如何實(shí)現(xiàn)GSPS轉(zhuǎn)換器寬帶前端的設(shè)計(jì)

隨著轉(zhuǎn)換器技術(shù)的改進(jìn)，即使在高速運(yùn)行時(shí)也能準(zhǔn)確地解決非常高的中頻（IF）。這帶來了兩個(gè)挑戰(zhàn)：轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)本身和將信號內(nèi)容耦合到轉(zhuǎn)換器的前端設(shè)計(jì)。即使轉(zhuǎn)換器本身非常出色，前端也必須能夠保持信號質(zhì)量。當(dāng)今許多應(yīng)用中都存在高頻，高速轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，RADAR，無線基礎(chǔ)設(shè)施和儀器推動了這些界限。這些應(yīng)用需要使用分辨率為8到14位的高速GSPS轉(zhuǎn)換器。如本文所定義，寬帶使用的信號帶寬大于+100 MHz且范圍為+ 1-4 GHz頻率。在本文中，將討論定義寬帶無源網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容，并突出顯示在選擇變壓器或平衡 - 不平衡變壓器以及當(dāng)前使用的當(dāng)前配置拓?fù)鋾r(shí)重要的規(guī)范。最后，將展示考慮因素和優(yōu)化技術(shù)，以便在GHz區(qū)域?qū)崿F(xiàn)可行的寬帶解決方案。

奠定基礎(chǔ)

對于諸如RADAR，儀器儀表和通信觀察等應(yīng)用而言，GSPS轉(zhuǎn)換器很自然會被吸引。這提供了更寬的頻譜或奈奎斯特頻帶。然而，更寬的頻譜對前端設(shè)計(jì)提出了更多挑戰(zhàn)。僅僅因?yàn)槟徺I了具有+1 GHz奈奎斯特的轉(zhuǎn)換器，您仍然需要在其周圍包裹正確的組件并密切關(guān)注電路的結(jié)構(gòu)，即 - 前端。當(dāng)應(yīng)用要求+1 GHz超奈奎斯特采樣時(shí)，這些挑戰(zhàn)會升級，其中必須在2 nd ，3 rd 或4 中捕獲光譜信息。 奈奎斯特區(qū)。

關(guān)于帶寬的快速說明

首先，應(yīng)該討論有關(guān)帶寬的一些注意事項(xiàng)。請記住，轉(zhuǎn)換器的全功率帶寬與轉(zhuǎn)換器“可用或采樣”帶寬不同。全功率帶寬是轉(zhuǎn)換器準(zhǔn)確獲取信號并使內(nèi)部前端正確穩(wěn)定所需的帶寬。選擇IF并在該區(qū)域的邊緣使用轉(zhuǎn)換器不是一個(gè)好主意，因?yàn)橄到y(tǒng)中的結(jié)果會有很大差異。根據(jù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表中規(guī)定的額定分辨率和性能，全功率帶寬比轉(zhuǎn)換器本身的采樣帶寬大得多（可能是2倍）。樣本帶寬是設(shè)計(jì)的核心。所有設(shè)計(jì)都應(yīng)避免使用額定全功率帶寬的部分或全部最高頻率部分;通過這樣做，期望降低動態(tài)性能（SNR/SFDR）。要確定轉(zhuǎn)換器的樣本帶寬，請參閱數(shù)據(jù)表或應(yīng)用程序支持，因?yàn)橛袝r(shí)沒有給出。通常，數(shù)據(jù)表已指定或甚至列出經(jīng)過生產(chǎn)測試的頻率，以確保在轉(zhuǎn)換器的采樣帶寬內(nèi)提供的性能。但是，需要指定和定義有關(guān)行業(yè)中這些帶寬術(shù)語的更好解釋巴倫特性和不平衡

