如何設計GSPS轉(zhuǎn)換器的寬帶前端

作為高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器技術 改善，因此需要解決非常高的中間 在高速下準確頻率 （IF）。這構(gòu)成了兩個 挑戰(zhàn)：轉(zhuǎn)換器設計本身和前端 將信號內(nèi)容耦合到轉(zhuǎn)換器的設計。甚至 如果轉(zhuǎn)換器本身的性能非常好，則前面 端也必須能夠保持信號質(zhì)量。高 頻率、高速轉(zhuǎn)換器設計存在于許多 當今的應用，包括雷達、無線基礎設施和 儀器突破了這些界限。這些 應用需要使用高速 GSPS （每秒千兆采樣）轉(zhuǎn)換器，分辨率為 8 位 到 14 位;但請記住，有許多參數(shù) 需要滿足才能滿足您的“匹配” 特定應用。

寬帶，如本文所定義，是使用信號 帶寬大于 +100 MHz，范圍為 1 GHz 至 4 GHz 頻率。在本文中，什么定義了 將討論寬帶無源網(wǎng)絡，以及 選擇時重要的規(guī)格 變壓器或巴倫以及電流配置 將突出顯示今天使用的拓撲。最后 將揭示考慮因素和優(yōu)化技術 為了幫助讀者實現(xiàn)可行的寬帶 與參數(shù)匹配的千兆赫區(qū)域中的解決方案 的特定應用程序。

奠定基礎

自然而然地傾向于GSPS轉(zhuǎn)換器的應用 如雷達、儀器儀表和通信 觀察，因為這些提供了更寬的頻譜 或奈奎斯特樂隊。然而，更寬的頻譜 對前端設計提出了更多挑戰(zhàn)。只 因為您購買了具有 1 GHz 奈奎斯特的轉(zhuǎn)換器 樂隊，這仍然意味著您必須包裝正確的組件 在它周圍并密切注意電路的 結(jié)構(gòu)，即前端。當 應用需要+1GHz超奈奎斯特采樣，其中 光譜信息必須在第二、第三、 或第四奈奎斯特區(qū)。

帶寬快速說明

首先，應該討論一些關于帶寬的注意事項。保持 請注意，轉(zhuǎn)換器的全功率帶寬不同 從轉(zhuǎn)換器“可用”或“采樣”帶寬。全功率 帶寬是轉(zhuǎn)換器需要的帶寬 準確采集信號，并為內(nèi)部前端 妥善安頓。選擇一個 IF 并在 OUT 中使用轉(zhuǎn)換器 此區(qū)域不是一個好主意，因為性能結(jié)果將 系統(tǒng)中根據(jù)額定分辨率和 轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊中說明的性能——完整的 電源帶寬×比 轉(zhuǎn)換器本身的采樣帶寬。設計是 穩(wěn)定在樣本帶寬附近。所有設計都應避免 使用部分或全部最高頻率部分 額定全功率帶寬;通過這樣做，預計會降低 動態(tài)性能 （SNR/SFDR）。要確定 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣帶寬 轉(zhuǎn)換器，請參閱數(shù)據(jù)手冊或應用支持，如 有時這不是特別給出的。通常，數(shù)據(jù)表 已指定甚至列出生產(chǎn)測試頻率 保證在轉(zhuǎn)換器的 樣本帶寬;但是，關于這些的更好解釋 行業(yè)帶寬條款需要指定，并且 定義。

巴倫特性和不平衡

曾經(jīng)的應用帶寬和高速模數(shù) 轉(zhuǎn)換器已知，選擇前端拓撲： 放大器（有源）或變壓器（無源）。權衡取舍 兩者之間很長，取決于應用程序。為 有關此主題的更多信息，請參閱 參考資料 3.從現(xiàn)在開始，本文的基礎將 專注于變壓器/巴倫耦合前端 設計。術語“巴倫”將用于以下上下文： 指變壓器或巴倫。即使有 兩者在結(jié)構(gòu)和 拓撲，假設無源設備用于 耦合并構(gòu)建前端，轉(zhuǎn)換傳入的前端 感興趣的IF，從單端信號到差分信號。

巴倫具有與放大器不同的特性， 選擇設備時應考慮。電壓 增益、阻抗比、帶寬和插入損耗， 幅度和相位不平衡以及回波損耗是其中的一些 這些不同的特征。其他要求可能 包括額定功率、配置類型（如巴倫或變壓器）和中心抽頭選項。使用巴倫進行設計 并不總是直截了當?shù)?。例如，巴?特性隨頻率變化，從而使 期望。一些巴倫對接地、布局、 和中心絲錐聯(lián)軸器。明智的做法是不要完全期望數(shù)據(jù) 巴倫的片是選擇它的唯一依據(jù)。 經(jīng)驗可以在這里發(fā)揮巨大作用，因為巴倫承擔了 PCB寄生效應、外部匹配網(wǎng)絡、 以及轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部采樣和保持電路（即 負載）也成為等式的一部分。 選擇巴倫的重要特征是 總結(jié)如下作為指導：

