在高中頻ADC應(yīng)用中，如何改善增益平坦度同時(shí)又不影響動(dòng)態(tài)性能

摘要：本文指導(dǎo)用戶選擇適當(dāng)?shù)淖儔浩?，用于高速?數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)前端的信號(hào)調(diào)理。本文還闡述了如何合理選擇無(wú)源元件，在較寬的輸入頻率范圍內(nèi)改善增益的平坦度，而且不會(huì)犧牲ADC的動(dòng)態(tài)特性。文中給出了變壓器原級(jí)和次級(jí)匹配的差別，詳細(xì)描述了中等頻率至高頻應(yīng)用中高速ADC設(shè)計(jì)所面臨的增益平坦度與動(dòng)態(tài)范圍的沖突問(wèn)題。

本文討論一種將單端信號(hào)(通常來(lái)自經(jīng)過(guò)緩沖的解調(diào)電路)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)(以便饋入高中頻ADC)的電路。這些電路使用一個(gè)寬帶變壓器、匹配電阻及濾波電容來(lái)完成此任務(wù)。還討論了變壓器的最優(yōu)匹配方法，以便保持高速ADC的高動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)又使增益突起和帶寬降低效應(yīng)減至最小。

用200MHz變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)單端至差分轉(zhuǎn)換

我們選擇MAX1449來(lái)示例及分析兩種可能的輸入配置。圖1給出一種采用寬帶變壓器的典型交流耦合單端至差分轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)方案，其中變壓器采用Mini-Circuits?公司的T1-IT-KK81 (200MHz)，采用50Ω一次側(cè)匹配及25Ω/22pF濾波網(wǎng)絡(luò)。在此結(jié)構(gòu)中，來(lái)自50Ω阻抗信號(hào)源的單端信號(hào)通過(guò)變壓器后被轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)。一次側(cè)的50Ω匹配使信號(hào)源和變壓器之間有良好的匹配。但這同時(shí)也意味著變壓器一次側(cè)和二次側(cè)之間的失配。從一次側(cè)看過(guò)去是一個(gè)組合的25Ω阻抗，而二次側(cè)上卻是一個(gè)很大的失配阻抗，即20kΩ的ADC輸入電阻并聯(lián)22pF電容。這將影響輸入網(wǎng)絡(luò)的頻率相應(yīng)，并將最終影響轉(zhuǎn)換器的頻率響應(yīng)。變壓器的標(biāo)稱漏感在25nH至100nH范圍內(nèi)。再加上22pF的輸入濾波電容，將產(chǎn)生一個(gè)位于110MHz至215MHz之間的干擾諧振頻率



在這個(gè)頻率附近，將產(chǎn)生一個(gè)惱人的增益突起。


圖1. 利用200MHz變壓器將來(lái)自50Ω信號(hào)源的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)。

用800MHz變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)單端至差分轉(zhuǎn)換

圖2給出一種與圖1類似的交流耦合配置，但這次是采用性能更好的寬帶變壓器，例如Mini-Circuits公司的ADT1-1WT (800MHz)，采用一次側(cè)匹配和25Ω/10pF濾波網(wǎng)絡(luò)。盡管這種變壓器具有75Ω的阻抗，但其較低的泄漏電感可獲得更好的頻率響應(yīng)，-1dB頻率高達(dá)400MHz，與之相比T1-IT-KK81則只有50MHz。


圖2. 與圖1類似，利用變壓器將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，但這次是采用800MHz變壓器，因此能提供更好的性能。

變壓器―200MHz對(duì)比800MHz

圖3給出兩種匹配方案、濾波網(wǎng)絡(luò)元件與變壓器的測(cè)試結(jié)果。從圖中的兩條曲線可看出頻響特性的顯著改善。T1-IT-KK81型變壓器在90MHz至110MHz之間明顯地出現(xiàn)了一個(gè)大約0.5dB的增益突起，而ADT1-1WT型變壓器的曲線在高達(dá)300MHz的頻率范圍內(nèi)平坦度保持在0.1dB以內(nèi)。這種條件(即ADT1-1WT型變壓器、50Ω一次側(cè)匹配以及在INP與INN上接10pF輸入濾波電容)下的動(dòng)態(tài)性能仍能在fIN = 50MHz頻率上獲得58.4dB的SNR。雖然圖3中只給出80MHz至260MHz測(cè)試頻率下的情況(僅對(duì)ADT1-1WT型變壓器)，但實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果證明，即使在輸入頻率遠(yuǎn)超出第8奈奎斯特區(qū)時(shí)，其增益平坦度仍能保持在0.1dB以內(nèi)。


