為高速模數(shù)轉(zhuǎn)換選擇優(yōu)秀的緩沖放大器

現(xiàn)代通信系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)在直接變頻和高中頻架構(gòu)，全數(shù)字接收機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以更高的采樣率提供更高的分辨率(擴(kuò)大系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍)。在新興的3G和4G數(shù)字無線通信系統(tǒng)中，無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)和線性度都需要高性能的ADC來保證。幸運(yùn)的是，在接收信號(hào)鏈路中，ADC的前級(jí)增益電路—緩沖放大器的性能在最近幾年得到了極大提高，有助于ADC確保滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的帶寬和失真要求。但是，緩沖放大器和ADC之間的匹配要求非常嚴(yán)格，深刻理解緩沖放大器對(duì)ADC性能指標(biāo)的影響非常重要。

長(zhǎng)期以來，得到無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師認(rèn)可的理想數(shù)字接收機(jī)的信號(hào)鏈路是：天線、濾波器、低噪聲放大器(LNA)、ADC、數(shù)字解調(diào)和信號(hào)處理電路。雖然實(shí)現(xiàn)這個(gè)理想的數(shù)字接收機(jī)架構(gòu)還要若干年的時(shí)間，但用于射頻前端的ADC的性能越來越高，通信接收機(jī)正逐漸消除頻率變換電路。從發(fā)展趨勢(shì)看，接收機(jī)的一些中間處理級(jí)會(huì)被逐步消除掉，但ADC前端的緩沖放大級(jí)卻是接收機(jī)中相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)，它是保證ADC達(dá)到預(yù)期指標(biāo)的關(guān)鍵。信號(hào)鏈路的緩沖放大器是包括混頻器、濾波器及其它放大器的功能模塊的一部分，它必須作為一個(gè)獨(dú)立器件考察其噪聲系數(shù)、增益和截點(diǎn)指標(biāo)。給一個(gè)既定的ADC選擇合適的緩沖放大器，可以在不犧牲總的無雜散動(dòng)態(tài)范圍的前提下改善接收機(jī)的靈敏度。

定義動(dòng)態(tài)范圍

接收靈敏度是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的一部分，它定義為能夠使接收機(jī)成功恢復(fù)發(fā)射信息的最小接收信號(hào)電平，動(dòng)態(tài)范圍的上限是系統(tǒng)可以處理的最大信號(hào)，通常由三階截點(diǎn)(IP3)決定，對(duì)應(yīng)于接收機(jī)前端出現(xiàn)過載或飽和而進(jìn)入限幅狀態(tài)的工作點(diǎn)。當(dāng)然，動(dòng)態(tài)范圍也需要折衷考慮，較高的靈敏度要求低噪聲系數(shù)和高增益。然而，具有30dB或者更高增益、噪聲系數(shù)低于2dB的LNA其三階截點(diǎn)會(huì)受到限制，常常只有+10到+15dBm。由此可見，高靈敏度的放大器有可能在接收前端信號(hào)處理鏈路中成為阻塞強(qiáng)信號(hào)的瓶頸。在接收機(jī)的前端加入ADC后，對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的折衷處理變得更加復(fù)雜。引入具有數(shù)字控制的新型線性放大器作為緩沖器，能夠在擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)提高接收機(jī)的整體性能。

為了理解緩沖放大器在高速ADC中的作用，我們需要了解一下每個(gè)部件的基本參數(shù)及其對(duì)接收機(jī)性能的影響。傳統(tǒng)的接收機(jī)前端一般采用多級(jí)變頻，將來自天線的高頻信號(hào)解調(diào)到中頻，然后再作進(jìn)一步處理。通常，信號(hào)鏈路會(huì)將射頻輸入轉(zhuǎn)換到第一中頻的70MHz或140MHz，然后再轉(zhuǎn)換到第二中頻的10MHz，甚至進(jìn)一步轉(zhuǎn)換至第三中頻的455kHz。這種多級(jí)變頻的超外差接收機(jī)架構(gòu)的應(yīng)用仍然很廣泛，但考慮到現(xiàn)代通信系統(tǒng)所面臨的降低成本、縮小尺寸的壓力，設(shè)計(jì)工程師不得不盡一切可能去除中間變頻電路。長(zhǎng)期以來，軍品設(shè)計(jì)工程師也一直都在探索實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化接收機(jī)的解決方案，用ADC直接數(shù)字化來自天線和濾波器組的射頻信號(hào)。

