模擬芯視界 | 高速 ADC 模擬輸入前端的無(wú)源匹配技巧

引言

理解 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 前端設(shè)計(jì)的原理，有時(shí)就像學(xué)習(xí)一項(xiàng)技能。對(duì)于任何高速模擬接收器的前端設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單地放置一個(gè) 平衡-非平衡變壓器 ，然后將兩條走線從變壓器的次級(jí)輸出連接到 ADC 的輸入，這種做法并不可取。眾所周知， 平衡-非平衡變壓器對(duì)帶寬的寄生具有敏感性而且還有其他小問(wèn)題 。本文將向您展示 如何利用平衡-非平衡變壓器實(shí)現(xiàn)無(wú)源模擬輸入設(shè)計(jì)的最佳性能 。更重要的是，您不需要昂貴的平衡-非平衡變壓器或高成本的衰減器就能實(shí)現(xiàn)所需的帶寬。

選擇合適的平衡-非平衡變壓器或變壓器的技巧

假設(shè)您不需要直流耦合，也就是說(shuō)，對(duì)直流頻率頻段進(jìn)行采樣。由于平衡-非平衡變壓器不需要額外的電源，因此可 降低總體功耗和減小布板空間 。此外，由于沒(méi)有額外的電源干擾，平衡-非平衡變壓器不會(huì)對(duì)連接到 ADC 的整體射頻 (RF) 信號(hào)鏈增加額外噪聲，這意味著 信噪比 (SNR) 或 噪聲譜密度 不會(huì)受到影響。

圖 1 展示了兩種用于同一應(yīng)用場(chǎng)景的平衡-非平衡變壓器，搭配 TI 的 16 位雙通道 ADC3669 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。盡管這兩種變壓器具有相同的帶寬，但 由于 ADC 內(nèi)部采樣網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗變化以及印刷電路板 (PCB) 布線的寄生效應(yīng)，它們的響應(yīng)最終會(huì)有所不同 。請(qǐng)注意，當(dāng)沒(méi)有為這兩種平衡-非平衡變壓器進(jìn)行匹配時(shí)，它們的帶寬都會(huì)迅速下降。

圖 1：ADC3669 和平衡-非平衡變壓器帶寬比較：

匹配（實(shí)線）與未匹配（虛線）

請(qǐng)仔細(xì)查看數(shù)據(jù)表中關(guān)于平衡-非平衡變壓器的 PCB 尺寸和布局建議。我們建議嚴(yán)格遵循這些建議，否則平衡-非平衡變壓器的響應(yīng)可能會(huì)有所不同。 此封裝用于數(shù)據(jù)表參數(shù)采集和 S 參數(shù)測(cè)量，只有在這些條件下才能達(dá)到規(guī)格要求 。

要了解平衡-非平衡變壓器在特定帶寬范圍內(nèi)的 相位不平衡情況 ，請(qǐng)注意，平衡-非平衡變壓器固有的相位不平衡越差，ADC 表現(xiàn)出的 偶次諧波失真 （如二次諧波失真 [HD2]）就會(huì)越嚴(yán)重。 如果 HD2 在您的頻率規(guī)劃應(yīng)用中很重要，我們建議選擇相位不平衡性能良好的平衡-非平衡變壓器 。在這方面并沒(méi)有明確的指導(dǎo)，因?yàn)槊糠N ADC 對(duì)相位差異的靈敏度在其可用頻率范圍內(nèi)也各不相同。一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)始可以選擇一個(gè)在應(yīng)用帶寬內(nèi)相位不平衡小于等于 5 度 的平衡-非平衡變壓器。這樣的相位不平衡對(duì)射頻信號(hào)鏈中已有的偶次諧波失真的總量影響甚微。

圖 2 展示了上述兩種匹配的平衡-非平衡變壓器方案之間的區(qū)別，及其對(duì)使用 ADC3669 時(shí)的偶次諧波失真的影響?？梢钥吹?， 三次諧波失真 (HD3) 在各頻率范圍內(nèi)基本一致，沒(méi)有顯著差異 。

圖 2：ADC3669 HD2 和 HD3 的比較：高成本平衡-非平衡變壓器 VS 低成本平衡-非平衡變壓器

如何選擇合適的平衡-非平衡變壓器

匹配網(wǎng)絡(luò)

多年來(lái)，人們多次嘗試仿真和完善平衡-非平衡變壓器 匹配網(wǎng)絡(luò) 的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)數(shù)周甚至數(shù)月的仿真，并嘗試?yán)斫?PCB 寄生效應(yīng)后，在實(shí)際制作 PCB 時(shí)，仍可能出現(xiàn)匹配問(wèn)題。因此，我們建議采用不同的設(shè)計(jì)流程，從圖 3 所示的 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 開(kāi)始。

