應用工程師咨詢：ADC的放大器或變壓器驅(qū)動？

Rob Reeder 和 Jim Caserta

在高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）之前設(shè)計輸入配置或“前端”對于實現(xiàn)所需的系統(tǒng)性能至關(guān)重要。優(yōu)化整體設(shè)計取決于許多因素，包括應用的性質(zhì)、系統(tǒng)分區(qū)和ADC架構(gòu)。以下問題和答案重點介紹了影響使用放大器和變壓器電路的ADC前端設(shè)計的重要實際考慮因素。

Q. 放大器和變壓器之間的根本區(qū)別是什么？

A。放大器是有源元件，而變壓器是無源元件。與所有有源元件一樣，放大器會消耗功率并增加噪聲;變壓器不消耗電力，增加的噪音可以忽略不計。兩者都有動態(tài)效應需要處理。

問。 為什么要使用放大器？

A。放大器性能的限制比變壓器少。如果必須保持直流電平，則必須使用放大器，因為變壓器本質(zhì)上是交流耦合器件。另一方面，變壓器在需要時提供電流隔離。放大器更容易提供增益，因為它們的輸出阻抗基本上與增益無關(guān)。另一方面，變壓器的輸出阻抗隨電壓增益的平方而增加，這取決于匝數(shù)比。放大器在通帶內(nèi)提供更平坦的響應，沒有由于變壓器中的寄生相互作用而產(chǎn)生的紋波。

問。放大器通常會增加多少噪聲，我能做些什么來降低噪聲？

一個。例如，可以考慮的典型放大器ADA4937在配置為G = 1時，高頻下的輸出噪聲頻譜密度為6 nV/rtHz，而10 MSPS AD80-9446 ADC的輸入噪聲頻譜密度為80 nV/rtHz。這里的問題是，放大器的噪聲帶寬相當于ADC的全帶寬，約為500 MHz，而ADC噪聲則折疊到一個奈奎斯特區(qū)（40 MHz）。如果沒有濾波器，放大器的積分噪聲為155 μV rms，ADC的積分噪聲為90 μV rms。從理論上講，這會將整個系統(tǒng)的SNR（信噪比）降低6 dB。為了通過實驗證實這一點，ADA4937驅(qū)動AD9446-80時測得的SNR為76 dBFS，本底噪聲為–118 dB（圖1）。使用變壓器驅(qū)動時，SNR 為 82 dBFS。因此，驅(qū)動放大器將SNR降低了6 dB。

圖1.ADA4937放大器，以9446 MSPS驅(qū)動AD80-80 ADC，不帶噪聲濾波器。

為了更好地利用ADC的SNR，在放大器和ADC之間插入了一個濾波器。使用100 MHz 2極點濾波器時，放大器的積分噪聲變?yōu)?1 μV rms，僅將ADC的SNR降低3 dB。使用2極點濾波器可將圖1電路的SNR性能提高到79 dBFS，本底噪聲為-121 dB，如圖2a所示。2 極點濾波器由 24 歐姆電阻和 30 nH 電感器構(gòu)成，與放大器的每個輸出串聯(lián)，以及一個 47pF 差分連接的電容器（圖 2b）。

圖 2b.ADA4937放大器使用9446極點噪聲濾波器以80 MSPS驅(qū)動AD80-2 ADC的原理圖。

問。 高速放大器和ADC的功耗如何比較？

A。 這取決于所使用的放大器和ADC。功耗相似的兩個典型放大器是AD8352，37 V （5 mW）時功耗為185 mA，ADA4937在40 V （5 mW）時功耗為200 mA。通過使用 3.3V 電源，總功耗可降低約 16/80，性能略有下降。ADC的功耗更加多樣化，具體取決于分辨率和速度。9446位、80 MSPS AD2-4功耗為14.125 W，9246位、125 MSPS AD415-12功耗為20 mW，9235位、20 MSPS AD95-<>功耗僅為<> mW。

