向应用工程师提问—36 宽带A/D 转换器的前端设计考虑因素II: 用放大器还是变压器来驱动ADC?

向应用工程师提问—36 宽带A/D 转换器的前端设计考虑因素II: 用放大器还是变压器来驱动ADC?
向应用工程师提问—36
宽带 A/D 转换器的前端设计
考虑因素 II:
用放大器还是变压器来驱动 ADC?
作者:Rob Reeder [[email protected]]
Jim Caserta [j[email protected]]
设计高性能模数转换器(ADC)之前的“前端”或输入配置,
是获取所需系统性能的关键所在。整个设计的优化取决于许多
因素,其中包括应用的特点、系统划分,以及 ADC 的构架。
下面的问答着重考虑了影响采用放大器和变压器电路的 ADC
前端设计的一些重要的实际因素。
问:放大器和变压器有什么本质区别?
答:放大器是有源元件,而变压器是无源的。像所有的有源元
件一样,放大器需要消耗功率,并且会引入噪声;而变压
器不消耗功率,并且其所引入的噪声可以忽略不计。放大
器和变压器都具有动态效应。
问:为什么要使用放大器?
图 1. ADA4937 在没有噪声滤波器的情况下驱动一个 80
MSPS 的 AD9446-80 ADC
为了改善 ADC 的 SNR,可以在放大器和 ADC 之间插入一个
滤波器。采用一个 100MHz 的 2 极点滤波器,能将放大器的积
分噪声降低到 71 µV rms,从而只使 SNR 衰减 3dB。如图 2a
所示,使用 2 极点滤波器能将图 1 电路的 SNR 性能提高到 79
dBFS,噪底为-121dB。这一 2 极点滤波器由放大器每个输出
端串联的 24-Ω电阻、30-nH 电感,以及一个 47-pF 差分连接
。
的电容构成(图 2b)
答:放大器的性能所受到的限制比变压器要少。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。但另一方面,如有需要,变压器能够提供隔离能力。
放大器能更容易地提供增益,因为它们的输出阻抗本身与增
益无关。而变压器的输出阻抗却随电压增益(取决于匝数比)
的平方的增大而增大。放大器在通带上能提供更平坦的频率
响应,不会出现变压器中由寄生互感所引起的纹波。
问:放大器通常会引入多大的噪声?如何才能降低这一噪声?
答:可以考虑一款典型的放大器,例如 ADA49371 ,当将其增
益设置为 G=1 时,在高频端的输出噪声谱密度为 6 nV/√
Hz,而 80-MSPS AD9446-802 ADC 的输入噪声谱密度为
10-nV/√Hz。这里的问题是放大器的噪声带宽等于 ADC 的
整个带宽,大约为 500MHz,但 ADC 的噪声却被折叠到一
个奈奎斯特区(40MHz)中。如果不采用滤波器,那么放
大器和 ADC 的积分后的噪声将分别为 155 µV rms 和 90 µV
rms。理论上,这将使整个系统的 SNR(信噪比)衰减 6dB。
为 了 从 实 验 上 验 证 这 一 结 果 , 采 用 ADA4937 来 驱 动
AD9446-80 时,测得的 SNR 为 76 dBFS,噪底为–118 dB
(图 1)
。
而使用变压器进行驱动,
测得的 SNR 为 82 dBFS。
驱动放大器使信噪比衰减了 6dB。
图 2a. 在使用 100MHz 噪声滤波器的情况下驱动 AD9446-80
图 2b. ADA4937 放大器和一个 2 极点噪声滤波器驱动一个
80 MSPS AD9446-80 ADC 的原理图
Analog Dialogue 41-02,February (2007)
http://www.analog.com/analogdialogue
1
问:高速放大器和 ADC 在功耗方面如何进行比较?
问:进行分析时有哪些考虑因素?