圖 3：通用無(wú)源網(wǎng)絡(luò)元件預(yù)留位置

如果您在考慮這些操作和權(quán)衡是否值得，我們建議您參考圖 1。

接下來(lái)，我們逐一介紹每個(gè)元件，以便了解其在 ADC 輸入匹配網(wǎng)絡(luò) 中的作用或功能：

• C1、C2： 通常為 0.1μF ，這些元件用于 阻斷直流電流進(jìn)入平衡-非平衡變壓器或變壓器 。有些平衡-非平衡變壓器設(shè)計(jì)可能連接地和/或直流電源，可能會(huì)影響變壓器的功能，導(dǎo)致性能下降。

• R1： 此元件用于在直流阻斷電容器后、平衡-非平衡變壓器輸出附近，實(shí)現(xiàn) 反向端接 。當(dāng)布線長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)時(shí)，可能需要使用此元件。假設(shè)無(wú)法在目標(biāo)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)完美匹配，為了應(yīng)對(duì)因匹配不完美而在頻率范圍內(nèi)來(lái)回反射的駐波，可能需要進(jìn)行反向端接。

• R2、R3、R4： 這些元件可用于多種匹配技術(shù)，并可采用多種組合形式來(lái)解決 平衡-非平衡變壓器與 ADC 之間的匹配難題 。對(duì)于最寬的頻帶匹配，R2、R3 和 R4 通常配置為阻抗匹配器，以幫助消除平衡-非平衡變壓器與 ADC 之間的駐波，并提供平衡-非平衡變壓器和 ADC 所需的穩(wěn)定 50Ω 阻抗。 雖然這些元件被表示為電阻，但它們也可以采用電容或電感的形式 。

• C3： 此電容器（通常為 0.1μF），用于連接 R3 中心點(diǎn)， 為交流電流提供通路 。添加 C3 也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)楫?dāng) ADC 輸入達(dá)到滿量程時(shí)，C3 允許這些交流電流在某個(gè)地方流動(dòng)。C3 也可以放置在 R5 的位置。

• R5： 此元件用于在 ADC 輸入端的另一側(cè)進(jìn)行 反向端接 ，但并非總是必需的。R5 的作用與 R1 相同，但從相反的方向幫助解決可能累積的駐波問(wèn)題。 通常，當(dāng)布線長(zhǎng)度 ≥300mil 時(shí)，R1 或 R5 是必需的 。

• R6： 這是一個(gè)反沖元件，通常以電阻的形式存在，但在某些情況下也可作為 電感 或 低 Q 值鐵氧體磁珠 ，用于 抑制從 ADC 內(nèi)部采樣電路回流到模擬輸入網(wǎng)絡(luò)的殘余電荷 。此元件在使用無(wú)緩沖 ADC 時(shí)尤其重要。

在設(shè)計(jì)時(shí)，如果僅僅打算將兩條走線從平衡-非平衡變壓器輸出連接到 ADC 輸入，要格外小心。 即使您收集了 S 參數(shù)、進(jìn)行了仿真并向同事展示了設(shè)計(jì)，這種方法可能仍然代價(jià)高昂 ，除非您對(duì)該平衡-非平衡變壓器與 ADC 組合有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)。

如何使用 ADC3669

在我們的示例中，我們使用 16 位雙通道 ADC3669 來(lái)進(jìn)行 1.5Ghz 模擬采樣帶寬的寬帶前端匹配設(shè)計(jì)。該示例還使用了 Mini-Circuits 的 TCM2-33WX + 平衡-非平衡變壓器 ，該變壓器具有 3GHz 的帶寬和較低的插入損耗，相比于其他更容易匹配的高成本平衡-非平衡變壓器來(lái)說(shuō)，這款變壓器的性價(jià)比更高。此外， 相比其他同頻率范圍的低成本變壓器，該變壓器具有非常好的相位不平衡性能，小于 5 度 。

使用圖 3 中的通用電路，定義匹配時(shí)所需的元件不是純阻性元件 。在這種情況下，我們將使用電阻器 (R)、內(nèi)部寄生電容 (C) 和電感器 (L)（R2、R3 和 R6）的組合方案；請(qǐng)參閱圖 4。

圖 4：最終確定的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)匹配

PCB 寄生效應(yīng) 仍然是一個(gè)問(wèn)題，因此需要在您的電路板上測(cè)試幾個(gè)不同的迭代版本。

獲取平衡-非平衡變壓器和 ADC 的兩組 S 參數(shù) （如果有），并使用您喜歡的仿真軟件。使用圖 3 中給定的 匹配網(wǎng)絡(luò)格式 ，并對(duì) R2、R3 和 R4 采用以下兩種方法之一：

