在高性能数字转换器(ADC)之前设计输入配置或“前端”对于实现理想的系统性能至关重要。优化总体设计取决于许多因素，包括应用程序的性质、系统分区和ADC体系结构。下面的问题和答案强调了影响使用放大器和变压器电路的ADC前端设计的重要实际考虑因素。
Q。放大器和转换器的根本区别是什么?
一个。放大器是有源元件，而变压器是无源元件。放大器，像所有有源元件一样，消耗功率并增加噪音;变压器不耗电，噪音可以忽略不计。两者都有需要处理的动态效应。
Q。为什么要用放大器?
一个。放大器性能的限制比变压器少。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。另一方面，如果需要，变压器提供电隔离。放大器更容易提供增益，因为它们的输出阻抗基本上与增益无关。另一方面，变压器的输出阻抗随电压增益的平方而增加，这取决于匝数比。放大器在通带中提供更平坦的响应，没有由于变压器中的寄生相互作用而产生的纹波。
Q。放大器通常会增加多少噪声，我能做些什么来减少它?
一个。一个典型的放大器，例如ADA4937，当配置为G = 1时，其高频输出噪声谱密度为6 nV/rtHz，而80 msps AD9446-80 ADC的输入噪声谱密度为10 nV/rtHz。这里的问题是放大器的噪声带宽相当于ADC的全带宽，约为500 MHz，而ADC噪声被折叠到一个奈奎斯特区(40 MHz)。如果没有滤波器，那么放大器的集成噪声变为155 μ V rms, ADC变为90 μ V rms。理论上，这会使整个系统的信噪比(SNR)降低6db。为了通过实验证实这一点，在ADA4937驱动AD9446-80时，测量到的信噪比为76 dBFS，本底噪声为-118 dB(图1)。在变压器驱动时，信噪比为82 dBFS。驱动放大器因此降低了6 dB的信噪比。
图1所示 ADA4937放大器以80 MSPS驱动AD9446-80 ADC，无噪声滤波器。
为了更好地利用ADC的信噪比，在放大器和ADC之间插入一个滤波器。使用100 mhz的2极滤波器，放大器的集成噪声变为71 μ V rms，使ADC的信噪比仅降低3 dB。使用2极滤波器将图1电路的信噪比性能提高到79 dBFS，本底噪声为-121 dB，如图2a所示。2极滤波器由24欧姆电阻和30个nH电感串联到放大器的每个输出，以及一个47-pF差分连接电容器(图2b)组成。
图2 a 驱动带有100 mhz噪声滤波器的AD9446-80。
图2 b ADA4937放大器驱动AD9446-80 ADC的2极噪声滤波器80 MSPS原理图。
Q。高速放大器和adc在功耗方面比较如何?
一个。这取决于所使用的放大器和ADC。功耗相似的两个典型放大器是AD8352和ADA4937，前者在5 V (185 mW)时功耗为37 mA，后者在5 V (200 mW)时功耗为40 mA。通过使用3.3 v电源，总体功耗可以降低约三分之一，但性能略有下降。根据分辨率和速度的不同，adc在功耗方面具有更多的多样性。16位80 msps AD9446 - 80的功耗为2.4 W, 14位125 msps AD9246-125的功耗为415 mW，而12位20 msps AD9235-20的功耗仅为95 mW。
Q。什么时候需要用变压器?
一个。与放大器相比，变压器在非常高的信号频率下提供了最大的性能优势，当ADC输入端不能容忍显著的额外噪声时。
Q。变压器和放大器在提供增益时有什么不同?
一个。主要区别在于它们呈现给ADC输入的阻抗，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有关，而放大器的输入和输出阻抗基本上与增益无关。
例如，当从50欧姆源阻抗使用G = 2变压器时，在变压器二次侧看到的阻抗为200欧姆。AD9246 ADC的差分输入电容为4pf，再加上200欧姆的变压器阻抗，可将ADC的- 3db带宽从650 MHz降低到200 MHz。通常需要额外的串联电阻和差分电容来提高性能并减少转换器的反反馈，这可能会进一步限制-3-dB带宽，可能限制到100 MHz。
当使用低输出阻抗放大器(如ada4937)时，结果是一个非常低的源阻抗，通常小于5欧姆。25欧姆的瞬时限制电阻可与每个ADC输入串联使用;在AD9246的情况下，ADC的全部650-MHz输入带宽将可用。
到目前为止，讨论的焦点是- 3db带宽。当需要更严格的平坦度时，例如在一极系统中需要0.5 dB，则- 3-dB带宽需要大约3倍宽。对于0.1 db的单极平整度，比值增加到6.5×。如果在高达150 MHz时需要0.5 dB平坦度，则需要大于450 MHz的- 3 dB带宽，这对于G = 2变压器很难实现，但对于低输出阻抗放大器则很容易实现。
Q。在选择变压器或放大器驱动ADC时应考虑哪些因素?