問。什么時候需要使用變壓器？

A。與放大器相比，變壓器在信號頻率非常高時具有最大的性能優(yōu)勢，并且當ADC輸入端不能容忍大量額外噪聲時。

問。 變壓器和放大器在提供增益時有何不同？

A。 主要區(qū)別在于它們呈現(xiàn)給ADC輸入的阻抗，這直接影響系統(tǒng)帶寬。變壓器的輸入阻抗和輸出阻抗與匝數(shù)比的平方有關(guān)，而放大器的輸入和輸出阻抗基本上與增益無關(guān)。

例如，當從2歐姆的源阻抗使用G = 50變壓器時，變壓器次級側(cè)的阻抗為200歐姆。AD9246 ADC的差分輸入電容為4 pF，與200 Ω變壓器阻抗相結(jié)合，可將ADC的–3 dB帶寬從650 MHz降低至200 MHz。 通常需要額外的串聯(lián)電阻和差分電容來提高性能并減少轉(zhuǎn)換器的反沖，這會進一步限制–3 dB帶寬。 可能達到 100 MHz。

使用低輸出阻抗放大器（如ADA4937）時，源阻抗非常低，通常小于5 Ω。25 歐姆瞬態(tài)限制電阻可與每個 ADC 輸入串聯(lián)使用;對于AD9246，ADC的全650 MHz模擬輸入帶寬是可用的。

到目前為止，討論的是關(guān)于–3 dB帶寬。當需要更緊密的平坦度時，例如在0極系統(tǒng)中為5.1 dB，?3 dB帶寬需要寬約3×。對于單極0.1 dB平坦度，該比率增加到6.5×。如果在高達0 MHz時需要5.150 dB平坦度，則需要大于3 MHz的–450 dB帶寬，這很難通過G = 2變壓器實現(xiàn)，但使用低輸出阻抗放大器則很簡單。

問。 選擇變壓器或放大器來驅(qū)動ADC時需要考慮哪些因素？

A。它們可以歸結(jié)為六個參數(shù) — 如下表所述：

關(guān)鍵參數(shù)沖突的應用需要額外的分析和權(quán)衡。

問。此分析中有哪些考慮因素？

A。首先必須了解為給定ADC設(shè)計前端的難度。首先，ADC是內(nèi)部緩沖，還是無緩沖（例如，開關(guān)電容類型）？當然，在任何一種情況下，難度級別都會隨著頻率的增加而增加。但開關(guān)電容類型對設(shè)計人員來說更難處理。

如果需要增益來充分利用ADC的輸入范圍，則隨著所需增益（匝數(shù)比）的增加，原本可能有利于變壓器的應用變得更加困難。

當然，難度會隨著頻率的增加而增加。如圖100所示，與使用無緩沖ADC的低信號電平高中頻設(shè)計相比，使用緩沖ADC設(shè)計低于3 MHz的中頻系統(tǒng)相對簡單。由于如此多的參數(shù)朝著不同的方向拉動，在更改和評估組件時，權(quán)衡有時很困難，而且經(jīng)常令人費解。

圖3.頻率與相對難度。

在設(shè)計進行時，使用電子表格或表格來保持所有參數(shù)的直線可能會很有用。沒有滿足所有情況的最佳設(shè)計;它將受可用組件和應用規(guī)格的約束。

問。 好吧，設(shè)計可能很困難。現(xiàn)在，有關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的一些詳細信息如何？

A。首先，在設(shè)計ADC前端時，必須考慮所有因素！每個組件都應被視為前一級載荷的一部分;并且最大功率傳輸發(fā)生在 Z源= 共軛物 Z負荷（圖4）。

圖4.最大功率傳輸。

現(xiàn)在來看設(shè)計參數(shù)：

輸入阻抗是設(shè)計的特性阻抗。在大多數(shù)情況下，它是 50 歐姆，但可能需要不同的值。變壓器是很好的跨阻器件。它允許用戶在需要時在不同的特性阻抗之間進行耦合，并完全平衡系統(tǒng)的整體負載。在放大器電路中，阻抗被指定為輸入和輸出特性，可以設(shè)計為不會像變壓器那樣隨頻率變化。

