似,相同情況下變壓器的運(yùn)行情況可能也會(huì)不同。為前端設(shè)計(jì)選擇變壓器的最佳途徑是收集并了解考慮范圍內(nèi)變壓器的所有規(guī)格,并索取制造商數(shù)據(jù)手冊(cè)中沒有說明的其它主要數(shù)據(jù)項(xiàng)。或者,也可使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來衡量變壓器的性能。
寬頻帶的考慮因素
了解變壓器及其技術(shù)規(guī)格,對(duì)弄清前端電路究竟如何運(yùn)行很有幫助。本質(zhì)上講,設(shè)計(jì)寬頻帶網(wǎng)絡(luò)時(shí),其他三個(gè)指標(biāo)也需要加以考慮:帶寬、匹配情況和PCB(印刷電路板)布局本身。每個(gè)指標(biāo)都很重要,對(duì)實(shí)現(xiàn)前端電路所需的最佳性能都有舉足輕重的作用。
雖然變壓器有規(guī)定的帶寬,但是前端電路設(shè)計(jì)可以限制實(shí)際提供帶寬,因?yàn)镻CB固有的和ADC內(nèi)部寄生效應(yīng)往往會(huì)使變壓器提早滾降。即使選擇了適當(dāng)?shù)淖儔浩鲙?,有些設(shè)計(jì)可能也需要比實(shí)際測(cè)量值更高的帶寬。從轉(zhuǎn)換器的角度來看,仍有大量的帶寬。但是,從前端電路設(shè)計(jì)來看,根據(jù)所用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),帶寬可能有限或需要擴(kuò)展。
一種擴(kuò)展變壓器帶寬的方法是:各路轉(zhuǎn)換器模擬輸入(圖5)配置低Q值電感器或高頻鐵氧體磁珠(LS)。通帶平坦度可以改變,但需要運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)重新*估。 圖5b 顯示不同值電感器與帶寬的結(jié)果?;€結(jié)果中,不存在L S。
圖5. 與轉(zhuǎn)換器的模擬端串聯(lián)的低Q電感或高頻鐵氧體磁珠可擴(kuò)展帶寬(a)。不過,這也會(huì)影響通帶紋波(b)。“基線”測(cè)量時(shí)無電感。
前端電路的匹配(圖6)也可能具有不同的含義,取決于設(shè)計(jì)人員。根據(jù)定義,匹配只是表示前端網(wǎng)絡(luò)已確定某一等值源阻抗和負(fù)載阻抗(通常為50Ω)。 信號(hào)源和負(fù)載之間產(chǎn)生最大的信號(hào)功率傳輸,以最大限度減少各種反射。
圖6. 匹配不僅是定義源阻抗,而且要實(shí)現(xiàn)源阻抗和負(fù)載阻抗匹配。為了實(shí)現(xiàn)最大信號(hào)功率傳輸,需針對(duì)目標(biāo)頻帶進(jìn)行優(yōu)化(b)。
通常采取復(fù)雜的共軛匹配方式,因?yàn)檗D(zhuǎn)換器的內(nèi)部輸入阻抗復(fù)雜,前端網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的變壓器也不理想。信號(hào)源確定為前端網(wǎng)絡(luò)的前一級(jí)。負(fù)載包括前端網(wǎng)絡(luò)。這包括變壓器、變壓器副邊端接和轉(zhuǎn)換器模擬輸入之間的端接或?yàn)V波,以及轉(zhuǎn)換器的復(fù)雜輸入阻抗。
匹配也涉及到帶寬。隨著帶寬在前端電路滾降,出現(xiàn)等值源阻抗和負(fù)載阻抗開始分離的良好跡象。預(yù)期帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)前端電路匹配,需要考慮多種規(guī)格才能確保性能不變,不僅涉及動(dòng)態(tài)性能,即信噪比(SNR),而且還有無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。這在高頻時(shí)特別重要,如前所述,前端電路往往會(huì)快速滾降。
特殊的前端電路設(shè)計(jì)為具有10至70MHz的通帶區(qū),使用阻抗比為1:9的變壓器,并配置250MHz的帶寬。通過各種折衷手段,可以運(yùn)用不同的方法來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的邊界條件。常常只有一個(gè)設(shè)計(jì)可行或成為最佳選擇。該例中選中REVL,因?yàn)镽EVL對(duì)于設(shè)計(jì)要求的各種規(guī)格“匹配性”最佳。該設(shè)計(jì)也滿足超過85dB的動(dòng)態(tài)雜散性能。同時(shí)具有整個(gè)目標(biāo)頻帶內(nèi)最好的輸入阻抗匹配,允許92%的信號(hào)功率轉(zhuǎn)移到這個(gè)網(wǎng)絡(luò),并保持低于1dB的通帶平坦度。
“匹配”有時(shí)可能并不嚴(yán)格。但是,匹配后,前端網(wǎng)絡(luò)確定的一些性能參數(shù)在目標(biāo)頻帶內(nèi)確實(shí)得到了優(yōu)化。
布局也是變量,可能會(huì)破壞任何前端設(shè)計(jì),特別是高頻段的前端設(shè)計(jì)。不當(dāng)布局會(huì)弄亂前端設(shè)計(jì),造成意想不到的后果。定義前端設(shè)計(jì)時(shí),不要一下子放棄所有辛苦得到的設(shè)計(jì)成果?;c(diǎn)時(shí)間保持良好對(duì)稱的布局。
如上例所述,使用多個(gè)級(jí)聯(lián)變壓器(圖7)可以抑制偶次諧波失真。這兩個(gè)布局圖描繪出ADC前端使用兩個(gè)變壓器布局之間的微小差異。但是,布局(b)在寬頻率帶運(yùn)行得更好。布局更對(duì)稱,使返回電流或接地基準(zhǔn)趨于正常。
圖7. 相同的級(jí)聯(lián)變壓器(a) 會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果,具體取決于PCB (b和 c)走線的對(duì)稱情況。
快速傅立葉變換(FFT)性能曲線圖(圖8)驗(yàn)證了16位125MSps雙通道ADC-- AD9268的測(cè)量值。使用對(duì)稱布局,得到圖8a 。在-1dBFS下施加140MHz中頻信號(hào),可產(chǎn)生85dB二次諧波。圖8b 顯示同樣條件下非對(duì)稱布局的性能。二次諧波的測(cè)量值為79.5dB,性能損失大于5dB!
