通過本文第一部分內(nèi)容的介紹，相信廣大工程師朋友已經(jīng)了解到了前端設(shè)計的權(quán)衡因素，并知道該如何開發(fā)基帶、帶通或?qū)拵мD(zhuǎn)換器應(yīng)用的高性能前端。本期ADI轉(zhuǎn)換器應(yīng)用指南的第二部分，我們將為大家詳細(xì)介紹具體的前端設(shè)計指南。
前端設(shè)計指南
為需要達(dá)到一定性能水平的轉(zhuǎn)換器設(shè)計前端時，有大量事情需要考慮。本部分首先將說明變壓器前端和放大器前端各自的優(yōu)點(diǎn)，以便讀者更好地了解為什么有些事情可行，有些事情不可行。然后會給出一些通用框圖示例，以可視化方式顯示不同類型的前端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
匹配：解決工程設(shè)計問題時，最好是將它分解成多個小問題，這樣不致于無處下手。通常來說，前端設(shè)計至少可以分解為兩個問題。第一個是前端與之前一級的接口，第二個是副邊或放大器輸出端與轉(zhuǎn)換器的匹配。使用放大器時，輸入和輸出阻抗通常均已確定，并清楚顯示于數(shù)據(jù)手冊中。放大器輸出端一般需要一定的負(fù)載，以便實現(xiàn)良好的性能。放大器的數(shù)據(jù)手冊一般會列出一組用于測量器件輸入端和輸出端特性的端接電阻。設(shè)計最好基于這些值進(jìn)行，這樣有助于獲得所需的性能。緩沖型轉(zhuǎn)換器具有明確的輸入阻抗結(jié)構(gòu)，如上文所述，很容易匹配。這正是放大器實現(xiàn)良好響應(yīng)性能所需要的。然而，當(dāng)使用無緩沖型轉(zhuǎn)換器時，輸入阻抗會隨著頻率而改變。最好從ADI公司網(wǎng)站下載輸入阻抗表，然后針對目標(biāo)頻段的中心頻率進(jìn)行設(shè)計。此外還建議使用跟蹤模式阻抗值來設(shè)計兩個器件之間的匹配。
變壓器略有不同，匹配僅在100MHz以上的設(shè)計中才重要，這包括上文所述的帶通和寬帶設(shè)計?；鶐гO(shè)計不需要通過匹配來改善或?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)手冊性能?？衫没夭〒p耗來匹配變壓器和巴倫的副邊與轉(zhuǎn)換器輸入級之間的反射阻抗，以便優(yōu)化原邊阻抗，如上例所示。由于變壓器在性質(zhì)上比放大器更“透明”，因此應(yīng)將整個前端視為前一級的負(fù)載。這包括變壓器、副邊與轉(zhuǎn)換器之間的無源元件以及轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗，參見圖8。無論使用緩沖型還是非緩沖型轉(zhuǎn)換器，均適用同樣的經(jīng)驗法則。應(yīng)按照跟蹤模式下的中心頻率進(jìn)行設(shè)計。
圖8：使用變壓器或巴倫時的負(fù)載匹配。
移除帶寬：一些前端設(shè)計只需要一定量的帶寬就能使設(shè)計達(dá)到性能要求。移除帶寬的最好辦法是在放大器與變壓器之間使用抗混疊濾波器（AAF）。在基帶設(shè)計中，簡單的RC濾波器就很不錯。不過，還可以通過其它方式來降低帶寬。在輸入信號節(jié)點(diǎn)的原邊放置一個電感也能降低帶寬量，如圖9所示。有時候，綜合運(yùn)用簡單的RC濾波器與原邊電感能夠更快速地降低不必要的帶寬，實現(xiàn)更陡峭的滾降。
圖9：利用原邊電感降低帶寬（原理圖在圖表下方）
記住，轉(zhuǎn)換器的帶寬通常非常寬。寬帶噪聲總是能折返到轉(zhuǎn)換器的基帶或奈奎斯特區(qū)。這會提高轉(zhuǎn)換器的噪底，進(jìn)而降低轉(zhuǎn)換器的信噪比和動態(tài)范圍。