答:这取决于所使用的放大器和 ADC。两款功耗相当的典型放
ADA4937
大器:
AD83523 的电流为 37mA @ 5V(185mW),
的电流为 40mA @ 5V(200mW)。如果采用 3.3-V 的电源,
稍微牺牲一些性能,就能将整体功耗降低三分之一。不同
分辨率和速率的 ADC 在功耗方面的差异很大。16 位、
80-MSPS 的 AD9446-80 的 功 耗 为 2.4W , 14 位 、
125-MSPS 的 AD9246-1254 的功耗为 415mW,而 12 位、
20-MSPS 的 AD9235-205 的功耗为 95mW。
答:一开始,必须了解为一个给定的 ADC 设计前端电路的难
度。首先,确定这个 ADC 是内部缓冲型的,还是无缓冲
型的(例如,开关电容类型)?通常,在这两种情况下,
设计难度都随频率的升高而增大。但开关电容类型更难处
理。
问:什么时候需要使用变压器?
答:当信号频率很高,并且在 ADC 的输入端不能容忍太显著
的附加噪声时,与放大器相比,变压器能提供最大的性能
优势。
问:变压器与放大器在提供增益时有何区别?
如果需要增益来充分利用 ADC 的输入范围,那么由于所
需的增益(匝数比)增大,采用变压器实现将变得更难,
即使其它方面可能偏向于变压器的应用。
当然,设计难度随频率的升高而增大。如图 3 所示,设计
一个采用缓冲 ADC 的低于 100MHz 的 IF 系统,要比设计
一个采用无缓冲 ADC 的低信号电平的高 IF 系统相对容易。
由于有太多参数相互冲突,有时很难做出折中选择,而且,
在调整和评估元器件时,常常难以弄清这种折中关系。
答:主要的区别在于它们对 ADC 的输入端呈现的阻抗,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
方相关,而放大器的输入和输出阻抗本质上与增益无关。
例如,当增益 G=2 的变压器的源阻抗为 50-Ω时,变压器
的次级的阻抗为 200Ω。AD9246 ADC 有一个 4pF 的差分
输入电容,其与 200Ω的变压器阻抗耦合,会将 ADC 的
-3-dB 带宽从 650MHz 降低到 200MHz。为了提高性能并
降低转换器的 kickback 效应,通常需要额外的串联电阻和
差分电容,它会进一步将-3-dB 带宽限制到 100MHz。
当使用诸如 ADA4937 这样的低输出阻抗的放大器时,能
得到很低的源阻抗,通常低于 5Ω。可以在每个 ADC 的每
个输入端串联一个 25-Ω的瞬态限制电阻;对于 AD9246,
ADC 的整个 650-MHz 模拟输入带宽都是可用的。
到目前为止,都是在讨论–3-dB 带宽。当需要更严格的平
坦度要求时,例如在单极点系统中要达到 0.5dB,则–3-dB
带宽必须扩大 3 倍。对于平坦度为 0.1dB 的单极点系统,
–3-dB 带宽必须扩大 6.5 倍。如果要求在 150MHz 的范围
内达到 0.5dB 的平坦度,则–3-dB 带宽必须大于 450MHz,
这很难由一个 G=2 的变压器来实现,但采用一个低输出阻
抗的放大器可以很容易地实现。
问:在选择变压器或放大器来驱动 ADC 时,需要考虑哪些因
素?
图 3. 频率与相对难度
采用一张电子数据表或普通的表格在设计过程中直接记录
所有的参数,会对设计起到帮助作用。不存在一种能满足
所有情况的最优设计;设计将受到所提供的元件和应用规
范的制约。
问:好的,设计可能会很困难,那么现在能否详细地介绍一下
系统参数?
答:首先,在设计 ADC 前端时,最重要的一点是要将所有的
元件都考虑到!每个元件都应该被看作前一级负载的一部
分;当 ZSOURCE = 共轭 ZLOAD 时(图 4)
,将达到最
大的功率传输。
答:简要地归结为 6 个参数—显示在下面这张表中:
参数
带宽
增益
通带平坦度
功耗要求
噪声
直流与交流耦合
通常的首选
变压器
放大器
放大器
变压器
变压器
放大器(保持直流电平)
变压器(隔离直流)
对于关键参数互相冲突的应用,需要进行额外的分析和折衷考
虑。
2
图 4. 最大功率传输
Analog Dialogue 41-02,February (2007)
现在来考察设计参数:
问:变压器有哪些重要的特性?
