如何設(shè)計GSPS轉(zhuǎn)換器的寬帶前端

作為高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術(shù) 改善，因此需要解決非常高的中間 在高速下準(zhǔn)確頻率 （IF）。這構(gòu)成了兩個 挑戰(zhàn)：轉(zhuǎn)換器設(shè)計本身和前端 將信號內(nèi)容耦合到轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。甚至 如果轉(zhuǎn)換器本身的性能非常好，則前面 端也必須能夠保持信號質(zhì)量。高 頻率、高速轉(zhuǎn)換器設(shè)計存在于許多 當(dāng)今的應(yīng)用，包括雷達(dá)、無線基礎(chǔ)設(shè)施和 儀器突破了這些界限。這些 應(yīng)用需要使用高速 GSPS （每秒千兆采樣）轉(zhuǎn)換器，分辨率為 8 位 到 14 位;但請記住，有許多參數(shù) 需要滿足才能滿足您的“匹配” 特定應(yīng)用。

寬帶，如本文所定義，是使用信號 帶寬大于 +100 MHz，范圍為 1 GHz 至 4 GHz 頻率。在本文中，什么定義了 將討論寬帶無源網(wǎng)絡(luò)，以及 選擇時重要的規(guī)格 變壓器或巴倫以及電流配置 將突出顯示今天使用的拓?fù)?。最?將揭示考慮因素和優(yōu)化技術(shù) 為了幫助讀者實現(xiàn)可行的寬帶 與參數(shù)匹配的千兆赫區(qū)域中的解決方案 的特定應(yīng)用程序。

奠定基礎(chǔ)

自然而然地傾向于GSPS轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用 如雷達(dá)、儀器儀表和通信 觀察，因為這些提供了更寬的頻譜 或奈奎斯特樂隊。然而，更寬的頻譜 對前端設(shè)計提出了更多挑戰(zhàn)。只 因為您購買了具有 1 GHz 奈奎斯特的轉(zhuǎn)換器 樂隊，這仍然意味著您必須包裝正確的組件 在它周圍并密切注意電路的 結(jié)構(gòu)，即前端。當(dāng) 應(yīng)用需要+1GHz超奈奎斯特采樣，其中 光譜信息必須在第二、第三、 或第四奈奎斯特區(qū)。

帶寬快速說明

首先，應(yīng)該討論一些關(guān)于帶寬的注意事項。保持 請注意，轉(zhuǎn)換器的全功率帶寬不同 從轉(zhuǎn)換器“可用”或“采樣”帶寬。全功率 帶寬是轉(zhuǎn)換器需要的帶寬 準(zhǔn)確采集信號，并為內(nèi)部前端 妥善安頓。選擇一個 IF 并在 OUT 中使用轉(zhuǎn)換器 此區(qū)域不是一個好主意，因為性能結(jié)果將 系統(tǒng)中根據(jù)額定分辨率和 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊中說明的性能——完整的 電源帶寬×比 轉(zhuǎn)換器本身的采樣帶寬。設(shè)計是 穩(wěn)定在樣本帶寬附近。所有設(shè)計都應(yīng)避免 使用部分或全部最高頻率部分 額定全功率帶寬;通過這樣做，預(yù)計會降低 動態(tài)性能 （SNR/SFDR）。要確定 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣帶寬 轉(zhuǎn)換器，請參閱數(shù)據(jù)手冊或應(yīng)用支持，如 有時這不是特別給出的。通常，數(shù)據(jù)表 已指定甚至列出生產(chǎn)測試頻率 保證在轉(zhuǎn)換器的 樣本帶寬;但是，關(guān)于這些的更好解釋 行業(yè)帶寬條款需要指定，并且 定義。

巴倫特性和不平衡

曾經(jīng)的應(yīng)用帶寬和高速模數(shù) 轉(zhuǎn)換器已知，選擇前端拓?fù)洌?放大器（有源）或變壓器（無源）。權(quán)衡取舍 兩者之間很長，取決于應(yīng)用程序。為 有關(guān)此主題的更多信息，請參閱 參考資料 3.從現(xiàn)在開始，本文的基礎(chǔ)將 專注于變壓器/巴倫耦合前端 設(shè)計。術(shù)語“巴倫”將用于以下上下文： 指變壓器或巴倫。即使有 兩者在結(jié)構(gòu)和 拓?fù)?，假設(shè)無源設(shè)備用于 耦合并構(gòu)建前端，轉(zhuǎn)換傳入的前端 感興趣的IF，從單端信號到差分信號。

巴倫具有與放大器不同的特性， 選擇設(shè)備時應(yīng)考慮。電壓 增益、阻抗比、帶寬和插入損耗， 幅度和相位不平衡以及回波損耗是其中的一些 這些不同的特征。其他要求可能 包括額定功率、配置類型（如巴倫或變壓器）和中心抽頭選項。使用巴倫進(jìn)行設(shè)計 并不總是直截了當(dāng)?shù)摹＠?，巴?特性隨頻率變化，從而使 期望。一些巴倫對接地、布局、 和中心絲錐聯(lián)軸器。明智的做法是不要完全期望數(shù)據(jù) 巴倫的片是選擇它的唯一依據(jù)。 經(jīng)驗可以在這里發(fā)揮巨大作用，因為巴倫承擔(dān)了 PCB寄生效應(yīng)、外部匹配網(wǎng)絡(luò)、 以及轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部采樣和保持電路（即 負(fù)載）也成為等式的一部分。 選擇巴倫的重要特征是 總結(jié)如下作為指導(dǎo)：