理想情況下，信號增益等于 變壓器。盡管巴倫內(nèi)的電壓增益 固有無噪聲，使用具有電壓增益的巴倫可以 獲取信號噪聲。也可能有一個重大的權衡 在帶寬上。巴倫應該簡單地視為 具有標稱增益的寬帶通帶濾波器。因此， 典型趨勢是巴倫中的信號增益越大越少 帶寬。巴倫的電壓增益可以高度可變， 允許更顯著的紋波和滾降 在不需要時獲得。找到 1：4 的阻抗比 變壓器具有良好的千兆赫茲性能是困難的 今天。綜上所述，用戶要警惕;使用1：4，1：8的想法， 和 1：16 阻抗比巴倫以改進或優(yōu)化 最終信號鏈級內(nèi)的噪聲系數(shù)應該很好 在實驗室中經(jīng)過深思熟慮并驗證。由于帶寬選項 變得有限，以及性能，權衡是 顯著，迫使性能不比 設計時的 1：1 或 1：2 阻抗比設計 千兆赫茲區(qū)域。

巴倫的插入損耗只是對 指定的頻率范圍，是最常見的 測量規(guī)格可在任何巴倫數(shù)據(jù)表中找到。 在電路中實現(xiàn)時，這肯定會改變。 通常，您可以期望頻率范圍的一半 在數(shù)據(jù)手冊中指定。有些比這更糟糕， 取決于巴倫的拓撲結(jié)構(gòu)和對負載的敏感性 寄生效應;即電容。這可能是最 誤解了關于巴倫的參數(shù)，因為它們是 在理想阻抗下進行優(yōu)化，無負載寄生效應 情況;即它們的特點是網(wǎng)絡分析儀。

回波損耗是有效巴倫的失配 次級端接的阻抗，如 主要。例如，如果次級比率的平方 初級匝數(shù)為 4：1，預計阻抗為 50 Ω 當次節(jié)點 終止 200 Ω。但是，這種關系不是 精確：初級端的反射阻抗隨 頻率，如以下示例所示。

首先，找到指定中心頻率處的回波損耗 對于設計。在本例中，使用 110 MHz。佐被發(fā)現(xiàn) 不是理想變壓器假設的50 Ω。是的 更低，如公式3所示。

接下來，將公式3中的初級Zo與公式<>中的主Zo進行比值 次級理想阻抗。對主數(shù)據(jù)庫執(zhí)行相同的操作 理想并求解真正的次級阻抗。

因此，這個例子證明的是 251 Ω差分 次端應存在終止以反映 主節(jié)點上的負載為 50 Ω。否則，在前面的階段 信號鏈最終驅(qū)動更重的負載（~40 Ω）。這 在前一階段導致更多收益;更多增益和 錯誤表示的負載條件會導致更多的失真 高速轉(zhuǎn)換器將“看到”并因此限制 系統(tǒng)的動態(tài)范圍。一般來說，作為阻抗比 上升，回波損耗的可變性也上升。保留這個 在設計帶有巴倫的“匹配”前端時牢記。

幅度不平衡和相位不平衡最多 考慮 巴倫。這些參數(shù)很好地衡量了如何 每個單端信號都偏離理想值;等于 幅度和 180° 異相。這兩個規(guī)格 讓設計人員了解信號線性度有多大 當設計需要時交付給轉(zhuǎn)換器 高（+1000 MHz）中頻頻率。一般來說，他們越多 偏差，性能下降越嚴重。堅持 那些發(fā)布此信息的變壓器或巴倫 首先是數(shù)據(jù)手冊。如果信息不存在 數(shù)據(jù)表，這可能是這不是一個好的原因 這種高頻應用的選擇。記住：作為 頻率增加，巴倫的非線性也增加 增加，通常由相位不平衡主導，這 轉(zhuǎn)化為更糟糕的偶數(shù)階失真（主要是第 2 次 諧波或H2），如高速轉(zhuǎn)換器所見。甚至 三度相位不平衡會導致顯著的 無雜散動態(tài)范圍內(nèi)的性能下降 或 SFDR。不要很快責怪轉(zhuǎn)換器，看看 如果預期數(shù)據(jù)表雜散 很遠，尤其是H2。