圖3. 用800MHz變壓器所獲得的增益平坦度比用200MHz變壓器所獲得增益平坦度有很大的改善。

對(duì)變壓器二次側(cè)的阻抗進(jìn)行匹配有助于進(jìn)一步提高增益平坦度。方法之一是在變壓器的二次側(cè)，而非一次側(cè)，進(jìn)行匹配。

特別是對(duì)于高中頻應(yīng)用，匹配阻抗的位置非常關(guān)鍵。根據(jù)對(duì)增益平坦度及動(dòng)態(tài)性能的不同要求，交流耦合輸入進(jìn)來(lái)的信號(hào)可在變壓器的任何一側(cè)進(jìn)行匹配。寬帶變壓器是一種可方便快捷地在一個(gè)較寬頻帶上將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)的常用器件。

一次側(cè)匹配

我們選擇MAX1124 (10位，250Msps)來(lái)示例不同的匹配方案及其對(duì)ADC增益帶寬及動(dòng)態(tài)范圍的影響。我們從一次側(cè)匹配結(jié)構(gòu)開(kāi)始(圖4a)，將一個(gè)50Ω阻抗的兩個(gè)分別接在變壓器的頂端/底端和中心抽頭之間的25Ω電阻上(圖5a)。后接0.1μF交流耦合電容及輸入濾波網(wǎng)絡(luò)(15Ω串聯(lián)電阻及ADC輸入阻抗)?，F(xiàn)在，饋入轉(zhuǎn)換器的將是一個(gè)經(jīng)過(guò)良好平衡的二次側(cè)信號(hào)。和圖4a中的配置一樣，在INP與INN上沒(méi)有連接其他的輸入濾波電容。采用此種配置，幾乎可完全消除450MHz至550MHz頻率范圍內(nèi)的增益突起。如果需要，還可通過(guò)將15Ω隔離電阻換成30Ω來(lái)增加更多的直流衰減。盡管這種方法能使頻率響應(yīng)更加平坦，但也損失了一些帶寬(圖5b)。




圖4. 在這個(gè)一次側(cè)匹配結(jié)構(gòu)中(圖4a)，變壓器一次側(cè)的良好平衡被二次側(cè)的不平衡破壞了，在450MHz和550MHz之間產(chǎn)生最大增益突起(圖4b)。




圖5. 將經(jīng)過(guò)良好平衡的二次側(cè)信號(hào)饋入轉(zhuǎn)換器(圖5a)，可完全消除450MHz至550MHz范圍內(nèi)的增益突起。同時(shí)還可增加直流衰減，使頻率響應(yīng)更加平坦，不過(guò)這會(huì)損失一些帶寬(圖5b)。

結(jié)論

本文的討論表明，無(wú)源器件的正確選擇不僅在高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中扮演著重要角色，而且正確地使用這些器件也一樣重要。例如，如果增益平坦度是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素，則須小心避免在轉(zhuǎn)換器的差分輸入上產(chǎn)生不平衡及諧振，以確保真實(shí)地再現(xiàn)其動(dòng)態(tài)性能。未使用輸入濾波電容的那兩種結(jié)構(gòu)可能會(huì)有INP及INN拾取噪聲之憂，對(duì)此問(wèn)題的簡(jiǎn)單分析表明，這會(huì)導(dǎo)致0.2dB至0.5dB的信噪比(SNR)下降。當(dāng)看重高帶寬、寬頻程內(nèi)的增益穩(wěn)定性(平坦度)以及高動(dòng)態(tài)性能時(shí)，采用10位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的大多數(shù)高中頻應(yīng)用都能接受如此小的噪聲性能下降。