近幾年，ADC的性能指標(biāo)得到了飛速提高，但還沒有達(dá)到可以支持全數(shù)字化軍用接收機(jī)的水平。盡管如此，商用接收機(jī)的設(shè)計(jì)已經(jīng)從三級(jí)或更多級(jí)的變頻架構(gòu)簡(jiǎn)化到一次變頻架構(gòu)。減少頻率變換級(jí)意味著ADC輸入將是較高中頻的信號(hào)，需要ADC和緩沖放大器具有更寬的頻帶。對(duì)ADC分辨率的要求取決于具體的接收機(jī)，對(duì)于一些軍用設(shè)備，例如有源接收機(jī)，10位分辨率即可滿足要求。對(duì)于當(dāng)前和正在興起的商用通信接收機(jī)，比如3G、4G蜂窩系統(tǒng)，為了降低經(jīng)過復(fù)雜的相位和幅度調(diào)制的波形的量化誤差，需要ADC具有更高的分辨率。對(duì)于多載波接收機(jī)，通常需要14位甚至更高的分辨率，同時(shí)也要足夠的帶寬來處理整個(gè)中頻頻帶的信號(hào)。

如果一個(gè)接收機(jī)架構(gòu)已具備高速、高分辨率ADC，那么關(guān)系到靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的其它關(guān)鍵參數(shù)是什么呢？ADC常用SFDR作為其關(guān)鍵指標(biāo)，SFDR定義為輸入信號(hào)的基波幅度與指定頻譜內(nèi)最大失真分量均方根的比。如輸入電壓幅度超出了所允許的最大值，采樣輸出波形將出現(xiàn)削波和失真。當(dāng)輸入信號(hào)低于推薦的最小輸入值時(shí)，則不能有效利用ADC的分辨率，一個(gè)14位的ADC可能僅僅表現(xiàn)出了10位或12位器件的性能。

對(duì)于一個(gè)既定ADC，正弦波的最大輸入電壓(Vmax)可以由下式計(jì)算：

2Vmax = 2bQ 或 Vmax= 2b-1 Q

其中，b是ADC的分辨率，Q是每位量化電平的電壓。

對(duì)應(yīng)于最大電壓的正弦波功率是：

Pmax = V2max/2 = [22(b-1)Q2]/2 = 22bQ2/8

最小電壓是對(duì)應(yīng)1 LSB的幅度，可以由下式計(jì)算：

2Vmin=Q

對(duì)應(yīng)功率為：

Pmin= V2min/2= Q2/8

動(dòng)態(tài)范圍(DR)可以簡(jiǎn)單地由下式計(jì)算：

DR = Pmax/Pmin= 22b

或采用對(duì)數(shù)形式表示：

DR = 20log(Pmax/Pmin) = 20blog(2) = 6b(dB)

或者每位6dB。

要得到一個(gè)ADC的SFDR，可以測(cè)量ADC的滿量程正弦信號(hào)，利用一個(gè)高精度DAC和頻譜分析儀測(cè)試ADC的輸出，并且比較輸出信號(hào)的最大基波成分與最大失真信號(hào)的電平。需要注意DAC的動(dòng)態(tài)范圍一定要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ADC的動(dòng)態(tài)范圍，否則DAC的動(dòng)態(tài)范圍會(huì)制約ADC SFDR指標(biāo)的測(cè)試。目前，高速ADC的SFDR指標(biāo)可以達(dá)到80到90dBc，通過給ADC輸入一個(gè)單音或雙音信號(hào)可以測(cè)得該項(xiàng)指標(biāo)。對(duì)于雙音信號(hào)的性能分析，雙音信號(hào)可以在共同中頻中心頻率兩側(cè)選擇，頻率間隔1MHz，比如對(duì)于140MHz的中頻，雙音頻點(diǎn)選擇為139.5MHz和140.5MHz。