有一些解決方案可以對抗二次諧波 在較高頻率下使用巴倫時失真;為 例如，嘗試在 層疊時尚。兩個，如圖 2 所示，以及一些 在這種情況下，可以使用三個巴倫來幫助轉(zhuǎn)換單端 信號到差分充分跨越高電平 頻率。缺點是空間、成本和插入損耗。 另一個建議是嘗試不同的巴倫。更好的單身 解決方案巴倫就在那里;比如阿納倫· Hyperlabs，Marki微波，迷你電路和 皮秒，僅舉幾例。這些具有專利設計 使用特殊拓撲，允許擴展帶寬 千兆赫茲區(qū)域，提供高水平的平衡，同時 僅使用單個設備，在某些情況下更小 比常用的標準鐵氧體封裝 今天?

圖1.雙巴倫/變壓器拓撲結(jié)構(gòu)。

請記住，并非所有巴倫都以相同的方式指定 制造商和明顯相似的巴倫 規(guī)格在相同情況下的性能可能不同。 為設計選擇巴倫的最佳方法是收集和 了解正在考慮的所有巴倫的規(guī)格，以及 請求制造商數(shù)據(jù)中未注明的任何關鍵數(shù)據(jù)項 床單。或者，或者另外，它可能有用 使用網(wǎng)絡分析儀或 系統(tǒng)主板前面的高速模數(shù) 轉(zhuǎn)爐。

關于使用單巴倫或多巴倫的最后一點說明 拓撲：布局在相位中起著同樣重要的作用 不平衡也是如此。保持更高的性能優(yōu)化 頻率意味著保持布局的對稱性 可能。否則，跟蹤中的輕微不匹配 使用巴倫的前端設計可以被證明是無用的（即 動態(tài)范圍限制）。

前端匹配

首先，“匹配”這個詞是一個應該使用的術語 明智。幾乎不可能在每個前端都匹配 目前使用100 MSPS轉(zhuǎn)換器的頻率，更不用說超過一個 100 MHz 頻段。術語匹配應定位為 在給定前端的情況下產(chǎn)生最佳結(jié)果的平均優(yōu)化 設計。這將是一個包羅萬象的術語，其中 阻抗、交流性能、信號驅(qū)動強度和 帶寬及其通帶平坦度產(chǎn)生最佳結(jié)果 對于該特定應用程序。

這意味著每個參數(shù)都應該有一個特定的權重 每個應用程序的重要性。在某些情況下，對于 例如，帶寬可能是最重要的規(guī)范和 因此，如果出現(xiàn)以下情況，則允許其他參數(shù)受到一些影響 可以實現(xiàn)適量的帶寬。在圖 2 中， 圖中顯示了 GSPS 轉(zhuǎn)換器的輸入網(wǎng)絡。每 網(wǎng)絡中的電阻器就像一個變量，但是每個 這些電阻值是可變的，以產(chǎn)生基本相同的電阻值 輸入阻抗性能參數(shù)將隨 如表1所示。

圖2.通用前端網(wǎng)絡。

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本質(zhì)上，阻抗匹配網(wǎng)絡大致為 相同，但這三個示例之間產(chǎn)生了結(jié)果 在所需的測量參數(shù)中是不同的 設計前端網(wǎng)絡。這里的比賽是最好的 所有涉及的參數(shù)的結(jié)果，在本例中超過 需要 2.5 GHz 的帶寬。這縮小了選擇范圍 向下到案例 1 和案例 2，如圖 3 所示。

圖3.帶寬匹配。

在案例 1 和案例 2 之間進一步看，很容易 看到案例 2 更可取，原因有二。 第一，通帶平坦度在 2 GHz 區(qū)域;二、輸入驅(qū)動小于2 dBm 案例 3.這進一步減少了對RF增益的限制 向上信號鏈以實現(xiàn)滿量程的高電平 巴倫初級速度轉(zhuǎn)換器。案例 1 似乎 成為此示例中的最佳匹配項。

總結(jié)

從理論上講，GSPS轉(zhuǎn)換器易于使用 采樣更寬的帶寬以覆蓋多個頻段 關注或緩解前端RF條上的混音下降階段; 但是，在 1 GHz 范圍內(nèi)實現(xiàn)帶寬可能會帶來 設計高性能轉(zhuǎn)換器前端的挑戰(zhàn) 網(wǎng)絡。請記住指定 巴倫，其中相位不平衡將變得很重要 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器了解的內(nèi)容 例如，作為最佳二階線性度。即使當 選擇巴倫，不要通過使用而丟棄其性能 布局技術不佳，警惕匹配網(wǎng)絡 適當?shù)?。請記住，有許多參數(shù)需要 滿足以滿足您的特定匹配 應用

審核編輯：郭婷