揭開(kāi)射頻轉(zhuǎn)換器模擬輸入的全部奧秘

讓我們面對(duì)現(xiàn)實(shí)吧：模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的工作方式不同。他們的模擬輸入是對(duì)電壓輸入敏感的設(shè)備，這讓射頻 (RF) 工程師對(duì)于如何將 ADC 與模擬輸入相匹配而摸不著頭腦。

更令人困惑的是，模擬輸入接口通常本質(zhì)上是差分的，并且在內(nèi)部采樣開(kāi)關(guān)以光速打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)具有隨時(shí)間變化的輸入阻抗。該輸入阻抗被認(rèn)為是 ADC 輸入帶寬上的真實(shí)電阻值，但當(dāng)繪制在史密斯圓圖上時(shí)，跡線曲線只是繞來(lái)繞去。

在本文中，我將介紹與模擬輸入權(quán)衡相關(guān)的一些細(xì)節(jié)，以及如何根據(jù)模擬輸入網(wǎng)絡(luò)正確推導(dǎo)出 ADC 的滿量程范圍(以 dBm 為單位)。

一切都與凈空高度有關(guān)

很久以前，高速 ADC是在支持高達(dá) 10-Vpp 滿量程電壓擺幅的工藝節(jié)點(diǎn)上設(shè)計(jì)的。

它們甚至是單端的。設(shè)置 ADC 的基準(zhǔn)為您提供了使?jié)M量程范圍單極或雙極的一些靈活性。

如今，工藝節(jié)點(diǎn)很小(65 nm 或更小)，ADC 的內(nèi)部模擬輸入前端偏置在 <2 V。這顯著降低了裕量，當(dāng)信號(hào)鏈設(shè)計(jì)需要與1 或 2 Vpp 滿量程范圍，其中 RF 停止，ADC 開(kāi)始。

今天，大多數(shù)高速 ADC 采用差分輸入。這意味著您只有四分之一的信號(hào)擺幅可以環(huán)繞共模電壓 (VCM) 偏置，或者每個(gè)模擬輸入處理一半的擺幅。圖 1說(shuō)明了單端與差分信號(hào)的特性和定義

圖 1：?jiǎn)味伺c差分模擬輸入信號(hào)

ADC的模擬輸入VCM很重要，需要外部輸入網(wǎng)絡(luò)前端來(lái)滿足;否則，設(shè)備將面臨其他性能挑戰(zhàn)。

通過(guò)對(duì)信號(hào)擺幅進(jìn)行差分劃分，該接口使您能夠在全量程范圍內(nèi)(即 1 或 2 Vpp)保持較高的電壓電平;因此，模擬輸入的差分特性可實(shí)現(xiàn)更小的工藝節(jié)點(diǎn)。

全面權(quán)衡

一些 ADC 非常靈活，專(zhuān)門(mén)使用幾個(gè)(幾千個(gè))串行外設(shè)接口 (SPI) 寄存器來(lái)改變滿量程擺幅。請(qǐng)記住，具有較大滿量程范圍的設(shè)計(jì)通常會(huì)產(chǎn)生更好的信噪比 (SNR)。但更好的 SNR 性能通常會(huì)降低無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 的諧波性能。

SNR 增加是因?yàn)樾盘?hào)擺幅現(xiàn)在可以更大，假設(shè)噪聲保持不變。相反，較小的滿量程范圍可實(shí)現(xiàn)更好的 SFDR(HD2 和 HD3);但是，SNR 有輕微的犧牲。見(jiàn)圖。2和3來(lái)理解這些權(quán)衡。

圖 2：最小滿量程值 (430-mVpp) = SFDR 增加

如圖2所示，輸入滿量程范圍從默認(rèn)值 800 mVpp 變?yōu)?430 mVpp。這反映了 SFDR 或 HD2 和 HD3 的輕微增加。輸入滿量程值從默認(rèn)的 800 mVpp 變?yōu)?1.0 Vpp 會(huì)導(dǎo)致 SNR 略有增加，如圖3 所示。注意圖 3與圖 2中的 HD2 和 HD3 下降。

圖 3：最大滿量程值 (1.0-Vpp) = SNR 增加

在任何一種情況下，您都可以通過(guò)優(yōu)化滿量程值為您的應(yīng)用“撥入”最佳交流性能。

其他 SPI 寄存器允許您更改輸入阻抗，可能將差分輸入上的輸入阻抗減半或加倍。這意味著您可以在設(shè)計(jì)前端時(shí)優(yōu)化“匹配”網(wǎng)絡(luò)。輸入滿量程范圍的值將再次發(fā)生變化。并非所有 ADC 都提供這些功能，但有些提供這些功能，這比更改前端電路以適應(yīng)不同應(yīng)用或向前端網(wǎng)絡(luò)添加額外組件更容易。

全面擊穿

讓我們通過(guò)一個(gè)示例來(lái)說(shuō)明在為 ADC 設(shè)計(jì)高速匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)所涉及的權(quán)衡取舍。平衡不平衡轉(zhuǎn)換器和前端網(wǎng)絡(luò)會(huì)給整個(gè)信號(hào)鏈增加損耗和額外的噪聲系數(shù)，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中了解輸入驅(qū)動(dòng)的權(quán)衡和優(yōu)化滿量程值是相關(guān)的。輸入驅(qū)動(dòng)定義了在接口網(wǎng)絡(luò)(在本例中為無(wú)源巴倫網(wǎng)絡(luò))前以滿量程驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器所需的信號(hào)量(以 dBm 為單位)。