圖8. 圖7 (b)中上部變壓器的輸出布局更對(duì)稱,產(chǎn)生的頻譜如左圖所示。
請(qǐng)注意,與右圖的非對(duì)稱設(shè)計(jì)相比,左圖的二次諧波降低5 dB。
鐵氧體與非鐵氧體
傳統(tǒng)上,線繞變壓器或鐵氧體變壓器一直是轉(zhuǎn)換器前端電路設(shè)計(jì)的解決方案,可以將信號(hào)鏈的最后一級(jí)單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào),典型阻抗轉(zhuǎn)換比為1:2、1:1和1:4。頻率低于200MHz時(shí),線繞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供良好的性能,表現(xiàn)出良好的均衡相位和幅度性能,以及較少的插入損耗和回波損耗。
但是,線繞巴倫也有一些缺點(diǎn),最嚴(yán)重的問題是較高頻率下性能降低。線繞巴倫基本上由集總元件組成,低頻率時(shí)運(yùn)行良好,但在較高的頻率下,隨著寄生效應(yīng)的影響越來越明顯,鐵氧體損耗逐漸增加,線繞巴倫的性能隨之降低。
根據(jù)定義,因?yàn)楣ぷ鞑ㄩL(zhǎng)可比得上組件的物理尺寸,所以不適合使用集總元件。然而,安倫公司提供的一系列巴倫,采用非鐵氧體耦合、微波帶狀線結(jié)構(gòu),本身適合在更高的頻率,即200MHz以上使用。
這些巴倫采用耦合帶狀線設(shè)計(jì),使用軟質(zhì)纖維板(聚四氟乙烯/聚四氟乙烯)材料作為電介質(zhì)。此類電介質(zhì)通常損耗低,在較高頻率下,其插入損耗能維持在最小值。此外,這種技術(shù)允許大量的電路集中封裝,盡可能縮減封裝尺寸,采用典型鐵氧體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可節(jié)約高達(dá)80%的空間。
不同于線繞巴倫,安倫公司的巴倫結(jié)構(gòu)(圖9)沒有采用鐵氧體材料。非鐵氧體變壓器技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是對(duì)更寬帶寬的差分阻抗變化不敏感,轉(zhuǎn)換器在采樣電路和保持電路間變動(dòng),使用輸入阻抗有變化的無緩沖模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)這種現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。巴倫或變壓器部分對(duì)轉(zhuǎn)換器阻抗的敏感度可能表現(xiàn)為其性能退化。
圖9. 可以看出,采用相同的 125-Msps 轉(zhuǎn)換器AD9640,分別配以常見的鐵氧體巴倫和安倫公司帶狀線巴倫,通帶平坦度有明顯差異。
設(shè)計(jì)ADC前端的寬帶網(wǎng)絡(luò)時(shí),需要選擇變壓器類型,收集所需的規(guī)格資料,以便選擇最佳應(yīng)用方案。選擇變壓器時(shí)要特別注意其不平衡性能。如以上拓?fù)鋱D所示,網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可能需要兩三個(gè)變壓器。
如果需要額外的帶寬,可在變壓器副邊電路上使用一系列低Q電感或高頻鐵氧體磁珠。但記得要重新*估通帶平坦度,以確保處于控制中。整個(gè)通帶實(shí)現(xiàn)匹配可能不易做到。匹配實(shí)際上應(yīng)該包括優(yōu)化設(shè)計(jì)確定的所有規(guī)格,以獲得轉(zhuǎn)移到前端網(wǎng)絡(luò)的最大功率。
在布局方面,不要忽視前端的對(duì)稱性,或性能可能有所降低。最后還要注意,如今,其它可用的解決方案能夠解決一些最寬帶寬的應(yīng)用難題,改進(jìn)通帶平坦度和在更高頻率下的動(dòng)態(tài)性能,同時(shí)還可節(jié)省PCB空間。