输入阻抗是设计的特性阻抗。在大多数情况下其为 50 Ω,但
也有可能要求不同的值。变压器是一种很好的阻抗变换器件。
用户需要时可以使用变压器在不同的特性阻抗之间进行耦合,
并且完全平衡整个系统的负载。在放大器电路中,阻抗被作为
输入和输出特性来指定,与变压器不同,放大器的阻抗能够被
设计成不随频率变化的固定值。
答:变压器有许多不同的特性—例如电压增益、阻抗比、带宽、
插入损耗、幅度和相位非平衡以及反射损耗。其它的要求
还可能包括额定功率、配置类型(巴伦或变压器),以及中
心抽头选择。
电压驻波比(VSWR)是一个无量纲的参数,能被用来理解
在所感兴趣的带宽内有多少功率被反射给负载。它是确定达
到 ADC 满量程输入所需的输入驱动电平的一种重要测量。
采用变压器的设计通常不那么简单。例如,变压器特性随
频率会发生改变,这使得其模型变得复杂。图 6 显示了一
个 ADC 应用中的变压器建模的初步模型的实例。其中的
每个参数都取决于所选取的变压器。建议用户与变压器制
造商联系,以获取所提供的模型。
带宽是系统中所使用的频率范围。可以较窄(处于基带位置),
也可以较宽(覆盖多个奈奎斯特区)。它们的频率限制通常是
–3-dB 点。
通带平坦度(也被称作增益平坦度)规定了一个特定带宽内频
率响应的(正负)变化量。它可能是纹波或简单的单调下降,
类似于巴特沃兹滤波器的特性。无论哪种情况,通常要求带通
平坦度小于或等于 1dB,其对于整个系统增益的设定十分关键。
输入驱动电平由特定应用所需的系统增益决定。它与带宽指标
密切相关,并且依赖于诸如滤波器和放大器/变压器等前端元件
的选择;这些元件的特性使得驱动电平的要求成为最难获取的
参数之一。
图 6. 变压器模型
变压器的特性参数:
匝数比是指次级与初级的电压之比。
电流比是匝数比的倒数。
阻抗比是匝数比的平方。
信号增益在理想情况下等于匝数比。虽然电压增益本身是无
噪声的,但有一些其它方面的考虑—将在后面进行讨论。
变压器可以被简单地看成一个具有额定增益的带通滤波器。
插入损耗,整个频率范围内,滤波器的损耗是数据表中可找
到的最常见的测量规范,但还有一些附加的考虑因素。
图 5. 带宽、通带平坦度和输入驱动电平的定义
信噪比(SNR)是指在给定的带宽内,满量程信号的有效值与
所有噪声成分(不包括失真成分)的和方根值的对数比。对于
前端电路,SNR 随带宽、抖动以及增益(在低增益时可忽略的
放大器噪声在高增益情况下会变得十分显著)的增大而衰减。
无杂散动态范围(SFDR)是指满量程的有效值与最大杂散
谱成分有效值之比。作为二次谐波失真最大来源的放大器
(或变压器非理想平衡)的非线性和通常产生三次谐波失真
的输入失配及其被增益放大的效应(增益越高,匹配越困难,
并且寄生的非线性效应会被放大),是前端电路中产生杂波
的两个主要来源。
Analog Dialogue 41-02,February (2007)
反射损耗是从变压器的初级所看到的次级端接的有效阻抗
失配的度量。例如,如果次级与初级线圈的匝数比的平方为
2:1,则当次级端接负载为 100Ω时,在初级上相当于一个
50-Ω的反射阻抗。但是,这一关系并不十分精确;例如,
初级上的反射阻抗随频率变化。通常,阻抗比越高,反射损
耗的波动性越大。
幅度和相位非平衡是变压器的关键性能参数。这两个指标告
诉设计人员当设计要求很高(超过 100MHz)的 IF 频率时,
会出现多大的非线性效应。随着频率的升高,通常主要由相
位非平衡所引起的变压器的非线性程度也会增加,其表现为
偶次谐波失真(主要是 2 次谐波)
。
3
图 7 显示了单变压器和双变压器配置中,典型的相位非平衡与
频率的关系。
AD8139 通常被用于基带设计,即输入频率小于 50MHz
的情况。对于更高 IF 的设计,通常使用 AD8352。该放大
器在一个较宽的频带内(高达 200MHz 的区域)显示出良
好的噪声和杂波抑制性能。ADA4937 能被用于 150MHz
以下的频率;由于它能处理很大的输出共模电压范围,因
此它的主要优势是应用于 ADC 的直流耦合应用中。
问:可能用到的 ADC 有哪些重要的特性?
