关于宽带ADC前端设计考虑：用放大器还是用变压器驱动ADC？

《关于宽带ADC前端设计考虑：用放大器还是用变压器驱动ADC？》由会员分享，可在线阅读，更多相关《关于宽带ADC前端设计考虑：用放大器还是用变压器驱动ADC？（17页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、转自ADI中文技术支持论坛：高性能魔术转换器（ADC）“前端”的输入配置设计对达到要求的系统性能至关重要 。优化总体设计取决于很多因素 ，包括应用性质、系统组成和ADC的结构。以下的问答主要节绍了使用放大器和变压器影响ADC前端设计的一些重要的实际考虑。问：放大器和变压器根本区别是什么？答：放大器是有源器件，而变压器是无源器件。放大器和其它所有的有源器件一样，消耗功率并且产生噪声；变压器不消耗功率并且产生的噪声可以忽略不计。两者都涉及到动态效应问题。 问：为什么选择放大器？答：放大器的性能限制比变压器少。如果必须保持直流（DC）电平，就必须使用放大器，因为变压器是固有的交流（AC）器

2、件。另外，如果需要，变压器可以提供电流隔离。放大器提供增益比较容易，因为放大器的输出阻抗实质上与增益无关。另一方面，变压器的输出阻抗与电压增益呈平方关系增加电压增益取决于匝数比。放大器在通带范围内提供平坦的响应，而没有由于变压器寄生交互作用引起的纹波。 问：放大器通常产生的噪声有多大？如何减少这些噪声？答：让我们考虑一个典型的放大器，例如ADA49371，如果设置增益G1，那么输出的噪声谱密度在高频部分是6 nV/Hz，与此频带可比的采样速率为80 MSPS 的AD944682 ADC的输入噪声谱密度是10nV/Hz。这里的问题是，放大器的噪声带宽等于ADC的全带宽（中心频

3、率位于500 MHz），而ADC的噪声又必须限制在第一奈奎斯特范区（40 MHz）。在没有滤波器的情况下，放大器的噪声有效值是155 µVrms，ADC的噪声有效值是90 V。从理论上讲，总系统的信噪比（SNR）降低了6dB。为了从实验上证实这一点，用ADA4937驱动的AD9446-80测量的SNR结果是76 dBFS,本底噪声是118dB(见图1)。如果改用变压器来驱动AD9446-80，测量SNR结果是82 dBFS。因此用放大器驱动ADC可将SNR降低6dB。图1. 使用没有噪声滤波器的ADA4937放大器驱动80 MSPS采样速率的AD9446-80 ADC为了提高ADC的

4、信噪比，在放大器和ADC之间加了一个滤波器。如果使用的是一个100 MHz的双极点滤波器，放大器的总噪声有效值变为71 µV， 使ADC的信噪比仅降低3 dB 。使用双极点滤波器改善了图1电路的SNR达到79 dBFS，本底噪声为121dB，如图2a所示。构建双极点滤波器的方法是放大器的每个输出引脚都串联一个24的电阻器和一个30 nH的电感器并且差分连接一个47pF的电容器（见图2b）。图2a. 使用在外接100 MHz噪声滤波器的ADA4937放大器驱动AD9446-80 ADC图2b. 使用外接双极点噪声滤波器的ADA4937放大器驱动AD9446-80 ADC原理图 

5、;问：高速放大器和ADC在功耗方面有何不同？答：这要看使用的放大器和ADC。具有相似功耗的两种典型放大器，AD83523 在5 V电压下的电源电流是37 mA（185 mW）,ADA4937在5 V电压下的电源电流是40 mA(200 mW)。如果使用3.3 V电源供电，它们的功耗都可以降低三分之一，同时会稍微降低它们的一些性能。ADC的功耗差异性较大，这取决于它们的分辨率和采样速率。16 bit, 80 MSPS 的AD9446-80 功耗为2.4 W，14 bit,125 MSPS的AD9246-1254 功耗为415mW,12 bit, 20 MSPS 的AD9235