理想情況下，信號增益等于 變壓器。盡管巴倫內(nèi)的電壓增益 固有無噪聲，使用具有電壓增益的巴倫可以 獲取信號噪聲。也可能有一個重大的權(quán)衡 在帶寬上。巴倫應(yīng)該簡單地視為 具有標(biāo)稱增益的寬帶通帶濾波器。因此， 典型趨勢是巴倫中的信號增益越大越少 帶寬。巴倫的電壓增益可以高度可變， 允許更顯著的紋波和滾降 在不需要時獲得。找到 1：4 的阻抗比 變壓器具有良好的千兆赫茲性能是困難的 今天。綜上所述，用戶要警惕;使用1：4，1：8的想法， 和 1：16 阻抗比巴倫以改進(jìn)或優(yōu)化 最終信號鏈級內(nèi)的噪聲系數(shù)應(yīng)該很好 在實驗室中經(jīng)過深思熟慮并驗證。由于帶寬選項 變得有限，以及性能，權(quán)衡是 顯著，迫使性能不比 設(shè)計時的 1：1 或 1：2 阻抗比設(shè)計 千兆赫茲區(qū)域。

巴倫的插入損耗只是對 指定的頻率范圍，是最常見的 測量規(guī)格可在任何巴倫數(shù)據(jù)表中找到。 在電路中實現(xiàn)時，這肯定會改變。 通常，您可以期望頻率范圍的一半 在數(shù)據(jù)手冊中指定。有些比這更糟糕， 取決于巴倫的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對負(fù)載的敏感性 寄生效應(yīng);即電容。這可能是最 誤解了關(guān)于巴倫的參數(shù)，因為它們是 在理想阻抗下進(jìn)行優(yōu)化，無負(fù)載寄生效應(yīng) 情況;即它們的特點是網(wǎng)絡(luò)分析儀。

回波損耗是有效巴倫的失配 次級端接的阻抗，如 主要。例如，如果次級比率的平方 初級匝數(shù)為 4：1，預(yù)計阻抗為 50 Ω 當(dāng)次節(jié)點 終止 200 Ω。但是，這種關(guān)系不是 精確：初級端的反射阻抗隨 頻率，如以下示例所示。

首先，找到指定中心頻率處的回波損耗 對于設(shè)計。在本例中，使用 110 MHz。佐被發(fā)現(xiàn) 不是理想變壓器假設(shè)的50 Ω。是的 更低，如公式3所示。

接下來，將公式3中的初級Zo與公式<>中的主Zo進(jìn)行比值 次級理想阻抗。對主數(shù)據(jù)庫執(zhí)行相同的操作 理想并求解真正的次級阻抗。

因此，這個例子證明的是 251 Ω差分 次端應(yīng)存在終止以反映 主節(jié)點上的負(fù)載為 50 Ω。否則，在前面的階段 信號鏈最終驅(qū)動更重的負(fù)載（~40 Ω）。這 在前一階段導(dǎo)致更多收益;更多增益和 錯誤表示的負(fù)載條件會導(dǎo)致更多的失真 高速轉(zhuǎn)換器將“看到”并因此限制 系統(tǒng)的動態(tài)范圍。一般來說，作為阻抗比 上升，回波損耗的可變性也上升。保留這個 在設(shè)計帶有巴倫的“匹配”前端時牢記。

幅度不平衡和相位不平衡最多 考慮 巴倫。這些參數(shù)很好地衡量了如何 每個單端信號都偏離理想值;等于 幅度和 180° 異相。這兩個規(guī)格 讓設(shè)計人員了解信號線性度有多大 當(dāng)設(shè)計需要時交付給轉(zhuǎn)換器 高（+1000 MHz）中頻頻率。一般來說，他們越多 偏差，性能下降越嚴(yán)重。堅持 那些發(fā)布此信息的變壓器或巴倫 首先是數(shù)據(jù)手冊。如果信息不存在 數(shù)據(jù)表，這可能是這不是一個好的原因 這種高頻應(yīng)用的選擇。記?。鹤鳛?頻率增加，巴倫的非線性也增加 增加，通常由相位不平衡主導(dǎo)，這 轉(zhuǎn)化為更糟糕的偶數(shù)階失真（主要是第 2 次 諧波或H2），如高速轉(zhuǎn)換器所見。甚至 三度相位不平衡會導(dǎo)致顯著的 無雜散動態(tài)范圍內(nèi)的性能下降 或 SFDR。不要很快責(zé)怪轉(zhuǎn)換器，看看 如果預(yù)期數(shù)據(jù)表雜散 很遠(yuǎn)，尤其是H2。