• 衰減器方法 （R2、R3 和 R4 分別約為 8.6Ω、140Ω 和 8.6Ω），將提供 3dB 的衰減。要了解有關(guān)此方法的更多信息，請(qǐng)參閱 Electronic Products 雜志上的文章 “揭示射頻轉(zhuǎn)換器模擬輸入的滿量程奧秘” 。

• 分別針對(duì) R2、R3 和 R4 的 R、C 和 L 方法 ，有助于使用 L 作為最后一個(gè)元件來(lái)抵消 ADC 的 C。 這種方法可以使帶寬趨于平坦，從而使平衡-非平衡變壓器在其額定帶寬內(nèi)發(fā)揮性能 。不過(guò)，這種方法需要一定的迭代。

此方法的目標(biāo)是不使用有損耗的衰減器。 因此，要獲得 R、C 和 L 方法的更多背景信息，請(qǐng)參見(jiàn) 圖 5、圖 6 和 圖 7，了解在網(wǎng)絡(luò)中改變 L、C 和 R 的作用（參見(jiàn)圖 4），以及它們?cè)诙x最終帶寬和網(wǎng)絡(luò)匹配方面的作用。

圖 5 展示了在保持其他元件值不變的情況下，改變 L 值對(duì)帶寬的影響?？梢钥吹剑?nbsp;隨著 L 值的增加，帶寬會(huì)逐漸減小 。這意味著 L 值對(duì) ADC 的 C 產(chǎn)生了不利的反應(yīng)性效應(yīng)。

圖 5：通帶平坦度響應(yīng)與不同 R4 位置的 L 值

圖 6 展示了在保持其他元件值不變的情況下，改變 C 值對(duì)帶寬的影響?？梢钥吹?， 隨著 C 值的減小，帶寬緩慢提高，但帶寬平坦度有所下降 。這意味著 C 值對(duì)平衡-非平衡變壓器在頻率范圍內(nèi)的回波損耗產(chǎn)生了反應(yīng)性效應(yīng)。 這些電容器有助于保持平衡-非平衡變壓器的帶寬與頻率 。

圖 6：通帶平坦度響應(yīng)與不同 R3 位置的 C 值

圖 7 展示了在保持其他元件值不變的情況下，改變 R 值對(duì)帶寬的影響?？梢钥吹剑?nbsp;隨著 R 值的增加，帶寬緩慢提高，但平坦度有所下降，或者在帶寬響應(yīng)中出現(xiàn)峰值 。R 值的影響幾乎與 L 值相同，因此保持了平衡-非平衡變壓器和 ADC 所需的阻抗匹配。

圖 7：通帶平坦度響應(yīng)與不同 R2 位置的 R 值

仿真 R、C 和 L 方法 將為您提供一個(gè)良好的起點(diǎn)，使用仿真軟件中的 “調(diào)整”功能 ，可以看到每個(gè)元件在網(wǎng)絡(luò)匹配中的作用。確定一些合適的初始值，有助于在需要的情況下迭代和完善匹配時(shí)，明確應(yīng)采用的方向。

在匹配設(shè)計(jì)過(guò)程中， 對(duì)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用帶寬進(jìn)行交流性能掃描，可以洞察性能的動(dòng)態(tài)變化，確保 ADC 沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題 。

圖 8 展示了使用我們描述的方法，將輸入網(wǎng)絡(luò)匹配到 1.5Ghz 時(shí)，測(cè)得的 ADC3669 帶寬內(nèi)的交流性能（SNR 和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 [SFDR]）。

圖 8：最終匹配網(wǎng)絡(luò)的交流性能 (SNR/SFDR) 與頻率間的關(guān)系

結(jié)語(yǔ)

這里提供了 設(shè)計(jì)千兆赫茲范圍內(nèi)的平衡-非平衡變壓器與 ADC 匹配網(wǎng)絡(luò)的基本步驟 ，旨在避免您的下一次匹配工作受限于帶寬：

• 選擇具有一定帶寬余量的平衡-非平衡變壓器或變壓器 ，從而滿足您的特定應(yīng)用需求。

• 如果 HD2 對(duì)您的頻率應(yīng)用非常重要，請(qǐng) 選擇相位不平衡小于等于 5 度的平衡-非平衡變壓器 。

• 一個(gè)簡(jiǎn)化的輸入網(wǎng)絡(luò) 就可以為大多數(shù)使用平衡-非平衡變壓器或放大器與 ADC 匹配的設(shè)計(jì)提供初始占位符。

• 雖然可能不需要每個(gè)列出的元件，但在初期階段它們可能是有益的，因?yàn)?nbsp;仿真中無(wú)法捕捉所有的電路板布局布線和 PCB 寄生效應(yīng) 。

• 了解可能影響帶寬性能的權(quán)衡因素 ，其中一些權(quán)衡可能會(huì)影響 ADC 的線性性能。