電壓駐波比（VSWR）是一個無量綱參數(shù)，可用于了解在目標帶寬上有多少功率反射到負載中。它是一項重要措施，它決定了實現(xiàn)ADC滿量程輸入所需的輸入驅(qū)動電平。

帶寬是系統(tǒng)中使用的頻率范圍。它們可以是窄的或?qū)挼模诨鶐?，或覆蓋多個奈奎斯特區(qū)。它們的頻率限制通常為 –3 dB 點。

通帶平坦度（也稱為增益平坦度）指定了指定帶寬內(nèi)響應隨頻率變化的（正負）變化量。它可能是漣漪或簡單的單調(diào)滾降，就像巴特沃茲濾波器特性一樣。無論如何，通帶平坦度通常要求小于或等于1 dB，這對于設(shè)置整體系統(tǒng)增益至關(guān)重要。

輸入驅(qū)動電平由特定應用所需的系統(tǒng)增益決定。它與帶寬規(guī)格密切相關(guān)，取決于所選的前端組件，例如濾波器和放大器/變壓器;它們的特性可能導致驅(qū)動器級別要求成為最難維護的參數(shù)之一。

圖5.定義帶寬、通帶平坦度和輸入驅(qū)動電平。

信噪比（SNR）是滿量程信號的均方根值與給定帶寬內(nèi)所有噪聲分量的和方根的對數(shù)比，但不包括失真分量。就前端而言，SNR隨著帶寬、抖動和增益的增加而降低（在高增益下，在低增益下可能可以忽略不計的放大器噪聲成分可能會變得很大）。

無雜散動態(tài)范圍（SFDR）是均方根滿量程值與最大雜散頻譜分量的均方根值之比。前端雜散的兩個主要因素是放大器的非線性（或變壓器缺乏完美平衡），這主要產(chǎn)生二次諧波失真，以及輸入失配及其由增益放大（在較高增益下，匹配更困難，寄生非線性被放大），通常被視為三次諧波失真。

問。 關(guān)于變壓器，需要了解哪些重要信息？

A。變壓器具有許多不同的特性，例如電壓增益和阻抗比、帶寬和插入損耗、幅度和相位不平衡以及回波損耗。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。

使用變壓器進行設(shè)計并不總是那么簡單。例如，變壓器特性隨頻率變化，從而使模型復雜化。ADC應用變壓器建模的起點示例如圖6所示。每個參數(shù)都取決于所選的變壓器。建議您聯(lián)系變壓器制造商以獲取型號（如果有）。

圖6.變壓器模型。

變壓器的特點包括：

匝數(shù)比是次級電壓與初級電壓的比值。

流動比率與匝數(shù)比率成反比。

阻抗比是匝數(shù)比的平方。

理想情況下，信號增益等于匝數(shù)比。雖然電壓增益本質(zhì)上是無噪聲的，但還有其他考慮因素，將在下面討論。

變壓器可以簡單地視為具有標稱增益的通帶濾波器。插入損耗（濾波器在指定頻率范圍內(nèi)的損耗）是數(shù)據(jù)手冊中最常見的測量規(guī)格，但還有其他考慮因素。

回波損耗是變壓器初級端接所見次級端接有效阻抗不匹配的量度。例如，如果次級與初級匝數(shù)之比的平方為2：1，則當次級端接50歐姆時，預計100歐姆的阻抗會反射到初級端上。但是，這種關(guān)系并不準確;例如，初級端的反射阻抗隨頻率變化。通常，隨著阻抗比的上升，回波損耗的可變性也會增加。

在考慮變壓器時，幅度和相位不平衡是關(guān)鍵性能特征。這兩個規(guī)格使設(shè)計人員了解當設(shè)計需要非常高（高于100 MHz）的IF頻率時，預期的非線性程度。隨著頻率的增加，變壓器的非線性度也隨之增加，通常以相位不平衡為主，這轉(zhuǎn)化為偶數(shù)階失真（主要是2德·-諧波）。