在示例中，ADC 是德州儀器 (Texas Instruments) 的射頻采樣 12 位ADC12DJ5200RF，巴倫是 Marki Microwave 的 BAL-0009SMG。前端電阻網(wǎng)絡(luò)將巴倫的差分輸出連接到 ADC 差分輸入。參見(jiàn)圖 4。

圖 4：示例前端網(wǎng)絡(luò)

接下來(lái)讓我們做一些計(jì)算。如果您手邊沒(méi)有 dBm 計(jì)算器，我建議您將最新的圖形計(jì)算器應(yīng)用程序下載到您的手機(jī)上。

ADC12DJ5200RF 的默認(rèn)模擬輸入滿量程范圍為 800 mVpp (Vfs)，內(nèi)部有 100Ω (R ADC ) 差分負(fù)載，以 dBm 計(jì)算(公式 1)：

P ADC = 10*log((Vfs/2/sqrt(2)) 2 /Radc/1e03) 或 10*log((800m/2/sqrt(2)) 2 /100/1e-3) = -0.97 dBm (1)

由于輸入網(wǎng)絡(luò)是差分的，因此處理數(shù)字可能會(huì)變得有些困難。但通過(guò)使用單端方法，ADC 輸入端的滿量程電壓值為 400 mVpp (Vfs/2) 或 -3.97 dBm。

通過(guò)使用如上所述的前端電阻網(wǎng)絡(luò)，您可以計(jì)算分壓器以了解實(shí)現(xiàn) 400-mVpp (Vfs/2) 滿量程值所需的損耗。

R ADC /2 = 50 Ω 和 Rs 形成電阻分壓器或 Va = (Vfs/2)*(((R ADC /2)+Rs)/R ADC ) = 0.47 V，這為您提供單端電壓輸入在盧比和室溫。

現(xiàn)在，讓我們計(jì)算巴倫輸出端的單端電壓(公式 2)：

Vb = Va*(((((R ADC /2)+Rs)||(Rt/2))+Rs)/(((R ADC /2)+Rs)||(Rt/2))) = 0.57 伏 (2)

您可以將此單端電壓設(shè)為差分電壓或 2*Vb 或 1.13 V = Vdiffbo。巴倫輸出的功率表示為公式 3：

Pbo = 10*log((((Vdiffbo/2/sqrt(2)) 2 )/R ADC )/1e-3) = 2.06 dBm (3)

現(xiàn)在是有趣的部分：要么查閱預(yù)期巴倫的數(shù)據(jù)表，要么在最近的四端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上測(cè)量巴倫并使用 SDS21。這將產(chǎn)生單端到差分測(cè)量并提供正確的巴倫插入損耗。在本例中，測(cè)量 BAL-0009SMG 在 1 GHz 時(shí)產(chǎn)生 4.2 dB 的損耗。見(jiàn)圖。

圖 5：Marki Microwave BAL-0009SMG 巴倫的 SDS21 插入損耗圖

將巴倫損耗與巴倫輸出端的輸出功率相加(電阻網(wǎng)絡(luò)損耗)決定了輸入驅(qū)動(dòng)：2.06 + 4.2 或 +6.26 dBm;+6.26 dBm 是將巴倫初級(jí)上的模擬輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)到 ADC 滿量程所需的輸入幅度。

因此，從上到下的總損耗為 6.26 + 0.97，即 7.26-dBm 損耗。還記得實(shí)現(xiàn)滿量程值的 P ADC方程(結(jié)果為 -0.97 dBm)嗎?將該結(jié)果也添加回來(lái)。

關(guān)于噪聲系數(shù)的快速說(shuō)明：在設(shè)計(jì)模擬接收器鏈時(shí)，巴倫和前端網(wǎng)絡(luò)中的損耗也很重要。在這種情況下，噪聲系數(shù)添加將是找到的損耗或 6.26 dBm，這是 1.3 Vpp 的值與 800 mVpp 的默認(rèn)滿量程值。這意味著接收器信號(hào)鏈中的額外噪聲系數(shù)為 20*log(1.3/0.8) = 4.22 dB。

現(xiàn)在，讓我們采用不同的方法：在實(shí)驗(yàn)室中使用 ADC12DJ5200RF 評(píng)估模塊對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。使用信號(hào)發(fā)生器，撥入輸出電平，直到 ADC 非常接近 1 GHz 的滿量程值。在這種情況下，輸入滿量程值為信號(hào)發(fā)生器讀數(shù)的 +6.3 dBm。請(qǐng)記住，巴倫變化和電纜/連接器損耗可能會(huì)導(dǎo)致一些差異。見(jiàn)圖6。

圖 6： High Speed Data Converter Pro 快速傅立葉變換圖，顯示 -0.01 dBFS 的 1 GHz 未過(guò)濾中頻

結(jié)論

在設(shè)計(jì)模擬接收器前端時(shí)，了解 ADC 中的輸入驅(qū)動(dòng)和滿量程范圍權(quán)衡至關(guān)重要。這里給出的用于分析前端的快速方法應(yīng)該有助于將權(quán)衡保持在范圍內(nèi)。如果您對(duì)此分析有任何疑問(wèn)或反饋，請(qǐng)?jiān)谙旅姘l(fā)表評(píng)論。

審核編輯：湯梓紅