包括ADC在內(nèi)的接收靈敏度是噪聲的函數(shù)，而噪聲電平本身又是帶寬的函數(shù)。降低噪聲可以提高接收機(jī)的靈敏度。而有些噪聲是不可避免的，如熱噪聲。ADC的背景噪聲由熱噪聲和量化噪聲決定，這些噪聲限制了ADC的靈敏度。量化噪聲本質(zhì)上講是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的LSB的不確定性。一般來說，ADC的背景噪聲就是所允許的最低輸入信號(hào)。作為接收機(jī)，不僅僅通過SFDR來表現(xiàn)ADC的特性，滿量程噪聲比和信噪比(SNR)也很重要，ADC的最大SNR是其分辨率的函數(shù):

SNR = (1.76 + 6.02b) dB

實(shí)際上，它是滿量程模擬輸入的均方根與量化噪聲均方值的比。將ADC的采樣速率增加一倍，噪聲將分布到兩倍于前期帶寬的頻段內(nèi)，有效噪聲系數(shù)會(huì)降低3dB。確定ADC的SNR的最好方法是用一個(gè)精確的接收機(jī)和經(jīng)過校準(zhǔn)的噪聲源進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量須考慮時(shí)鐘抖動(dòng)和其它噪聲源，從而獲得實(shí)際的SNR值。

總諧波失真(THD)是在信號(hào)傅立葉頻譜上的所有諧波的均方根之和，前三項(xiàng)諧波集中了絕大部分的信號(hào)能量，對(duì)于通信系統(tǒng)來說，THD通常比靜態(tài)下的直流線性度更重要。大多數(shù)廠商給出的器件參數(shù)中包含了前4次，甚至前9次諧波的數(shù)據(jù)。

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MAX12599是一款Maxim推出的新型ADC，它在單一芯片上集成了2路14位ADC，每路ADC的采樣速率可以達(dá)到96Msps，可以采集中頻和基帶信號(hào)。這款雙通道ADC具有內(nèi)部采樣/保持放大器和差分輸入，對(duì)于175MHz的輸入，它可以獲得79.8dBc的SFDR、71.9dB的典型信噪比和70.9dB的信噪失真比(SINAD)(圖1)，總諧波失真為-77.9dBc。這款A(yù)DC工作在3.3V，僅消耗980mW的模擬電源功耗。

圖1：MAX12559在96MHz時(shí)鐘頻率、-1dBFS輸入時(shí),SNR和SINAD與輸入頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。

靈活的基準(zhǔn)架構(gòu)允許器件采用內(nèi)置2.048V帶隙基準(zhǔn)或外部基準(zhǔn)，并且允許兩個(gè)ADC共用同一基準(zhǔn)?？衫没鶞?zhǔn)電路在±0.35V到±1.15V范圍內(nèi)調(diào)整滿量程輸入，MAX12599支持單端或差分時(shí)鐘輸入，用戶可選擇2分頻和4分頻模式，簡(jiǎn)化了時(shí)鐘源的選擇。

緩沖器的選擇

在為MAX12559或類似的在現(xiàn)代通信接收機(jī)中的高速ADC選擇緩沖放大器時(shí)，需要考慮一個(gè)因素。理想情況下，緩沖放大器需要具有與ADC相同的帶寬或更寬的帶寬，MAX12559的帶寬是750MHz，至少需要滿足被采樣信號(hào)的帶寬要求。ADC緩沖放大器一般按照頻域特性定義指標(biāo)，而普通的運(yùn)算放大器規(guī)定建立時(shí)間和擺率指標(biāo)。無論緩沖放大器如何定義指標(biāo)，它必須具備ADC輸入所需要的瞬態(tài)響應(yīng)能力，使輸入波形的削波或失真不會(huì)大于ADC的1LSB。

