五種有源接收器前端設(shè)計(jì)方法比較

本文還將比較各種有源接收器前端設(shè)計(jì)方法，包括低噪聲放大器 （LNA）、全差分放大器 （FDA） 和經(jīng)典的無源寬帶巴倫。

比較 AC 性能權(quán)衡

在將巴倫、LNA 和 FDA 與TRF1208等單端轉(zhuǎn)差分 （S2D） 放大器進(jìn)行比較時(shí)，重要的是要回顧設(shè)計(jì)寬帶、高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 接口時(shí)所涉及的指標(biāo)。如果提前考慮，以下五個(gè)指標(biāo)可以幫助保持設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和正軌：

輸入阻抗或電壓駐波比 （VSWR） 是一個(gè)無單位參數(shù)，它顯示在感興趣的帶寬內(nèi)有多少功率反射到負(fù)載中。網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗是負(fù)載的規(guī)定值，通常為 50 Ω。

帶寬只是系統(tǒng)中使用的開始和結(jié)束頻率，通常距某個(gè)參考點(diǎn) –3 dB。

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

在 AC 性能中，對于單音，信噪比 （SNR） 和無雜散動態(tài)范圍 （SFDR） 很重要，而三階互調(diào)失真 （IMD3） 在雙音設(shè)置中很重要。

輸入驅(qū)動電平是帶寬、輸入阻抗和 VSWR 規(guī)格的函數(shù)。該電平設(shè)置轉(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(shí)現(xiàn)的參數(shù)之一。

需要明確的是，這些指標(biāo)封裝了整個(gè)前端接口設(shè)計(jì)，而不僅僅是 ADC。首先考慮這些指標(biāo)可能會幫助您在主動或被動前端之間做出決定。

本質(zhì)上，您只需執(zhí)行由前端帶寬、輸入驅(qū)動和交流性能（SNR 和 SFDR）組成的頻率掃描，即可快速評估整體前端設(shè)計(jì)的差異。

讓我們看一下五種不同的前端設(shè)計(jì)，以比較這些指標(biāo)的權(quán)衡，如圖 1 所示。

圖 1五個(gè)前端包括僅基于巴倫、一個(gè) LNA、一個(gè)巴倫加 FDA、一個(gè)單端 FDA 和 TRF1208 的設(shè)計(jì)。資料來源：德州儀器

接下來，圖 2顯示了在高達(dá) 10 GHz 的頻率上的輸入帶寬和輸入驅(qū)動電平的權(quán)衡。每個(gè)設(shè)計(jì)的前端帶寬指示在 1.4 GHz 時(shí)達(dá)到 –6 dBFS 所需的 –3-dB 帶寬和輸入驅(qū)動電平。例如，查看 TRF1208，只需 –16-dBm 輸入信號即可達(dá)到 ADC 滿量程值的 –6 dBFS。相反，使用寬帶巴倫大約需要 +1 dBm 才能達(dá)到相同的水平。兩者之間，信號強(qiáng)度相差 17 dBm。巴倫和寬帶接口網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生損耗，因此會提高整個(gè)信號鏈的噪聲系數(shù)。底線是巴倫會產(chǎn)生損耗，LNA 和 FDA 前端設(shè)計(jì)也是如此，其中包括用于 S2D 信號轉(zhuǎn)換的巴倫。

圖 2以下是五種前端設(shè)計(jì)中的頻率響應(yīng)。資料來源：德州儀器

圖 2 說明了從大約 DC 到 8 GHz 的通帶平坦度。盡管所有前端設(shè)計(jì)都可以達(dá)到 8 GHz，但每個(gè)設(shè)計(jì)都有不同的峰值和谷值需要應(yīng)對。平心而論，可以根據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)值的變化以及設(shè)計(jì)的最終要求來微調(diào)這些峰值和谷值。

巴倫有損耗，因此寬帶巴倫接口需要更高的信號驅(qū)動強(qiáng)度，巴倫初級端的信號電平為 +1-dBm，以在 ADC 輸出上實(shí)現(xiàn) –6 dBFS。由于所有其他比較都使用有源放大器設(shè)備（所有這些設(shè)備都具有固有的各種增益），因此所需的輸入驅(qū)動電平將大大降低：從 –5 dBm 到 –16 dBm。您可以進(jìn)行進(jìn)一步的分析和前端工作，以“平衡”收益和輸入網(wǎng)絡(luò)損失。與此同時(shí)，這些信息確實(shí)讓您對深入了解交流性能之前的預(yù)期有所了解。

SNR 和 SFDR 排名

在相同帶寬上進(jìn)行頻率掃描可捕獲 SNR、SFDR 和 IMD3 性能。這些是典型的標(biāo)準(zhǔn)測試，用于在設(shè)計(jì)高速轉(zhuǎn)換器時(shí)進(jìn)行比較權(quán)衡。

圖 3顯示了各種配置之間的 SNR 權(quán)衡。

圖 3顯示了五種前端設(shè)計(jì)的 SNR 值。資料來源：德州儀器

將紫色曲線視為基線性能，您可以看到寬帶巴倫接口在轉(zhuǎn)換器的整個(gè)帶寬內(nèi)提供了最佳的 SNR 性能。代表 LNA 方法的綠色曲線排在第二位，因?yàn)檫@些類型的有源器件通常具有非常低的噪聲系數(shù)，增加了大約 1 dB 到 2 dB 的噪聲。FDA 排在第三位，因?yàn)樗膶拵г肼暠?LNA 高，但比 TRF1208 低。在單端輸入配置中使用 FDA 時(shí)，共模噪聲消除存在一個(gè)小問題，因?yàn)槠湓谳斎肷系墓逃性O(shè)計(jì)預(yù)期全差分信號。使用這種類型的配置會稍微影響 SNR。