6、-205功耗仅为95mW。 问：在什么情况下需要使用变压器呢？答：当信号的频率很高而且ADC的输入端不允许很大的附加噪声时，变压器具有超越放大器的最大性能优势。 问：变压器和放大器在增益方面有何不同？答：主要的区别在于ADC的输入阻抗，它直接影响系统的带宽。变压器的输入阻抗和输出阻抗与匝数比的平方有关，而放大器的输入阻抗和输出阻抗与增益（G）根本无关无关。 例如，采用一个增益G=2的变压器，并且变压器的输入阻抗为50，输出阻抗为200 。 AD9246 ADC有一个4 pF的差分输入电容，它与一个200 输出阻抗的变压器相连，会使ADC的-3dB带宽范围从650

7、MHz降低到200 MHz。为了提高ADC的性能和减少踢回噪声(kickback noise)，通常需要外接一只串联电阻和微分电容，这样会进一步限制-3 dB的带宽，大概下降到100 MHz。 如果使用一个低输出阻抗的放大器，例如使用ADA4937，结果通常会提供低于5 的源阻抗。这样每个ADC的输入端可串联一只25 限制瞬态电流的电阻器；这对于选用650 MHz模拟输入带宽的AD9246，应该是合适的。 到目前为止，我们一直在围绕-3 dB带宽进行讨论。如果在单极点系统中需要增益起伏比较平坦，比方说0.5 dB，那么需要将-3 dB带宽扩展大约3倍。对于0.1 dB平坦度

8、，需要将-3 dB带宽扩展6.5倍。如果需要0.5 dB平坦度达到150 MHz带宽，那么它的-3 dB带宽必须大于450 MHz。采用 G = 2的变压器很难做到这一点，但是采用低输出阻抗的放大器很容易实现。 问：在究竟选择变压器还是放大器来驱动ADC时，要考虑哪些因素呢？答：我们可以把这些因素归结为6个参数，如下表所示：参数通常优势带宽变压器增益放大器通带平坦性放大器功耗要求变压器噪声变压器直流与交流耦合放大器（保持直流信号）变压器（隔离直流信号）在有多个关键参数发生冲突的应用中，要做进一步分析和权衡。 问：那么在分析中有要考虑哪些因素呢？答：首先要了解为给定的ADC设

9、计前端的困难程度。第一，要了解ADC内部有缓冲器呢，还是没有（例如，开关电容型前端）？很显然，不论是哪一种情况，困难程度会随着频率的增高而增加。但是，对设计工程师来说，处理开关电容会更难一些。 如果需要增益充分利用ADC的输入范围，那么倾向于采用变压器的应用会随着需要的增益（匝数比）增大变得越来越困难。 当然，困难程度会随着频率的增高而增加。采用一个带缓冲器的ADC来设计一个低于100 MHz的中频（IF）系统要比采用不带缓冲器的ADC设计一个小信号高IF系统要相对容易一些，如图3所示。由于引进许多不同的参数，权衡利弊往往会变得很难，而且常常为跟追改变元件和评估参数的过程而

10、感到困惑。图3. 设计难度与频率的关系随着设计的改进，使用电子数据表格记录所有的参数可能很有用。不存在满足所有情况的最佳设计方案；它取决于可提供的器件和应用技术指标。 问：的确，设计工作不容易。能否介绍一下与系统参数相关的细节问题？答：首先，设计ADC的前端时，重要的是要考虑到所有的参数。要把每一个元件当作前一级负载的一部分来考虑，并且当源阻抗等于负载阻抗的共轭（见图4）时，会产生最大的功率传输。图4. 最大功率传输现在开始设计各个参数：输入阻抗是系统设计的特性阻抗。大多数情况下输入阻抗为50，但可能会要求其它取值。变压器是具有很好互阻性能的器件。变压器允许用户根据需要耦合不同特性阻

11、抗并且充分平衡系统的总负载。在一个放大器的电路里，阻抗被定义为输入阻抗和输出阻抗，放大器的阻抗特性不像变压器那样随频率变化。 电压驻波比（VSWR）是一项无量纲参数，用来表示在有用带宽内输入功率反射到负载上的比率。当负载ADC达到满度输入时，VSWR是一项用来确定所需要的输入驱动能力的重要参数。 带宽是在系统中使用的频率范围。带宽可宽可窄，可仅覆盖基带或者覆盖多个奈奎斯特区。带宽的边界通常限制在其最大幅度衰减-3dB处对应的频率。 通带平坦度（或者增益均匀性）指在规定带宽内增益响应随频率变化量（包括正波动和负波动）。它可能会表现为波动，或者像Butterworth