圖7顯示了單變壓器和雙變壓器配置的典型相位不平衡與頻率的關(guān)系。

圖7.單變壓器和雙變壓器配置的變壓器相位不平衡。

請記住，并非所有制造商都以相同的方式指定所有變壓器，具有明顯相似規(guī)格的變壓器在相同情況下的性能可能不同。為您的設(shè)計選擇變壓器的最佳方法是收集和了解所考慮的所有變壓器的規(guī)格，并索取制造商數(shù)據(jù)表中未說明的任何關(guān)鍵數(shù)據(jù)項?；蛘?，或者另外，使用網(wǎng)絡分析儀自己測量它們的性能可能是有用的。

問。 哪些參數(shù)在選擇放大器時很重要？

A。使用放大器而不是變壓器的主要原因是獲得更好的通帶平坦度。如果此規(guī)格對您的設(shè)計至關(guān)重要，則放大器應產(chǎn)生較小的可變性，通常在頻率范圍內(nèi)±0.1 dB。變壓器具有塊狀響應，當必須使用它們并且平坦度是一個問題時，需要“微調(diào)”。

驅(qū)動能力是放大器的另一個優(yōu)勢。變壓器不是為在印刷電路板上驅(qū)動長走線而設(shè)計的。它們旨在直接連接到ADC。如果系統(tǒng)要求要求“驅(qū)動器/耦合器”需要遠離ADC，或者位于不同的電路板上，則強烈建議使用放大器。

直流耦合也可能是使用放大器的一個原因，因為變壓器本質(zhì)上是交流耦合的。一些高頻放大器可以一直耦合到直流的頻率，如果這部分頻譜在應用中很重要。需要考慮的典型放大器包括AD8138和ADA4937。

放大器還可以提供動態(tài)隔離（大約30 dB至40 dB的反向隔離），以抑制無緩沖ADC輸入中電流瞬變產(chǎn)生的反沖毛刺。

如果設(shè)計需要寬帶增益，則放大器比變壓器更好地匹配ADC的模擬輸入。

另一個權(quán)衡是帶寬與噪聲。對于頻率大于150 MHz的設(shè)計，變壓器將更好地保持SNR和SFDR。但是，在第一或第二奈奎斯特區(qū)內(nèi)，可以使用變壓器或放大器。

問。驅(qū)動高性能ADC的首選ADI放大器是什么？

A。少數(shù)放大器最適合高速ADC前端。其中包括AD8138和AD8139;AD8350、AD8351和AD8352; 以及ADA4937和ADA4938。AD8139通常用于基帶設(shè)計，即目標輸入頻率小于50 MHz的基帶設(shè)計。對于中頻較高的設(shè)計，通常使用AD8352。該放大器在更寬的頻率頻帶（高達 200MHz 區(qū)域）上表現(xiàn)出良好的噪聲和雜散抑制。ADA4937可用于高達150 MHz的頻率;它的主要優(yōu)勢在于采用ADC的直流耦合應用，因為它可以處理各種共模輸出電壓。

問。 我可能使用的ADC有哪些重要特性？

一個。廣受歡迎的CMOS開關(guān)電容ADC沒有內(nèi)部輸入緩沖器，因此其功耗遠低于緩沖型。外部電源直接連接到 ADC 的內(nèi)部開關(guān)電容采樣保持 （SHA） 電路（圖 8）。這就帶來了兩個問題。首先，輸入阻抗隨時間以及模式在采樣和保持之間切換而變化。其次，注入采樣電容器的電荷反射回信號源;這可能會導致驅(qū)動電路中無源濾波器的建立延遲。

圖8.開關(guān)電容ADC輸入級框圖

將外部網(wǎng)絡與ADC跟蹤模式阻抗相匹配非常重要，如圖9所示。如您所見，輸入阻抗（藍線）的實部（阻性）在較低頻率（基帶）下非常高（在幾千歐姆范圍內(nèi)），并且在2 MHz以上滾降到小于100 kohm。