答:流行的 CMOS 开关电容 ADC 没有内部输入缓冲器,因此
它相对有缓冲的型号具有更低的功耗。外部的电压源直接
与 ADC 内部开关电容的采样和保持(SHA)电路相连(图
8)
。这就产生了两个问题。首先,当在采样和保持两种模
式下切换时,输入阻抗将随时间变化。其次,注入到采样
电容中的电荷会反冲回信号源中;这可能会引起驱动电路
中无源滤波器的稳定延迟。
图 7. 单变压器和双变压器配置中的变压器相位非平衡
注意,制造商并不是按照同样的方式来指定所有变压器规
格的,表面上规格相似的变压器可能会在同样的情况下具
有较大的性能差别。为设计选择变压器的最好方法是收集
和理解所有待选变压器的规格指标,并索要未在制造商所
提供的数据手册中标明的关键数据。作为选择或补充,自
己使用网络分析仪测量这些参数和性能会起到一定作用。
问:在选择放大器时,哪些参数是最重要的?
答:选择放大器而不选择变压器的最主要原因是为了得到更好
的通带平整度。如果这一指标对于你的设计十分关键,那
么选择放大器能提供在频率范围内通常为±0.1 dB 的较小
波动性。变压器的频率响应具有起伏,如果必须使用而又
有平整度要求时,就需要“细调”。
驱动能力是放大器的另一个优势。变压器不能用来驱动 PC
板上的长引线。它们应该被直接与 ADC 相连。如果系统
要求“驱动器/耦合器”必须远离 ADC,或在另一块板上,
则强烈推荐使用放大器。
直流耦合也是使用放大器的原因之一,由于变压器本身是
交流耦合的。如果频谱的直流成分在应用中十分重要,则
一些高频放大器能在一直降低到直流的所有频率上进行耦
合。这样的典型放大器包括 AD8138 和 ADA4937
图 8. ADC 输入级开关电容的框图
如图 9 所示,将外部网络与 ADC 跟踪模式下的阻抗进行
匹配十分重要。如图中所示,输入阻抗的实部(电阻性部
分,蓝线所示)在低频(基带)处很大(在几千欧姆的范围
之内)
,但当频率超过 100MHz 后会下降到 2kΩ以下。
输入阻抗的虚部,或容性部分,红线所示,开始时是一个
相当大的容性负载,但在高频处下降到大约 3 pF(右边的
坐标比例)。
与这样的输入结构进行匹配是一项具有挑战性的设计难
题,特别是当频率大于 100MHz 后。
放大器也能提供动态隔离,大约为 30 dB 到 40 dB 的反向
隔离,抑制来自无缓冲 ADC 输入端电流瞬态的反射尖峰
脉冲。
如果设计要求宽带增益,则放大器能提供比变压器更好的
与 ADC 模拟输入端口的匹配。
另一个折衷是带宽与噪声。对于包含大于 150MHz 频率的
设计,变压器能获得更好的 SNR 和 SFDR。但是,在第
一或第二个奈奎斯特区中,变压器或放大器均可被使用。
问:哪些 ADI 放大器是用来驱动高性能 ADC 的首选?