另一種降低帶寬的方法是在轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端并聯(lián)放置一個電感，從而形成一個簡單的帶通濾波器。不過應(yīng)小心，有些類型的電感會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器變得不穩(wěn)定，使得噪底像“雜草”一樣雜亂無章，或者在某些情況下引起SFDR性能下降。使用電感線圈時，建議檢查軟Q部分，如Coilcrafts 0603CS系列。注意，電感并非“生而平等”！
擴(kuò)展帶寬：有些設(shè)計需要更多帶寬，這不是從轉(zhuǎn)換器的立場出發(fā)來考慮，而是從前端設(shè)計的立場出發(fā)來考慮。有多種方法可以擴(kuò)展帶寬，但同樣應(yīng)小心翼翼，因為通帶平坦度可能達(dá)不到所需的性能。另一個常用術(shù)語是帶寬“峰化”。根據(jù)放大器的不同，可以增加一兩個電容，從而針對增益電阻產(chǎn)生峰化。其實際結(jié)果取決于放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，參見圖10。對于具有引腳綁定增益引腳的放大器，電容一般位于這些節(jié)點(diǎn)以內(nèi)，并與增益設(shè)置電阻并聯(lián)。
圖10：放大器帶寬“峰化”示例
變壓器的帶寬擴(kuò)展方法稍有不同。簡單方法是在轉(zhuǎn)換器的各模擬輸入端串聯(lián)放置低Q電感或高頻鐵氧體磁珠。同樣應(yīng)注意，通帶平坦度可能會改變，需要仔細(xì)權(quán)衡得失，參見圖11。
圖11：利用副邊電感/鐵氧體磁珠擴(kuò)展帶寬（原理圖在圖表下方）
無論哪一種情況，擴(kuò)展帶寬都不是一件簡單的事情。權(quán)衡利弊時，了解無源器件是關(guān)鍵?？赡苄枰趯嶒炇依锓磸?fù)試探，這通帶是擴(kuò)展帶寬的最佳途徑。像Agilent ADS等仿真工具對此可能也會有幫助。
優(yōu)化SFDR：似乎所有前端設(shè)計都優(yōu)先采用33 Ω串行電阻（Rs）標(biāo)準(zhǔn)，參見圖13和14，但這通常是放大器或變壓器前端設(shè)計與轉(zhuǎn)換器輸入端之間顯示的值。使用此電阻的理由是優(yōu)化轉(zhuǎn)換器輸入端的源阻抗，并最大程度地減少返回到模擬前端的“反沖”或電荷注入。它能夠優(yōu)化內(nèi)部采樣網(wǎng)絡(luò)的建立，提供更高的線性度，從而優(yōu)化轉(zhuǎn)換器的SFDR性能。
無緩沖型轉(zhuǎn)換器對此更為敏感，因為前端網(wǎng)絡(luò)直接連接到轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部采樣網(wǎng)絡(luò)。每種無緩沖型轉(zhuǎn)換器都有略微不同的采樣電容比或開關(guān)電容采樣網(wǎng)絡(luò)，因此并不存在一個比這更簡單的答案，也沒有仿真工具能夠提供一個明確的電阻值或答案。解決這一問題的最佳辦法是操起家伙（烙鐵），用一系列電阻逐個試驗。試驗的電阻值范圍通常是10Ω到140Ω，參見圖12。
圖12：SFDR變化與串聯(lián)電阻的關(guān)系（原理圖在圖表下方）
優(yōu)化平衡：務(wù)必在前端中提供一個共模點(diǎn)，無論是放大器還是變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，均應(yīng)堅持這一點(diǎn)。使用放大器時，確保兩個IC之間的共模電壓一致。沒有共模點(diǎn)會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器過早削波或無法達(dá)到滿量程。當(dāng)放大器為直流耦合時，這可能會造成轉(zhuǎn)換器顯著失真。使用變壓器時，應(yīng)讓中心抽頭接地或端接，原因有兩方面：第一，變壓器的內(nèi)部配置通常需要一個參考點(diǎn)來平衡內(nèi)部電流，如果忽略這一點(diǎn)，變壓器很可能會使信號不平衡，產(chǎn)生偶數(shù)階失真；第二，當(dāng)轉(zhuǎn)換器過驅(qū)到飽和狀態(tài)時，此點(diǎn)還能提供信號參考，使電流處于局部并接地。