有一些解決方案可以對抗二次諧波 在較高頻率下使用巴倫時失真;為 例如，嘗試在 層疊時尚。兩個，如圖 2 所示，以及一些 在這種情況下，可以使用三個巴倫來幫助轉(zhuǎn)換單端 信號到差分充分跨越高電平 頻率。缺點是空間、成本和插入損耗。 另一個建議是嘗試不同的巴倫。更好的單身 解決方案巴倫就在那里;比如阿納倫· Hyperlabs，Marki微波，迷你電路和 皮秒，僅舉幾例。這些具有專利設(shè)計 使用特殊拓?fù)洌试S擴(kuò)展帶寬 千兆赫茲區(qū)域，提供高水平的平衡，同時 僅使用單個設(shè)備，在某些情況下更小 比常用的標(biāo)準(zhǔn)鐵氧體封裝 今天?

圖1.雙巴倫/變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

請記住，并非所有巴倫都以相同的方式指定 制造商和明顯相似的巴倫 規(guī)格在相同情況下的性能可能不同。 為設(shè)計選擇巴倫的最佳方法是收集和 了解正在考慮的所有巴倫的規(guī)格，以及 請求制造商數(shù)據(jù)中未注明的任何關(guān)鍵數(shù)據(jù)項 床單?；蛘撸蛘吡硗?，它可能有用 使用網(wǎng)絡(luò)分析儀或 系統(tǒng)主板前面的高速模數(shù) 轉(zhuǎn)爐。

關(guān)于使用單巴倫或多巴倫的最后一點說明 拓?fù)洌翰季衷谙辔恢衅鹬瑯又匾淖饔?不平衡也是如此。保持更高的性能優(yōu)化 頻率意味著保持布局的對稱性 可能。否則，跟蹤中的輕微不匹配 使用巴倫的前端設(shè)計可以被證明是無用的（即 動態(tài)范圍限制）。

前端匹配

首先，“匹配”這個詞是一個應(yīng)該使用的術(shù)語 明智。幾乎不可能在每個前端都匹配 目前使用100 MSPS轉(zhuǎn)換器的頻率，更不用說超過一個 100 MHz 頻段。術(shù)語匹配應(yīng)定位為 在給定前端的情況下產(chǎn)生最佳結(jié)果的平均優(yōu)化 設(shè)計。這將是一個包羅萬象的術(shù)語，其中 阻抗、交流性能、信號驅(qū)動強(qiáng)度和 帶寬及其通帶平坦度產(chǎn)生最佳結(jié)果 對于該特定應(yīng)用程序。

這意味著每個參數(shù)都應(yīng)該有一個特定的權(quán)重 每個應(yīng)用程序的重要性。在某些情況下，對于 例如，帶寬可能是最重要的規(guī)范和 因此，如果出現(xiàn)以下情況，則允許其他參數(shù)受到一些影響 可以實現(xiàn)適量的帶寬。在圖 2 中， 圖中顯示了 GSPS 轉(zhuǎn)換器的輸入網(wǎng)絡(luò)。每 網(wǎng)絡(luò)中的電阻器就像一個變量，但是每個 這些電阻值是可變的，以產(chǎn)生基本相同的電阻值 輸入阻抗性能參數(shù)將隨 如表1所示。

圖2.通用前端網(wǎng)絡(luò)。

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本質(zhì)上，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)大致為 相同，但這三個示例之間產(chǎn)生了結(jié)果 在所需的測量參數(shù)中是不同的 設(shè)計前端網(wǎng)絡(luò)。這里的比賽是最好的 所有涉及的參數(shù)的結(jié)果，在本例中超過 需要 2.5 GHz 的帶寬。這縮小了選擇范圍 向下到案例 1 和案例 2，如圖 3 所示。

圖3.帶寬匹配。

在案例 1 和案例 2 之間進(jìn)一步看，很容易 看到案例 2 更可取，原因有二。 第一，通帶平坦度在 2 GHz 區(qū)域;二、輸入驅(qū)動小于2 dBm 案例 3.這進(jìn)一步減少了對RF增益的限制 向上信號鏈以實現(xiàn)滿量程的高電平 巴倫初級速度轉(zhuǎn)換器。案例 1 似乎 成為此示例中的最佳匹配項。

總結(jié)

從理論上講，GSPS轉(zhuǎn)換器易于使用 采樣更寬的帶寬以覆蓋多個頻段 關(guān)注或緩解前端RF條上的混音下降階段; 但是，在 1 GHz 范圍內(nèi)實現(xiàn)帶寬可能會帶來 設(shè)計高性能轉(zhuǎn)換器前端的挑戰(zhàn) 網(wǎng)絡(luò)。請記住指定 巴倫，其中相位不平衡將變得很重要 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器了解的內(nèi)容 例如，作為最佳二階線性度。即使當(dāng) 選擇巴倫，不要通過使用而丟棄其性能 布局技術(shù)不佳，警惕匹配網(wǎng)絡(luò) 適當(dāng)?shù)?。請記住，有許多參數(shù)需要 滿足以滿足您的特定匹配 應(yīng)用

審核編輯：郭婷