一旦知道應(yīng)用帶寬和轉(zhuǎn)換器，就選擇前端拓?fù)洌?a href="http://ttokpm.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器（有源）或變壓器（無源）。兩者之間的權(quán)衡很長，也取決于應(yīng)用。有關(guān)此主題的更多信息，請參見參考文獻(xiàn)3.從現(xiàn)在開始，本文的基礎(chǔ)將集中在變壓器/巴倫耦合前端設(shè)計(jì)上。此外，術(shù)語“平衡 - 不平衡變壓器”將用于指變壓器或平衡 - 不平衡變壓器的環(huán)境中。盡管兩者在構(gòu)造和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面存在差異，但假設(shè)使用無源器件耦合并構(gòu)建前端，將感興趣的輸入IF從單端信號轉(zhuǎn)換為差分信號。巴倫斯具有許多與放大器不同的特性，在選擇器件時(shí)應(yīng)予以考慮。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一些考慮因素。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(xiàng)。使用平衡 - 不平衡變壓器進(jìn)行設(shè)計(jì)并不總是直截了當(dāng)?shù)?。例如，平?- 不平衡變換器特性隨頻率而變化，從而使期望變得復(fù)雜。一些平衡 - 不平衡變壓器對接地，布局和中心抽頭耦合很敏感。明智的做法是不要完全期望巴倫的數(shù)據(jù)表是選擇它的唯一依據(jù)。當(dāng)PCB寄生效應(yīng)，外部匹配網(wǎng)絡(luò)以及轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部采樣和保持電路（負(fù)載）也成為等式的一部分時(shí)，經(jīng)驗(yàn)可以在這里發(fā)揮巨大的作用，因?yàn)槠胶?- 不平衡變換器采用了新的形式。

選擇a的重要特征以下將巴倫總結(jié)為指南：

信號增益理想地等于變壓器的匝數(shù)比。雖然平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器內(nèi)的電壓增益本質(zhì)上是無噪聲的，但使用具有電壓增益的平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器會增加信號噪聲。帶寬也可能存在重大折衷。應(yīng)該簡單地將平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器視為具有標(biāo)稱增益的寬帶通帶濾波器。因此，典型的趨勢是巴倫信號增益越多，帶寬越小。平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器的電壓增益可以高度變化，在不需要時(shí)可以獲得更明顯的紋波和滾降。今天很難找到具有良好GHz性能的1：4阻抗比變壓器?？傊?，用戶要小心;使用1：4，1：8和1:16阻抗比巴倫來改善或優(yōu)化最終信號鏈階段內(nèi)的噪聲系數(shù)的想法應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)室中仔細(xì)考慮和驗(yàn)證。由于帶寬選項(xiàng)變得有限以及性能不佳，因此在GHz區(qū)域設(shè)計(jì)時(shí)，性能要求不高于1：1或1：2阻抗比設(shè)計(jì)。平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器的插入損耗只是指定頻率范圍內(nèi)的損耗，是任何巴倫數(shù)據(jù)表中最常見的測量規(guī)范。當(dāng)在電路中實(shí)現(xiàn)時(shí)，這肯定會改變。通常，您可以預(yù)期數(shù)據(jù)表中指定的頻率范圍的一半。有些情況比這更糟糕，取決于巴倫的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對負(fù)載寄生效應(yīng)（電容）的敏感度。這可能是關(guān)于平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器的最容易被誤解的參數(shù)，因?yàn)樗鼈冊诶硐氲淖杩骨闆r下在沒有負(fù)載寄生效應(yīng)的情況下被優(yōu)化，即它們用網(wǎng)絡(luò)分析器表征。回波損耗是平衡 - 不平衡變壓器的次級端接有效阻抗與初級端子的不匹配。例如，如果次級匝數(shù)與初級匝數(shù)之比的平方為4：1，則當(dāng)次級以200歐姆終止時(shí)，可以預(yù)期50歐姆的阻抗將被反射到初級上。但是，這種關(guān)系并不準(zhǔn)確;初級反射阻抗隨頻率變化，如下例所示。

首先，找出為設(shè)計(jì)指定的中心頻率的回波損耗。在該示例中，使用110MHz。發(fā)現(xiàn)Zo不是理想變壓器假設(shè)的50歐姆。它低于公式3中所示。

