改善无源宽带ADC前端网络的设计

由于转换器技术的改进，准确高速解析极高中频信号的要求也随之提高。这带来了两大难题：一个是转换器设计本身，另一个是将信号耦合到转换器的前端设计。即使转换器本身设计出色，前端设计也必须能够确保信号质量。

　　高频高速转换器设计在众多应用都有涉及，无线基础设施和仪器仪表更是推动了转换器的跨领域发展。这些应用需要12至16位分辨率的100MSps+高速转换器。（“宽频带”表示大于100MHz的信号带宽，频率范围为1GHz以上）。

　　前端设计背景知识

　　“前端”指网络或耦合电路（图1），它把信号链（通常是放大器、增益模块或调谐器）的最后一级与转换器的模拟输入相连。假设前面的信号链电路都有适当的带宽，支持频率解析。

图1. 在这里，前端是信号链的上一级与ADC输入之间的耦合电路。

除了提供充足的带宽，它还需要高线性度、良好的平衡和适当的布局。

　　最后一级，或称前端电路，也需要有适当的带宽，但不限于此。前端电路必须有高线性度，平衡性良好，并妥善地布设于印刷电路板（PCB），以保持信号正常。否则转换器会拾取前端电路产生的非线性信号，在目标频率中表现为失真和噪声。因此，前端网络必须精心设计，才能满足任意高速、高分辨率转换器的要求。　

　 前端电路通常分为有源和无源两类。有源前端电路使用放大器或“增益模块”将信号驱动到转换器的模拟输入。只要选择合适的放大器，前端电路一般比较容易设计。但是，设计要求极高频率时，放大器往往性能有限，其非线性度最多达到200MHz。事实上，一些宽频带放大器的可用带宽大于200MHz，但通常功耗较高。

　　变压器：技术规格、拓扑结构和类型

　　变压器可采用通量耦合变压器拓扑结构，它本身就是交流耦合，因为变压器隔离电流，不会传送直流电平。它能够快速轻松地从单端电路转换至差分电路，成为转换器的通用模拟输入接口。中心抽头变压器允许自由设置共模电平。这些优势组合可减少前端设计所需元件数量，对最大程度地降低复杂性至关重要。

　　使用中心抽头变压器时应格外谨慎。如果转换器电路的差分模拟输入之间存在很大的不平衡性，大量的电流可能流经变压器的中心抽头，可能会使核心电路产生饱和。例如，如果采用VCM/CML引脚来驱动变压器的中心抽头，可能会导致不稳定，满量程模拟信号过驱转换器输入，从而开启防护二极管。

　　变压器还提供基本无噪声增益，这取决于设计师选择的匝数比。理想状态下，信号增益等于变压器的匝数比。虽然电压增益本身无噪声，不过使用具有电压增益的变压器的确能获取信号噪声以及权衡带宽。

　　变压器可以简单地看作是具有标称增益的宽频带通带滤波器。变压器增益越大，带宽越小。如今，很难找到GHz频带范围内具有低插入损耗性能、阻抗比为1:4的变压器。

　虽然变压器外观简单，但也不能低估。下面是与理想变压器（图2a）两端的电流和电压相关的几个简单公式。变压器升压时，其阻抗负载会反射回输入端。

　　匝数比 a = N1/N2表示原边电压与副边电压的比率。副边电流与原边电流的关系则相反（a = I2/I1），从副边反射回到原边的阻抗比等于匝数比的平方（Z1/Z2 = a2）。变压器的信号增益可简单地表示为20 log (V2/V1) = 20 log/(Z2/Z1)，所以电压增益为3dB的变压器，其阻抗比为1:2。

　　一些偏离理想状态的固有和寄生特性会影响变压器（图2b）。每一特性对变压器的频率响应和线性度具有一定的影响。依据前端方案情况，这些特性偏离可能有助于提高性能，也可能会阻碍性能。图2b不失为一个不错的方法，通过变压器建模可得到带宽响应、插入损耗和回波损耗的一阶预期值。

图2. 理想变压器及其关系式(a)非常直观。但在建立实际变压器的频率响应和线性度(b)时，自身及寄生特性会偏离理想状态。

　变压器的线性模型更难构思和开发。了解铁氧体的线性度很重要，开发此类模型时，仍然会出现一些未知情况。一些制造商可能会通过网站或技术支持团队提供建模信息。如果使用硬件执行模型分析，设计人员还需要网络分析仪和少量样本，才能妥善完成所有测量。然而，这些方法除了能得到相位不平衡和幅度不平衡数据，都没有考虑到线性度的各个方面，而线性通常会引起偶次谐波失真。　

实际上所有变压器都会有损耗，而且带宽受限制。鉴于以上的寄生效应配置，变压器可视为宽频带带通滤波器，其带宽以–3dB带宽定义。大多数制造商以1dB、2dB 和3dB带宽规定变压器的频率响应。幅度响应伴随着相位特性。通常一款优秀变压器在其频率带宽内的相位不平衡为1％到2％。

　　变压器的插入损耗，或指定频率范围内的损耗，是变压器数据手册中最常见的测量规格。从原边端接中可见，回波损耗是指变压器二次端接的有源阻抗不匹配。举例来说，如果副边匝数与原边匝数之比的平方为1:2，当副边端接阻抗为200Ω时，应该有50Ω的阻抗将会反射到原边端接。然而，这种关系并不准确。