答:许多放大器都十分适合用于高速 ADC 的前端电路。其中
包 括 AD81386 和 AD81397 , AD83508 、 AD83519 和
AD835210,以及 ADA4937 和 ADA4938。
4
图 9. 跟踪模式下,开关电容 ADC 的典型输入阻抗图
Analog Dialogue 41-02,February (2007)
图 10 和 11 的波形显示了差分信号的优势。初看起来,图
10 中每个单端 ADC 的输入波形都很差。但图 11 揭示了单
端引线上信号变差在很大程度上是共模效应。
答:图 12 显示了 4 种采用变压器的 ADC 输入配置的实例。
在基带应用中(a),输入阻抗较高,因此匹配比高频情况下
要更加容易,这不是关键问题。通常,小阻值的串联电阻
加上一个差分连接的电容就足以抑制电荷注入。这一简单
的滤波器能减弱宽带噪声,得到优化的性能。
为了在宽带应用中得到匹配良好的输入(b)
,要尽量使输
入阻抗的实部起主导作用。通过与模拟前端并联或串联电
感或铁氧体磁珠,使容性项最小化。这样能产生较好的带
宽,
提高增益平稳度,并提供像使用 AD92xx 开关电容 ADC
所看见的那样更好的性能(SFDR)
。
T
对于缓冲的高 IF 应用(c)
,图中显示了一种双巴伦配置,
并带有与基带配置中类似的滤波器。该配置允许输入达到
300MHz,并能提供很好的平衡特性来减小偶次谐波失真。
3
CH1 200mV
CH3 2.00V
CH2 200mV
M50.0ns
CH2
1.69V
图 10. 开关电容 ADC 输入的单端测量与时钟边沿的关系
对于窄带(谐振)应用(d),拓扑结构与宽带的类似。但
是,匹配是并联的而非串联,以使带宽能够被限制在所指
定的频率位置。
T
4
3
M50.0ns
CH3 2.00V
CH4
160mV
CH4 500mV
图 11. 开关电容 ADC 输入的差分测量与时钟边沿的关系
看一下 ADC 差分输入的情况(图 11),可以看到输入信号
要干净许多。被“侵蚀”的与时钟相关的尖峰脉冲消失了。
差分信号所固有的共模抑制能力消除了来自电源、数字源
或电荷注入的共模噪声。
缓冲输入的 ADC 理解和使用起来更加容易。输入源端接
在一个固定的阻抗上,被晶体管级缓冲,并以低阻驱动转
换过程,因此电荷注入尖峰和开关瞬态被显著地降低了。
与开关电容 ADC 不同,其输入端的阻抗在 ADC 的模拟输
入频率范围内几乎不变,因此选择合适的驱动电路变得更
加容易。缓冲器专门被设计成具有高线性度和低噪声的特
性;其唯一的不足之处是使 ADC 消耗了更多的功率。
问:能展示一些变压器和放大器驱动电路的实例吗?
Analog Dialogue 41-02,February (2007)
图 12. 采用变压器驱动的 ADC 前端设计
5
在基带应用中,当使用放大器来驱动缓冲或无缓冲 ADC 时,
设计比较简单(图 13)。只需确定放大器与 ADC 采用同一个
共模电压即可,并且可以使用一个简单的低通滤波器来消除不
需要的宽带噪声(a)。对于 IF 应用(b 和 c),匹配网络在本
质上与基带应用中的类似,只是取值通常会减小一些。如有需
要,可以在放大器的输出使用电感或铁氧体磁珠来帮助扩展带
宽。但由于放大器的特性在所感兴趣的频带内比变压器要稳定,
因此不一定必须采用这一方法。对于窄带或谐振应用(d)
,使滤
波器与放大器的输出阻抗匹配,来消除 ADC 的输入电容。通常
使用一个多极点滤波器来消除感兴趣频率范围外的宽带噪声。
图 13. 采用放大器驱动的 ADC 前端设计
6
Analog Dialogue 41-02,February (2007)
问:能对要点作一下总结吗?
问:能否给出一些深入阅读的参考文献?
答:当面对一个新设计时,请记住:
y 理解设计的难度水平。
y 将设计中的重要参数分类。
y 当确定变压器或放大器的总负载时,要将 ADC 的输
入电路与外部元件都包括在内。
A. 应用笔记
AN-742, Frequency-Domain Response of
Switched-Capacitor ADCs.
AN-827, A Resonant Approach to Interfacing Amplifiers
to Switched-Capacitor ADCs.
当选择变压器时,请牢记:
y 不是所有的变压器都是按同样的方法制造的。
y 理解变压器的规格。
y 向制造商索取没有给出和/或用于建模的参数。
y 高 IF 设计对变压器的相位非平衡敏感。
y 很高的 IF 设计可能需要两个变压器或巴伦来抑制偶
次谐波失真。
B. 论文
Reeder, Rob. “Transformer-Coupled Front-End for
Wideband A/D Converters.” Analog Dialogue 39-2. 2005.
pp. 3-6.