在接收機(jī)前端，緩沖放大器的噪聲系數(shù)也有影響，但不占主導(dǎo)地位。在信號(hào)鏈路中，第一級(jí)放大器對(duì)接收機(jī)噪聲系數(shù)影響最大，通常，具有最低噪聲系數(shù)的放大器放在信號(hào)鏈路的最前端。因此，低噪聲系數(shù)的緩沖放大器有助于改善整個(gè)接收機(jī)的噪聲系數(shù)指標(biāo)，但對(duì)緩沖器的噪聲系數(shù)要求不像第一級(jí)放大器那樣嚴(yán)格。如果接收機(jī)第一級(jí)低噪聲放大器具有2dB或更低的噪聲系數(shù)，對(duì)于緩沖放大器來說，6dB到7dB的噪聲系數(shù)將會(huì)對(duì)接收機(jī)鏈路產(chǎn)生最小的影響。

緩沖放大器應(yīng)該提供足夠的增益，以確保送到ADC的信號(hào)接近于滿量程輸入電壓，同時(shí)，還要很好地控制頻率響應(yīng)特性，增益平坦度應(yīng)該保持在ADC的一個(gè)LSB之內(nèi)。對(duì)于高分辨率(14位或更高)ADC，要求緩沖放大器在整個(gè)有效帶寬內(nèi)具有±0.5dB的增益平坦度。緩沖放大器應(yīng)該按照輸出電壓和截點(diǎn)指標(biāo)提供良好的線性度，例如緩沖放大器必須至少提供和ADC的輸入要求一致出輸出，線性度應(yīng)優(yōu)于ADC的線性度，以避免降低ADC的SFDR指標(biāo)。

考慮緩沖放大器和ADC相位誤差對(duì)雜散特性的影響時(shí)，可以由下式計(jì)算：

SFDR System = -20log{10exp[(-SFDR ADC)/20] + 10exp[(-SFDR Buffer)/20]} (dBc)

緩沖放大器的源阻抗要足夠低，以保證與ADC輸入阻抗的隔離，并為ADC輸入驅(qū)動(dòng)提供足夠的功率。為了避免額外的轉(zhuǎn)換誤差，還要求緩沖器的高頻輸出阻抗盡可能低，總之，緩沖放大器的輸出阻抗會(huì)對(duì)ADC的交流特性，特別是總的諧波失真(THD)產(chǎn)生直接影響。

對(duì)于開關(guān)電容ADC，轉(zhuǎn)換器可能會(huì)在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)吸收少量輸入電流。采用這類ADC時(shí)，緩沖放大器還要有足夠快的瞬態(tài)響應(yīng)能力，以避免轉(zhuǎn)換誤差。當(dāng)緩沖器的瞬態(tài)響應(yīng)不夠快時(shí)，可以根據(jù)接收機(jī)的要求在其輸出加一個(gè)RC濾波器來限制輸入帶寬，同時(shí)提供額外的電容以消除ADC的瞬態(tài)影響，濾波電容要大于ADC的輸入電容。

Maxim的MAX2055、MAX2027可用作MAX12559的緩沖放大器，MAX2055是一個(gè)帶寬在30300MHz的數(shù)控可變?cè)鲆娣糯笃?圖2)。

圖2：MAX2055典型應(yīng)用電路。

它具有單端輸入和差分輸出，便于配合差分輸入ADC使用，緩沖放大器內(nèi)部集成了數(shù)控衰減器和高線性度放大器以及單端至差分轉(zhuǎn)換器，不需要外部轉(zhuǎn)換或額外的放大電路。MAX2055的內(nèi)置衰減器提供23dB的衰減范圍，精度為±0.2dB，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)增益調(diào)節(jié)或通道增益設(shè)定。設(shè)置在最大增益時(shí)，具有6dB的噪聲系數(shù)，并且在所有增益設(shè)置下都具有+40dBm的輸出三階截點(diǎn)(OIP3)。1dB壓縮點(diǎn)的最大輸出功率是+24dBm，具有-76dBc的二次諧波(HD2)和-69dBc的三次諧波(HD3)。