這個(gè)例子證明的是應(yīng)在次級上存在251歐姆的差分終端，以反映初級負(fù)載上的50歐姆負(fù)載。否則，信號鏈中的前一級最終會驅(qū)動更重的負(fù)載（~40歐姆）。這導(dǎo)致前一階段的更多收益。更多增益和誤表示的負(fù)載條件會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器“看到”更多失真，從而限制系統(tǒng)的動態(tài)范圍。通常，隨著阻抗比的增加，回波損耗的可變性也會增加。在設(shè)計(jì)帶有平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器的“匹配”前端時(shí)，請記住這一點(diǎn)考慮平衡 - 不平衡變換器時(shí)，幅度和相位不平衡是最關(guān)鍵的性能特征。這些參數(shù)可以很好地衡量每個(gè)單端信號是如何偏離理想狀態(tài)的;大小相等，相位相差180度。當(dāng)設(shè)計(jì)需要高（+ 1000 MHz）IF頻率時(shí)，這兩個(gè)規(guī)范為設(shè)計(jì)人員提供了有關(guān)向轉(zhuǎn)換器提供多少信號線性度的透視圖。通常，它們越偏離，可以預(yù)期性能下降越嚴(yán)重。堅(jiān)持那些在數(shù)據(jù)表中發(fā)布此信息的變壓器或平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器作為開始。如果數(shù)據(jù)表中沒有該信息，這可能是為什么這不是這種高頻應(yīng)用的好選擇的原因。請記住，隨著頻率的增加，平衡 - 不平衡變換器的非線性也會增加，通常由相位不平衡主導(dǎo)，這轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換器所見的更差的偶數(shù)階失真（主要是2 nd 諧波或H2）。即使3度的相位不平衡也會導(dǎo)致無雜散動態(tài)范圍或SFDR的性能顯著下降。不要快速責(zé)怪轉(zhuǎn)換器，如果預(yù)期的數(shù)據(jù)表是虛假的，尤其是H2，請先查看前端設(shè)計(jì)。

有一些解決方案可以對抗2 nd 諧波在較高頻率下使用平衡 - 不平衡變換器時(shí)的失真。嘗試以級聯(lián)方式使用多個(gè)變壓器或平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器。兩個(gè)，如圖1所示，在某些情況下，可以使用三個(gè)平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器來幫助將單端信號在高頻下充分轉(zhuǎn)換為差分。缺點(diǎn)是空間，成本和插入損耗。另一個(gè)建議是嘗試不同的baluns。那里有更好的單解法巴倫; Anaren，Hyperlabs，Marki Microwave，Minicircuits和Picosecond等等。這些專利設(shè)計(jì)采用特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，允許在GHz區(qū)域擴(kuò)展帶寬，提供高水平的平衡，僅使用單個(gè)器件，在某些情況下，比目前常用的標(biāo)準(zhǔn)鐵氧體覆蓋區(qū)小。 》請記住，并非所有制造商都以相同的方式指定所有平衡 - 不平衡變壓器，并且具有明顯相似規(guī)格的平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器在相同情況下可能表現(xiàn)不同。為設(shè)計(jì)選擇平衡 - 不平衡變換器的最佳方法是收集和理解所考慮的所有平衡 - 不平衡變換器的規(guī)格，并請求制造商數(shù)據(jù)表中未說明的任何關(guān)鍵數(shù)據(jù)項(xiàng)?；蛘?，或者另外，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀或轉(zhuǎn)換器前面的系統(tǒng)板測量它們的性能可能是有用的。

圖1：雙變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

最后一個(gè)注意，當(dāng)使用單個(gè)或多個(gè)平衡 - 不平衡變換器拓?fù)鋾r(shí)，布局在相位不平衡中也起著同樣重要的作用。在更高頻率下保持性能優(yōu)化意味著保持布局盡可能對稱。否則，使用平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器的前端設(shè)計(jì)中的微量不匹配可能被證明是無用的（動態(tài)范圍限制）。

