高速射頻AD轉(zhuǎn)換器前端設(shè)計

作者：ROB REEDER，來源： 電子工程專輯微信公眾號

AC性能比較權(quán)衡

在將巴倫、LNA和FDA與TRF1208等單端轉(zhuǎn)差分(S2D)放大器進行比較時，重要的是要搞清楚設(shè)計寬帶、高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)接口時所涉及的指標。如果提前考慮好的話，以下五個指標可以有助于使設(shè)計不出問題：

輸入阻抗或電壓駐波比(VSWR)：該參數(shù)是一個無量綱參數(shù)，它顯示在有用帶寬內(nèi)有多少功率被反射到負載中。網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗是負載的特定值，通常為50Ω。

帶寬：系統(tǒng)中的起始和截止頻率，通常距某個參考點–3dB。

通帶平坦度：通常定義為指定帶寬內(nèi)可容忍的波動量或紋波量。例如，1.0dB或+5dB。這些可以或多或少地用斜率定義。

AC性能中，對于單音來說，信噪比(SNR)和無寄生動態(tài)范圍(SFDR)很重要;而對于雙音而言，非常重要的卻是三次互調(diào)失真(IMD3)。

輸入驅(qū)動電平：該參數(shù)是帶寬、輸入阻抗和VSWR的函數(shù)。該電平確定轉(zhuǎn)換器滿量程輸入信號所需的增益或幅度。它高度依賴于前端組件——巴倫、放大器和抗混疊濾波器——并且可能是最難實現(xiàn)的參數(shù)之一。

需要明確的是，這些指標概括了整個前端接口設(shè)計，而不僅僅是ADC。事先考慮好這些指標，將有助于在有源或無源前端之間做出正確選擇。

實際上，只需對前端帶寬、輸入驅(qū)動和交流性能(SNR和SFDR)的各頻率進行掃描，即可快速評估整體前端設(shè)計的差異。

觀察以下五種不同的前端設(shè)計，對這些指標進行比較權(quán)衡，如圖1所示。

圖1：分別基于一個巴倫、一個LNA、一個巴倫加FDA、一個單端FDA和TRF1208放大器的五種前端設(shè)計。資料來源：德州儀器

接下來，圖2顯示了在頻率高達10GHz的頻段上輸入帶寬和輸入驅(qū)動電平的權(quán)衡。對于每款設(shè)計，都考慮其前端帶寬(–3dB帶寬)和1.4GHz頻率上達到–6dBFS所需的輸入驅(qū)動電平。例如，查看TRF1208數(shù)據(jù)，只需–16dBm輸入信號即可達到ADC滿量程值的–6dBFS。然而，使用寬帶巴倫時卻大約需要+1dBm才能達到相同的水平。兩者之間，信號強度相差17dBm。巴倫和寬帶接口網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生損耗，因此會提高整個信號鏈的噪聲系數(shù)。位于下面的跡線顯示巴倫會產(chǎn)生損耗，而LNA和FDA前端設(shè)計也是如此，其中包括用于S2D信號轉(zhuǎn)換的巴倫。

圖2：五種前端設(shè)計各自的頻率響應。

圖2顯示出從大約DC到8GHz的通帶平坦度。盡管所有前端設(shè)計都可以達到8GHz，但每個設(shè)計都有需要應對的不同的峰值和谷值。平心而論，可以根據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)值的變化以及設(shè)計的最終要求來微調(diào)這些峰值和谷值。

巴倫本身有損耗，因此寬帶巴倫接口需要更高的信號驅(qū)動電平，為了在ADC輸出上實現(xiàn)-6dBFS，巴倫初級端的信號電平需高達+1dBm。由于所有其他比較對象都使用了有源放大器件(所有這些器件都具有各種固有增益)，因此所需的輸入驅(qū)動電平將大大降低：從–5dBm到–16dBm。可以進行進一步的分析和前端設(shè)計，來“平衡”增益和輸入網(wǎng)絡(luò)損耗。與此同時，在深入了解交流性能之前，這些信息確實讓設(shè)計師對預期結(jié)果提前有所了解。

SNR和SFDR

在相同帶寬上進行頻率掃描可捕獲SNR、SFDR和IMD3性能。這些是典型的標準測試，用于在設(shè)計高速轉(zhuǎn)換器時進行比較權(quán)衡。

圖3顯示了各種架構(gòu)之間的SNR權(quán)衡。

圖3：五種前端設(shè)計的SNR值。

將紫色曲線視為基準性能，可以看到寬帶巴倫接口在轉(zhuǎn)換器的整個帶寬內(nèi)的SNR性能最佳。代表LNA方法的綠色曲線排在第二位，雖然這些類型的有源器件通常具有非常低的噪聲系數(shù)，還是增加了大約1dB到2dB的噪聲。FDA排在第三位，因為它的寬帶噪聲比LNA高，卻比TRF1208低。在單端輸入架構(gòu)中使用FDA時，共模噪聲消除是一個小問題，因為在輸入端其固有設(shè)計期望的是全差分信號。使用這種類型的架構(gòu)會對SNR稍微帶來一些影響。