当选择放大器时,请牢记:
y 注意噪声规范。
y 理解放大器的规范。
y 对于低 IF 或基带频率,使用 AD8138/ AD8139。
y 对于中等的 IF,使用 ADA4937。
y 对于高 IF 的设计,使用 AD8352。
y 放大器对非平衡不太敏感,并且能自动抑制偶次谐波
失真。
y 某些放大器能对 ADC 的输入进行直流耦合,例如
AD8138/AD8139 和 ADA4937/ADA4938。
y 放大器本身具有隔离输入源与输出负载的效果,因此
在处理敏感输入源时比变压器更有效。
y 放大器能驱动长距离的引线并且在设计中,当系统划
分要求使用两块或更多的电路板,尤为有效。
y 放大器可能需要另外的电源范围并且总是增加系统
的电源需求。
当选择 ADC 时,请牢记:
y ADC 内部是否需要缓冲?
y 开关电容 ADC 的输入阻抗是随时间变化的,在 IF 较
高时,很难设计。
y 如果使用无缓冲 ADC,总是在追踪模式下进行输入
匹配。
y 缓冲 ADC 即使在 IF 较高时,也较容易设计。
y 缓冲 ADC 一般功耗更大。
最后:
y 无论使用哪种类型的 ADC,基带设计都是最容易实
现的。
y 使用铁氧体磁珠或低 Q 值的电感来调节开关电容
ADC 的输入电容。这样能使输入带宽最大化,得到
更好的输入匹配,同时保持 SFDR 特性。
y 在高 IF 的设计中可能需要使用两个变压器。
Analog Dialogue 41-02,February (2007)
Reeder, Rob, Mark Looney, and Jim Hand. “Pushing the
State of the Art with Multichannel A/D Converters.”
Analog Dialogue 39-2. 2005. pp. 7-10.
Kester, Walt. “Which ADC Architecture Is Right for Your
Application?” Analog Dialogue 39-2. 2005. pp. 11-18.
Reeder, Rob and Ramya Ramachandran. “Wideband
A/D Converter Front-End Design Considerations—When
to Use a Double Transformer Configuration.” Analog
Dialogue 40-3. 2006. pp. 19-22.
C. 技术数据
AD9246, 80-/105-/125-MSPS 14-Bit, 1.8-V, SwitchedCapacitor ADC
AD9445 105-/125-MSPS 14-Bit, 5-/3.3-V, Buffered ADC
AD9446 16-Bit, 80-/100-MSPS Buffered ADC
AD8138 Low-Distortion Differential ADC Driver
AD8139 Ultralow Noise Fully Differential ADC Driver
AD8350 1.0-GHz Differential Amplifier
AD8351 Low-Distortion Fully Differential RF/IF Amplifier
AD8352 2-GHz Ultralow Distortion Differential RF/IF
Amplifier
ADA4937 Ultralow Distortion Differential ADC Driver
ADA4938 Ultralow Distortion Differential ADC Driver
ADC Switched-Capacitor Input Impedance Data
(S-parameters) for AD9215, AD9226, AD9235, AD9236,
AD9237, AD9244, AD9245. Go to their web pages, click
on Evaluation Boards, upload Microsoft Excel
spreadsheet.
参考文献—2007 年 2 月有效
1
ADI website: www.analog.com (Search) ADA4937 (Go)
2
ADI website: www.analog.com (Search) AD9446-80 (Go)
3
ADI website: www.analog.com (Search) AD8352 (Go)
4
ADI website: www.analog.com (Search) AD9246-125 (Go)
5
ADI website: www.analog.com (Search) AD9235-20 (Go)
6
ADI website: www.analog.com (Search) AD8138 (Go)
7
ADI website: www.analog.com (Search) AD8139 (Go)
8
ADI website: www.analog.com (Search) AD8350 (Go)
9
ADI website: www.analog.com (Search) AD8351 (Go)
10
ADI website: www.analog.com (Search) AD8352 (Go)
7
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