一个。它们可以归结为六个参数，如下表所示:
| 参数 | 通常的偏好 |
| 带宽 | 变压器 |
| 获得 | 放大器 |
| 通带平整度 | 放大器 |
| 电力需求 | 变压器 |
| 噪音 | 变压器 |
| 直流对交流耦合 | 放大器(直流电平保持) 变压器(直流隔离) |
关键参数冲突的应用程序需要额外的分析和权衡。
Q。在这个分析中有哪些需要考虑的因素?
一个。首先必须了解为给定ADC设计前端的难度。首先，ADC是内部缓冲的，还是非缓冲的(例如，开关电容类型)?当然，在这两种情况下，难度都会随着频率的增加而增加。但是开关电容类型对于设计者来说是比较难处理的。
如果需要增益来充分利用ADC的输入范围，则随着所需增益(匝数比)的增加，原本可能支持变压器的应用变得更加困难。
当然，难度随着频率的增加而增加。与使用非缓冲ADC的低信号电平高中频设计相比，使用缓冲ADC设计100 MHz以下中频系统相对简单，如图3所示。由于有如此多的参数指向不同的方向，在组件被更改和评估时，权衡有时很困难，而且常常令人困惑。
图3 频率vs.相对难度。
当设计向前推进时，使用电子表格或表格来保持所有参数的正确性可能会很有用。不存在满足所有情况的最佳设计;它将取决于可用的组件和应用程序规范。
Q。好吧，设计是很困难的。现在，关于系统参数的一些细节如何?
一个。首先，在设计ADC前端时，考虑到所有因素是至关重要的!每个组件应被视为前一阶段负载的一部分;最大功率传输发生在Z(SOURCE) =共轭Z(LOAD)时(图4)。
图4 最大功率传输。
现在是设计参数:
输入阻抗是设计的特性阻抗。在大多数情况下，它是50欧姆，但可能需要不同的值。该变压器是一种很好的跨阻装置。它允许用户在需要时在不同的特性阻抗之间进行耦合，并充分平衡系统的总体负载。在放大器电路中，阻抗被指定为输入和输出特性，可以设计成不像变压器那样随频率变化。
电压驻波比是一个无量纲参数，可用于了解在感兴趣的带宽上有多少功率被反射到负载中。作为一项重要的测量，它决定了实现ADC满量程输入所需的输入驱动电平。
带宽是系统中使用的频率范围。它们可以窄或宽，在基带，或覆盖多个奈奎斯特区。它们的频率限制通常是- 3db点。
滤波器通平面度(也称为增益平坦度)指定在指定带宽内响应随频率变化的量(正和负)。它可能是一个波纹或简单的单调滚动，像巴特沃斯滤波器的特点。无论哪种情况，通带平坦度通常要求小于或等于1 dB，这对于设置整个系统增益至关重要。
输入驱动电平是由特定应用所需的系统增益决定的。它与带宽规格密切相关，并取决于所选择的前端组件，如滤波器和放大器/变压器;它们的特性可能导致驱动电平要求成为最难维持的参数之一。
图5 带宽、通带平坦度和输入驱动电平定义。
信噪比(SNR)是满量程信号的均方根值与给定带宽内所有噪声分量平方根之比的对数，但不包括失真分量。就前端而言，信噪比会随着带宽、抖动和增益的增加而降低(在高增益时，在低增益时可以忽略不计的放大器噪声成分可能会变得显著)。
无杂散动态范围是全尺寸有效值与最大杂散谱分量有效值之比。前端杂散的两个主要贡献者是放大器的非线性(或变压器缺乏完美平衡)，它主要产生二次谐波失真，以及输入失配及其增益放大(在高增益时，匹配更加困难，寄生非线性被放大)，通常被视为三次谐波失真。
Q。了解变压器有什么重要的?