輸入阻抗的虛部或容性部分紅線開始時為相當高的容性負載，在高頻下逐漸減小至約3 pF（右手標度）。

匹配這種輸入結(jié)構(gòu)是一個相當具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計問題，尤其是在頻率大于100 MHz時。

圖9.軌道模式下開關(guān)電容ADC的典型輸入阻抗圖。

圖10和圖11中的波形說明了差分信號的優(yōu)勢。乍一看，圖10中的單個單端ADC輸入波形看起來相當糟糕。但是，圖11表明，單端跡線的損壞幾乎純粹是共模效應。

圖 10.開關(guān)電容ADC輸入相對于時鐘邊沿的單端測量。

圖 11.開關(guān)電容ADC輸入相對于時鐘邊沿的差分測量。

以差分方式觀察ADC輸入（圖11），可以看到輸入信號要干凈得多。與時鐘相關(guān)的“損壞”故障消失了。差分信號固有的共模抑制可抵消共模噪聲，無論是來自電源、數(shù)字源還是電荷注入。

緩沖輸入ADC更易于理解和使用。輸入源以固定阻抗端接。它由晶體管級緩沖，晶體管級以低阻抗驅(qū)動轉(zhuǎn)換過程，因此電荷注入尖峰和開關(guān)瞬變顯著降低。與開關(guān)電容ADC不同，輸入端接在ADC的模擬輸入頻率范圍內(nèi)變化很小，因此選擇合適的驅(qū)動電路要容易得多。緩沖器專門設(shè)計為非常線性且具有低噪聲;它唯一的缺點是其功耗會導致ADC整體功耗更高。

問。 你能給我看一些變壓器和放大器驅(qū)動電路的例子嗎？

A。圖12顯示了使用變壓器的ADC輸入配置的四個示例。

在基帶應用（a）中，輸入阻抗要高得多，因此匹配比更高頻率下的匹配更直接，而且不像匹配那樣重要。通常，小值串聯(lián)電阻器足以用差分連接的電容器來抑制電荷注入。這種簡單的濾波器可衰減寬帶噪聲，實現(xiàn)最佳性能。

為了在寬帶應用（b）中獲得匹配良好的輸入，請嘗試使輸入的實際（電阻）成分占主導地位。最小化電感或鐵氧體磁珠與模擬前端并聯(lián)或串聯(lián)的電容項。這可以產(chǎn)生良好的帶寬，改善增益平坦度，并提供更好的性能（SFDR），如使用AD92xx開關(guān)電容ADC系列所示。

對于緩沖高中頻應用（c），圖中顯示了雙巴倫配置，其濾波器類似于基帶配置。這允許高達300 MHz的輸入，并提供良好的平衡，以最大限度地減少偶數(shù)階失真。

對于窄帶（諧振）應用（d），拓撲結(jié)構(gòu)類似于寬帶。但是，匹配是分流而不是串聯(lián)的，以將帶寬縮小到指定的頻率。

圖 12.采用變壓器驅(qū)動的ADC前端設(shè)計。

在基帶應用中使用帶有緩沖或無緩沖ADC的放大器時，設(shè)計相當簡單（圖13）。只需確保放大器的共模電壓與ADC共享，并使用簡單的低通濾波器來消除不需要的寬帶噪聲（a）。對于中頻應用（b和c），匹配網(wǎng)絡與基帶中的匹配網(wǎng)絡基本相似，但通常具有較淺的滾降。如果需要，可以在放大器的輸出端使用電感器或鐵氧體磁珠，以幫助擴展帶寬。然而，這并不總是必要的，因為與變壓器的特性相比，放大器的特性更不容易在目標頻帶上發(fā)生變化。對于窄帶或諧振應用（d），濾波器與放大器的輸出阻抗匹配，以抵消ADC的輸入電容。通常使用多極點濾波器來消除感興趣頻率區(qū)域之外的寬帶噪聲。

圖 13.具有放大器驅(qū)動的ADC前端設(shè)計。

審核編輯：郭婷