TRF1208 排在最后。但是，它具有更多的輸出噪聲，因?yàn)樗哂斜?FDA 更高的增益。請記住，較高的有源增益將傾向于獲得設(shè)備自身產(chǎn)生的噪聲。例如，對于 2 GHz 模擬輸入信號，TRF1208 在 –166.7 dBm/Hz 時(shí)具有等于 16 dB 的增益和等于 8 dB 的噪聲系數(shù)，產(chǎn)生 150.7 dBm/Hz 的輸出噪聲。FDA 在 –163.3 dBm/Hz 時(shí)具有等于 10 dB （S2D） 的增益和等于 11 dB 的噪聲系數(shù)，產(chǎn)生 –153.3 dBm/Hz 的輸出噪聲。

所有設(shè)計(jì)都配置為盡可能寬的帶寬，如圖 2 所示。在任何有源設(shè)計(jì)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感興趣頻帶之外的寬帶噪聲。它還有助于降低轉(zhuǎn)換器“看到”的噪聲，從而將 SNR 推回到基線性能，如圖 1 所示（WB Balun + 5200RF ADC）。

圖 4從線性角度顯示了各種前端配置之間 10 GHz 頻率掃描的 SFDR 動態(tài)范圍。SFDR 是一種單音測量，可以很好地觀察目標(biāo)頻率內(nèi)的任何限制諧波（二次諧波、三次諧波、四次諧波）。

圖 4顯示了五種前端設(shè)計(jì)的 SFDR 值。資料來源：德州儀器

再次查看作為基線性能的紫色曲線，您可以看到寬帶巴倫接口將在轉(zhuǎn)換器的整個(gè)帶寬內(nèi)產(chǎn)生可能的最佳 SFDR。代表 LNA 的綠色曲線顯示性能非常下降，尤其是在高達(dá) 5 GHz 的較低頻段，因?yàn)殍b于 LNA 的單端特性，偶次失真 （HD2） 將始終占主導(dǎo)地位。HD2 最終會超出 ADC 的帶寬。

當(dāng)使用差分前端方法時(shí)，F(xiàn)DA 似乎在 0.5 至 3.5 GHz 領(lǐng)域擁有一定的三階優(yōu)勢。使用單端方法時(shí)，在 0.5 至 5 GHz 范圍內(nèi)，更偶數(shù)階的劣化優(yōu)勢明顯。

TRF1208 一直與無源基線前端保持一致，這說明了為什么該放大器是需要有源器件的寬帶前端的首選。

雙音測量

另一種常見的轉(zhuǎn)換器測試指標(biāo)，雙音測量會產(chǎn)生 IMD3 結(jié)果或三階互調(diào)失真，并快速模擬現(xiàn)實(shí)世界的系統(tǒng)應(yīng)用信號。簡而言之，雙音測量主動評估同時(shí)注入前端接口的兩個(gè)信號。這兩個(gè)信號通常相互偏移 10 MHz，并被驅(qū)動到相同的電平，或分別為 –7 dBFS。圖 5顯示了 IMD3+（2 × F1 + F2 或 2 × F2 + F1）結(jié)果。捕獲時(shí)，該圖不包括 IMD3–（2 × F1 – F2 或 2 × F2 – F1），以便于說明性能差異。

圖 5這是 IMD3+ 在五種前端設(shè)計(jì)中的樣子。資料來源：德州儀器

紫色曲線再次說明了基線性能，您可以看到寬帶巴倫接口將在轉(zhuǎn)換器的整個(gè)帶寬內(nèi)產(chǎn)生可能的最佳 IMD3 性能。代表 LNA 的綠色曲線顯示了相對于寬帶巴倫接口的性能下降。代表 FDA 接口的藍(lán)色和黑色曲線的性能也相對于基線有所下降，最高可達(dá) 5 GHz。對于整個(gè)頻率掃描，TRF1208 與無源基線前端保持一致。同樣，它說明了為什么該放大器在寬帶前端需求方面是首選。

此外，經(jīng)過評估的 FDA 有兩個(gè)電源，一個(gè)負(fù)電源，并消耗高達(dá) 1.8 W 的功率以保持低噪聲。這是降低噪聲并增加放大器的動態(tài)余量并在設(shè)計(jì)中投入更多功率的經(jīng)典方法。LNA 耗散的功率最少；僅 0.275 W，采用單 5 V 電源。TRF1208 采用 5V 單電源供電，功耗僅為 0.675 W。

本文的目的是為 ADC 模擬前端接口設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)，建議評估指標(biāo)權(quán)衡并提前仔細(xì)計(jì)劃。注意相位不平衡，因?yàn)槿绻麘?yīng)用程序的頻率計(jì)劃中有偶數(shù)階失真，它可能會造成嚴(yán)重破壞。鑒于巴倫和放大器的特性及其優(yōu)缺點(diǎn)，重要的是要權(quán)衡取舍并做出明智的選擇。

德州儀器 （TI） 高速轉(zhuǎn)換器應(yīng)用經(jīng)理 Rob Reeder 是 Planet Analog 的 Signal Chain Basics 博客 #174 的作者。

　　審核編輯：湯梓紅