放大器源電阻： 所有放大器都需要一定的源電阻才能正常工作。如今和未來的設(shè)計所需的頻率越來越高，因此放大器必須支持高頻。 放大器的頻率越高，輸出頻率也越高。如果輸出引腳上存在一定量的寄生誤差，往往會導(dǎo)致放大器振蕩。為應(yīng)對這種情況，用戶應(yīng)習(xí)慣于在各輸出端靠近放大器引腳的地方使用少量串聯(lián)電阻。該串聯(lián)電阻與寄生電容（形成于頂層與相鄰的下方接地層之間）構(gòu)成一個低通濾波器，從而提供局部接地路徑。許多設(shè)計人員靠自己摸索發(fā)現(xiàn)了這一竅門，在實驗室花費(fèi)無數(shù)小時后才明白，造成信號誤差和非線性的問題原來如此。
放大器和變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：下面的圖13和圖14給出了本文討論的放大器和無源變壓器前端設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。注意，這些電路圖僅供參考。選擇的器件不同，設(shè)計的性能可能大不相同。
圖13：放大器配置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖14：變壓器配置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
要點(diǎn)總結(jié)
面對新設(shè)計時，務(wù)必理解設(shè)計目標(biāo)并按優(yōu)先順序排列重要參數(shù)。一般而言，VSWR/輸入阻抗、通帶平坦度、帶寬、SNR、SFDR和輸入驅(qū)動決定了前端設(shè)計的難度。先從帶寬開始，考慮是基帶、帶通還是寬帶。這將為前端設(shè)計和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的確定指明方向與途徑。
接下來關(guān)注轉(zhuǎn)換器。緩沖型轉(zhuǎn)換器更容易設(shè)計，但其功耗高于無緩沖型轉(zhuǎn)換器。如果設(shè)計要求無緩沖型轉(zhuǎn)換器，記住查看模擬輸入的輸入阻抗圖表。針對跟蹤模式下目標(biāo)頻段的中心頻率進(jìn)行設(shè)計。
如上所述，放大器和變壓器各自都有很多優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。何者最佳，歸根到底取決于設(shè)計的要求。放大器消耗功率并需要電源，好處是在接口過程中一般更容易處理。變壓器是無源器件，不消耗功率，但當(dāng)中頻頻率較高時，它表現(xiàn)為非線性，可能需要額外的器件進(jìn)行補(bǔ)償，除非找到合適的變壓器。選擇設(shè)計方向之前，務(wù)必檢查各種方案的參數(shù)列表。
最后，本文列出了有關(guān)前端匹配、移除或擴(kuò)展帶寬以及優(yōu)化SFDR的指南。這些建議有助于設(shè)計人員更有針對性地優(yōu)化前端設(shè)計。
本指南旨在為所有高速ADC用戶提供一個有用的參考，適用于所有類型的前端設(shè)計。開展新轉(zhuǎn)換器設(shè)計時，必須仔細(xì)考慮各項參數(shù)，權(quán)衡利弊，這一點(diǎn)無論怎么強(qiáng)調(diào)也不過分。高速轉(zhuǎn)換器應(yīng)用指南系列的下一篇文章將從時鐘網(wǎng)絡(luò)、時鐘接口和抖動的重要性這些方面，討論如何使轉(zhuǎn)換器的性能保持最佳。