TRF1208排在最后。其輸出噪聲最大，因為它具有比FDA更高的增益。請記住，較高的有源增益將會放大器件自身產(chǎn)生的噪聲。例如，當模擬輸入信號為2GHz時，TRF1208的增益為16dB，在–166.7dBm/Hz時的噪聲系數(shù)等于8dB，導致輸出噪聲為–150.7dBm/Hz。而FDA的增益等于10dB(S2D)，在–163.3dBm/Hz時的噪聲系數(shù)等于11dB，導致的輸出噪聲為–153.3dBm/Hz。

所有設(shè)計所配置的帶寬都會盡可能寬，如圖2所示。在任何有源設(shè)計中，通過在放大器輸出和ADC輸入之間使用抗混疊濾波器來降低帶寬，將有助于降低有用頻帶之外的寬帶噪聲。它還有助于降低轉(zhuǎn)換器接收的噪聲，從而將SNR推回到基準性能，如圖1所示(WB Balun+5200RF ADC)。

圖4顯示了各種前端配置在10GHz頻率范圍內(nèi)進行線性掃描得到的SFDR動態(tài)范圍。SFDR是一種單音測量，可以很好地觀察有用頻段內(nèi)的任何諧波(二次、三次、四次諧波)。

圖4：五種前端設(shè)計的SFDR值

再次查看作為基準性能的紫色曲線，可以發(fā)現(xiàn)寬帶巴倫接口將在轉(zhuǎn)換器的整個帶寬內(nèi)實現(xiàn)的SFDR最佳。代表LNA的綠色曲線顯示性能最差，尤其是在高達5GHz以下的較低頻段，這是因為LNA的單端特性所致，因為偶次失真(HD2)將始終是主要諧波分量。HD2最終會落到ADC帶寬之外。

當前端使用差分時，在0.5至3.5GHz范圍內(nèi)，F(xiàn)DA中的主要諧波分量為三次諧波。使用單端方法時，在0.5至5GHz范圍內(nèi)，主要分量則明顯為偶次諧波。

圖中發(fā)現(xiàn)，TRF1208的FDA性能一直與無源基準前端一致，這說明了為什么在寬帶前端需要有源器件時，該放大器是首選的原因。

雙音測量

另一種常見的轉(zhuǎn)換器測試指標是雙音測量，不過會導致IMD3或三次互調(diào)失真增加，并快速仿真實際應用系統(tǒng)中的信號。簡而言之，雙音測量有效評估同時注入前端接口的兩個信號。通常將這兩個信號相互偏移10MHz，并被放大到相同的電平，或者均為–7dBFS。圖5所示為IMD3+(2×F1+F2或2×F2+F1)分量。為便于說明性能差異，圖中不包括IMD3–(2×F1–F2或2×F2–F1)分量。

圖5：五種前端設(shè)計中的IMD3+

紫色曲線再次作為基準性能，可以看到寬帶巴倫接口將在轉(zhuǎn)換器的整個帶寬內(nèi)產(chǎn)生的IMD3性能最佳。代表LNA的綠色曲線顯示出性能相對于寬帶巴倫接口的下降。相對于基準，代表FDA接口的藍色和黑色曲線的性能也有所下降，最高可達5GHz。在整個頻率掃描范圍內(nèi)，TRF1208與無源基準前端保持一致。同樣這也說明在寬帶前端需求方面，為什么說該放大器是首選的原因。

此外， FDA評估需要用兩個電源，其中一個為負電源;為了保持低噪聲，功耗僅為1.8W。這是一種經(jīng)典設(shè)計方法，一方面降低噪聲，同時增加了放大器的動態(tài)范圍，以便使設(shè)計能夠提供更高功率。其中，LNA功耗最小，僅0.275W，采用5V單電源。TRF1208亦采用5V單電源供電，而功耗為0.675W。

本文對如何克服ADC模擬前端接口設(shè)計的缺陷提供快速入門指南，并提供一些有用且熟悉的設(shè)計比較，并介紹新型TRF1208差分放大器。對于任何新的寬帶前端設(shè)計，建議提前仔細評估各項指標，并作出權(quán)衡。要注意相位平衡，因為失衡時，如果有用頻率中含有偶次諧波，可能會造成嚴重影響。巴倫和放大器設(shè)計性能各具優(yōu)缺點，重要的是要會權(quán)衡取舍，并做出明智的選擇。

審核編輯 黃宇