前端匹配

首先，“匹配”這個(gè)詞應(yīng)該是一個(gè)術(shù)語明智地使用?，F(xiàn)在幾乎不可能將每個(gè)頻率的前端與100 MSPS轉(zhuǎn)換器“匹配”，更不用說在+1000 MHz頻段上。術(shù)語匹配應(yīng)定位為意味著優(yōu)化，在前端設(shè)計(jì)的情況下產(chǎn)生最佳結(jié)果。這將是一個(gè)包羅萬象的術(shù)語，其中阻抗，AC性能，信號驅(qū)動強(qiáng)度，帶寬和通帶平坦度為特定應(yīng)用產(chǎn)生最佳結(jié)果。

這意味著每個(gè)參數(shù)應(yīng)具有每個(gè)應(yīng)用程序的特定重要性權(quán)重。在某些情況下，帶寬（BW）可能是最重要的規(guī)范，因此如果可以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)數(shù)量的BW，則允許其他參數(shù)受到一些影響。在此示例中（參見圖2），顯示了GSPS轉(zhuǎn)換器的輸入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)電阻都像一個(gè)變量。但是，由于每個(gè)電阻值都會變化以產(chǎn)生基本相同的輸入阻抗，因此性能參數(shù)將發(fā)生變化，如表1所示。

圖2：通用前端網(wǎng)絡(luò)。

性能規(guī)格案例1 - R1 =25Ω，R2 =33Ω，R3 =33Ω情況2 - R1 =25Ω，R2 =33Ω，R3 =10Ω情況3 - R1 =10Ω，R2 =68Ω，R3 =33Ω帶寬（-3 dB）3169 MHz 3169 MHz 1996 MHz通帶平坦度（2 GHz紋波）2.34 dB 2.01 dB 3.07 dB SNRFS在1000 MHz時(shí)58.3 dBFS 58.0 dBFS 58.2 dBFS SFDR在1000 MHz時(shí)74.5 dBc 74.0 dBc 77.5 dBc H2/H3在1000 MHz -74.5 dBc/-83.1 dBc -77.0 dBc/-74.0 dBc -77.5 dBc/-85.6 dBc輸入阻抗在500 MHz 46歐姆45.5歐姆44.4歐姆輸入驅(qū)動在500 MHz +15.0 dBm +12.6 dBm + 10.7 dBm

表1：測量的性能匹配與三個(gè)前端外殼設(shè)計(jì)的比較?；旧?，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)大致相同，但這三個(gè)示例之間的產(chǎn)生結(jié)果在設(shè)計(jì)所需的測量參數(shù)之間是不同的。前端網(wǎng)絡(luò)。這里的匹配是所有參數(shù)的最佳結(jié)果，在這種情況下需要超過2.5 GHz的BW。這將選擇范圍縮小到案例1和案例2（參見圖3）。

圖3：帶寬匹配。

在案例1和案例2之間進(jìn)一步展望，可以很容易地看到案例由于兩個(gè)原因，2更為理想。一，通帶平坦度僅在2 GHz區(qū)域內(nèi)具有2 dB的紋波;兩個(gè)，輸入驅(qū)動比情況1小3 dBm。這對信號鏈上的RF增益的約束較小，以便在平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器的初級上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的滿量程。案例2似乎是此示例中最佳的“匹配”。

總結(jié)

GSPS轉(zhuǎn)換器在提供更寬的帶寬以覆蓋多個(gè)感興趣的頻段或減輕前端RF條帶上的混音階段時(shí)，理論上提供了“易用性”。但是，實(shí)現(xiàn)+1 GHz范圍內(nèi)的帶寬可能會給設(shè)計(jì)高性能轉(zhuǎn)換器前端網(wǎng)絡(luò)帶來挑戰(zhàn)。請記住指定平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器的重要性，其中相位不平衡將在轉(zhuǎn)換器理解為最佳時(shí)變得重要，例如順序線性。即使選擇了平衡 - 不平衡轉(zhuǎn)換器，也不要使用不良的布局技術(shù)來丟棄其性能，并對正確匹配網(wǎng)絡(luò)保持警惕。請記住，為滿足特定應(yīng)用的“匹配”，需要滿足許多參數(shù)。