藉雷達圖權衡基本參數　高速ADC前端設計事半功倍

轉換器及其拓撲結構有許多類型，本文針對的是取樣率為10MSPS或更高的緩衝型和無緩衝(開關電容)型高速管線架構。

了解前端實現目標

首先考慮轉換器前端設計須要實現哪些目標。這一點不可輕忽，大多數轉換器的選擇依據是取樣率、全功率頻寬、功耗、數位輸出拓撲結構、通道數和其他相關特性是否適合特定應用。其中大部分特性被認為是轉換器的額定限制。例如，如果取樣率超過轉換器的最大取樣率，則會對性能產生不利影響。因此，假設在所有情況下，轉換器均在時鐘規格和其他任何額定規格的範圍內工作，轉換器不是前端設計過程的限制因素。

選定ADC後，就必須了解在系統設計規定的條件下，設計高性能前端時須要注意的基本要素。對於所有轉換器前端設計，有七個參數至關重要，包括輸入阻抗、VSWR(電壓駐波比)、通帶平坦度、頻寬、訊噪比(SNR)、無雜散動態範圍(SFDR)和輸入驅動電平。當設計人員權衡各種因素以優化設計時，這些參數可以當作重要參考。

輸入阻抗是設計或負載的額定特徵阻抗。大多數情況下，它為50歐姆(Ω)。但在某些情況下，可能會呈現不同的設計。使用變壓器時，輸入阻抗負載指原邊的整個變壓器耦合網路，包括轉換器。使用放大器時，阻抗負載僅指放大器的輸入端。放大器輸出與轉換器輸入間的匹配以其他方式完成，通常包括抗混疊濾波器(AAF)。無論何種情況，都可以使用不同的特徵阻抗負載，並且應當匹配。設計的頻寬越高，則此一特性越重要。

VSWR是一個無量綱參數，反映的是在目標頻寬內，有多少功率被反射到負載中。此參數還與輸入驅動電平有關。如果網路的VSWR較高(＞1.5)，則實現轉換器全刻度所需的增益或驅動能力越高。同樣，設計的頻寬越高(損耗越多)，則這一特性越重要。

通帶平坦度通常指額定頻寬內容許的波動/紋波量。它可以是紋波效應或AAF濾波器的滾降特性。無論何種情況，此一參數通常均用dB(1dB的十分比)表示，它對於在目標頻率範圍內設置整體系統增益十分重要(圖1)。

圖1　輸入驅動電平、通帶平坦度及頻寬的定義

頻寬係指系統所用的頻率起點與終點之差，可窄可寬。頻寬可以位於基頻(fsample/2)或者覆蓋轉換器的多個奈奎斯特區。

SNR要求由整體系統的雜訊電平設計決定。一般而言，前端設計的頻寬越高，則SNR性能越低，因為設計會連續取樣無用的寬頻雜訊。變壓器或放大器與轉換器間通常採用AAF來實現最高的SNR性能。

SFDR要求由整體系統的動態範圍決定。二次和三次諧波失真通常是系統的最大限制因素。務必認真了解其中之一或兩者是如何引入的，如果超出轉換器本身的線性度，則動態範圍會嚴重受限。

輸入驅動電平與頻寬、輸入阻抗和VSWR特性有關。它設置特定應用所需的系統增益，並高度依賴於所選的前端元件，即變壓器、放大器和AAF，這使得驅動電平要求可能是最難滿足的要求之一。

由於需要滿足的參數如此之多，因此在開始新設計時，所有參數都會從不同方面影響設計。權衡各種因素有時會非常困難，令人不知所措。一種方法是使用試算表或圖表，RADAR圖是一種很好的視覺化工具(圖2)。在這類圖中，各參數都有其自己的軸。設計人員可以靈活地確定各參數的比例，並在各軸上建立一個視窗。當所有設計參數均得到滿足時，最靠近中心的設計將是最佳選擇。

圖2　RADAR圖示例

頻寬優先決定

圖3　基頻、帶通與寬帶

基頻設計要求的頻寬是從直流電(DC)(或低MHz區)到轉換器的奈奎斯特頻率。用相對頻寬表示的話，這意味著大約100MHz或以下。這類設計可以採用放大器或變壓器(巴倫)。

帶通設計意味著只使用轉換器頻寬的一小部分，在高中頻時，只需要20～60MHz頻寬。例如，中心頻率可以低至100MHz。如今，大多數情況下的中心頻率位於140MHz、170MHz或190MHz。不過，市場顯示出向更高中頻發展的趨勢。基本上，設計人員只須利用轉換器頻寬的一小部分就能完成工作。這種設計通常使用變壓器或巴倫(Balun)。不過，如果較高頻率下的SFDR性能足夠，也可以使用放大器。