一个。变压器有许多不同的特性，如电压增益和阻抗比、带宽和插入损耗、幅度和相位不平衡以及回波损耗。其他要求可能包括额定功率、配置类型(如平衡器或变压器)和中心分接选项。
设计变压器并不总是直截了当的。例如，变压器特性随频率变化，从而使模型复杂化。图6中显示了为ADC应用程序建模变压器的起点示例。每个参数都取决于所选的变压器。如果有变压器型号，建议联系变压器生产厂家获取。
图6 变压器模型。
变压器的特点包括:
匝比是次级电压与初级电压的比值。
流动比率与匝数比成反比。
阻抗比是匝数比的平方。
信号增益理想情况下等于转数比。虽然电压增益本质上是无噪声的，但还有其他考虑因素将在下面讨论。
变压器可以简单地看作具有标称增益的通带滤波器。插入损耗滤波器在指定频率范围内的损耗是数据表中最常见的测量规格，但还有其他考虑因素。
回波损耗测量变压器初级端有效阻抗的不匹配程度。例如，如果次级匝数与初级匝数之比的平方为2:1，则当次级匝数端接为100欧姆时，预计将有50欧姆的阻抗反射到初级匝数上。然而，这种关系并不精确;例如，原片上的反射阻抗随频率变化。一般来说，当阻抗比增大时，回波损耗的可变性也增大。
振幅- - -相不平衡是考虑变压器时的关键性能特征。这两个规范让设计人员了解，当设计需要非常高(100 MHz以上)的中频频率时，预期会出现多大程度的非线性。随着频率的增加，变压器的非线性也增加，通常以相位不平衡为主，转化为偶阶畸变(主要是2次谐波)。
图7显示了单变压器和双变压器配置的典型相位不平衡作为频率的函数。
图7 单变压器和双变压器配置的变压器相位不平衡。
请记住，并非所有的变压器都是由所有的制造商以相同的方式指定的，并且具有明显相似规格的变压器可能在相同的情况下表现不同。为您的设计选择变压器的最佳方法是收集和了解正在考虑的所有变压器的规格，并索取制造商数据表中未说明的任何关键数据项。另外，使用网络分析器自己测量它们的性能可能会很有用。
Q。在选择放大器时，哪些参数是重要的?
一个。使用放大器而不是变压器的主要原因是为了获得更好的通带平坦度。如果此规格对您的设计至关重要，则放大器应产生较小的变异性，在频率范围内通常为±0.1 dB。变压器有块状响应，在必须使用时需要“微调”，而平整度是一个问题。
驱动能力是放大器的另一个优点。变压器不是为驱动PC板上的长走线而制造的。它们用于直接连接到ADC。如果系统要求要求“驱动器/耦合器”需要远离ADC，或在不同的电路板上，则强烈建议使用放大器。
直流耦合也可能是使用放大器的一个原因，因为变压器本身就是交流耦合的。一些高频放大器可以一直耦合到直流电频率，如果这部分频谱在应用中很重要的话。要考虑的典型放大器包括AD8138和ADA4937。
放大器还可以提供动态隔离，大约30 dB到40 dB的反向隔离，以抑制来自非缓冲ADC输入电流瞬态的反激故障。
如果设计要求宽带增益，放大器提供比变压器更好的匹配ADC的输入。
另一个权衡是带宽与噪声。对于涉及频率大于150 MHz的设计，变压器将更好地保持信噪比和SFDR。然而，在第一或第二奈奎斯特区域内，可以使用变压器或放大器。
Q。驱动高性能adc的首选放大器是什么?
一个。少数几种放大器最适合高速ADC前端。其中包括AD8138和AD8139;AD8350、AD8351和AD8352;以及ADA4937和ADA4938。AD8139通常用于基带设计，即感兴趣的输入频率小于50 MHz。对于高中频设计，通常使用AD8352。该放大器显示良好的噪声和杂散抑制在更宽的频带频率，高达200mhz区域。ADA4937可用于高达150 MHz的频率;它的主要优点是在具有adc的直流耦合应用中，因为它可以处理大范围的共模输出电压。
Q。我可能使用的adc的重要特性是什么?
一个。流行的CMOS开关电容ADC没有内部输入缓冲器，因此它的功耗比缓冲类型低得多。外部源直接连接到ADC的内部开关电容采样保持(SHA)电路(图8)。这带来了两个问题。首先，输入阻抗随时间和模式在采样和保持之间切换而变化。其次，注入采样电容器的电荷反射回信号源;这可能会导致驱动电路中无源滤波器的沉降延迟。
图8 开关电容ADC输入级框图。
将外部网络与ADC轨道模式阻抗匹配非常重要，如图9所示。正如你所看到的，输入阻抗的真实(电阻)部分(蓝线)在较低的频率(基带)是非常高的(在几千姆的范围内)，在100兆赫以上滚动到不到2兆赫。
输入阻抗的虚数或容性部分，即红线，开始时是相当高的容性负载，在高频时逐渐减小到约3pf(右刻度)。
匹配这种输入结构是一个相当具有挑战性的设计问题，特别是在大于100 MHz的频率下。
图9 轨迹模式下开关电容ADC的典型输入阻抗图。
图10和图11中的波形说明了差分信号的优点。乍一看，图10中的单个单端ADC输入波形看起来非常糟糕。然而，图11显示了单端走线的损坏几乎完全是一种共模效应。
图10 开关电容ADC输入相对于时钟边缘的单端测量。
图11 开关电容ADC输入相对于时钟边缘的差分测量。
用差分法观察ADC输入(图11)，可以看到输入信号清晰得多。与时钟相关的故障消失了。差分信号固有的共模抑制消除了来自电源、数字源或电荷注入的共模噪声。
缓冲输入adc更容易理解和使用。输入源端接一个固定的阻抗。这是由一个晶体管级缓冲，驱动转换过程在低阻抗，所以电荷注入尖峰和开关瞬态显著减少。与开关电容ADC不同，输入端在ADC的输入频率范围内几乎没有变化，因此选择合适的驱动电路要容易得多。缓冲器是专门设计成非常线性，具有低噪声;它唯一的缺点是它的功耗导致ADC整体耗散更多的功率。
Q。你能给我举一些变压器和放大器驱动电路的例子吗?
一个。图12显示了使用变压器的四个ADC输入配置示例。
在基带应用(a)中，输入阻抗要高得多，因此匹配比更高频率下的匹配更直接，也不像匹配那么关键。通常，小值串联电阻器将足以抵消电荷注入与差分连接的电容器。这种简单的滤波器可以衰减宽带噪声，实现最佳性能。
为了在宽带应用中获得一个匹配良好的输入(b)，尝试使输入的实(阻)分量占主导地位。将电感器或铁氧体珠与前端并联或串联的电容项最小化。这可以产生良好的带宽，改善增益平坦度，并提供更好的性能(SFDR)，如使用AD92xx开关电容ADC系列所见。
对于缓冲的高中频应用(c)，显示了双平衡配置，带有类似基带配置的滤波器。这允许输入高达300 MHz，并提供良好的平衡，以尽量减少偶阶失真。
对于窄带(谐振)应用(d)，拓扑结构与宽带类似。然而，匹配是在分流而不是串联，以缩小带宽到指定的频率。
图12 带变压器驱动的ADC前端设计。
当在基带应用中使用带缓冲或无缓冲ADC的放大器时，设计相当简单(图13)。只需确保放大器的共模电压与ADC共享，并使用简单的低通滤波器来消除不必要的宽带噪声(a)。对于中频应用(b和c)，匹配网络本质上与基带中的网络相似，但通常具有更浅的滚降。电感或铁氧体磁珠可用于放大器的输出，以帮助延长带宽，如果需要的话。然而，这并不总是必要的，因为放大器的特性比变压器的特性更不容易在感兴趣的频带上发生变化。对于窄带或谐振应用(d)，滤波器与放大器的输出阻抗匹配，以抵消ADC的输入电容。通常使用多极滤波器去除感兴趣频率区域以外的宽带噪声。
图13 带放大器驱动的ADC前端设计。
Q。你能总结一下要点吗?
一个。当面对一个新的设计时，请记住:
理解设计的难度。
对设计中的重要参数进行排序。
在确定变压器或放大器的总负载时，包括ADC输入阻抗和输入电路中的外部元件。
在选择变压器时，请始终记住:
并不是所有的变压器都是一样的。
了解变压器规格。
向制造商询问未给出的参数，和/或进行建模。
高中频设计对变压器相位不平衡很敏感。
对于非常高的中频设计，可能需要两个变压器或平衡器来抑制偶阶畸变。
在选择放大器时，请始终记住:
注意噪音规格。
了解放大器规格。
对于低中频或基带频率，使用AD8138/AD8139。
对于中频，使用ADA4937。
对于高中频设计，请使用AD8352。
放大器对不平衡不敏感，能自动抑制偶阶失真。
一些放大器可以直流耦合到ADC的输入端，例如AD8138/AD8139和ADA4937/ADA4938。
放大器固有地将输入源与输出长效应隔离开来，因此在处理敏感输入源时比变压器更有用。
放大器可以驱动很长的距离，当系统分区在设计中指定两个或多个电路板时特别有用。
放大器可能需要另一个电源域，并且总是会增加系统功率需求。
在选择ADC时，请始终记住:
ADC内部有缓冲吗?
开关电容adc具有时变输入阻抗，并且在高中频下更难以设计。
如果使用无缓冲ADC，则始终在轨道模式下输入匹配。
即使在高if下，缓冲adc也更容易设计。
缓冲adc往往会消耗更多的功率。
最后:
基带设计是最简单的ADC类型。
使用铁氧体珠或低q电感器调谐开关电容adc的输入电容。这样可以最大限度地提高输入带宽，创建更好的输入匹配，并保持SFDR。
可能需要两个变压器来处理高if。
Q。再给我一些参考资料好吗?
AN-742，开关电容adc的频域响应。
AN-827，一种放大器与开关电容adc接口的谐振方法。