寬頻設計通常指需要全部頻寬的設計。轉換器能夠提供多少頻寬，用戶就會使用多少頻寬。在三種設計中，這種設計的頻寬最寬，因而是最具挑戰性的前端設計。這類應用的頻寬範圍為DC(或低MHz區)至+GHz區。此類設計常常採用寬頻巴倫。

請注意，轉換器全功率頻寬與轉換器可用頻寬是兩個概念。全功率頻寬是指基於資料手冊所述的額定解析度和性能，轉換器精確採集訊號所需的頻寬。它通常遠遠大於轉換器的可用頻寬(可能是後者的兩倍)，設計應圍繞可用頻寬展開。所有設計都應當避免使用額定全功率頻寬的某一或全部最高頻率部分，否則動態性能(SNR/SFDR)會下降，並且變得高度不確定。要確定轉換器的可用頻寬，可參閱資料手冊或聯繫應用支援。

無緩衝型轉換器功耗較低

知道設計的頻寬之後，接下來就須要選擇轉換器。基本上有緩衝型和無緩衝型(即開關電容型)兩類高速轉換器可供選擇。雖然有許多不同的轉換器可供選擇，但本文的所有應用都是針對管線架構，因為這類轉換器採用高取樣率，具有足夠的解析度，並且功耗合理。

常用的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)開關電容型ADC無內置輸入緩衝器，因此它的功耗比緩衝型低得多。外部前端直接連接到ADC內部的開關電容取樣保持(SHA)電路。這會帶來兩個問題。第一，它會在取樣與保持兩種模式間切換，因此輸入阻抗隨著頻率和模式而變化。第二，來自內部取樣電容和網路的電荷注入會將少量訊號(與高頻成分混合，如圖4所示)反射回前端設計和輸入訊號，這可能導致與轉換器模擬輸入端相連的被動元件發生建立錯誤。

圖4　時域電荷注入(單端)與頻域電荷注入

一般而言，當頻率較低時(＜100MHz)，這類轉換器的輸入阻抗非常高(數千歐姆左右)；當差分頻率高於200MHz時，輸入阻抗滾降至大約200歐姆。輸入阻抗的虛部或容性部分也是如此，低頻時的電容相當高，高頻時逐漸變小到大約1～2pF。與這種輸入結構匹配是一個極具挑戰性的設計問題，特別是當頻率高於100MHz時越困難。

單靠選擇緩衝型轉換器，並不能解決所有問題。不過，這些輸入端務必採用差分結構，尤其是頻域設計。差分前端設計能夠更好地對電荷注入進行共模抑制，進而使設計不受影響。欲了解無緩衝轉換器的輸入阻抗，可參閱轉換器的資料手冊或網頁。

緩衝輸入轉換器更容易設計，不利的一面主要是轉換器的功耗更高，因為必須特別設計緩衝器以便具有高線性度和低雜訊特性。輸入阻抗通常規定為固定差分R||C阻抗。它由一個電晶體級進行緩衝，同時該電晶體級以低阻抗驅動轉換過程，因此電荷注入尖峰和開關瞬變顯著降低。與開關電容ADC不同，輸入端接電阻在整個類比輸入頻率範圍內幾乎無變化，因此驅動電路的設計容易得多。圖5為緩衝型和無緩衝型ADC的內部取樣保持電路的原理示意圖。

圖5　無緩衝型與緩衝型ADC

轉換器的選擇可能很難，如今的大部分設計都力求功耗更低，因此設計人員往往採用無緩衝型轉換器。當高線性性能至關重要而功耗相對不重要時，通常使用緩衝型轉換器。應當注意的是，無論選擇何種轉換器，設計頻率越高，則前端設計在某些情況下，它可能會降低設計複雜性。

放大器或變壓器兩者選其一

了解頻寬和轉換器後，下一步就應當選擇前端拓撲結構：放大器(主動)，還是變壓器(被動)。兩者各有利弊，同時也取決於具體應用，不過以下幾點說明有助釐清問題的所在。

放大器會增加前端設計的雜訊，並需要電源(消耗功率)。其好處是放大器不像變壓器一樣與增益頻寬相關，而且一般具有固定的輸入和輸出阻抗。通常，電壓增益型變壓器的可用頻寬比1:1型低得多。而對於放大器，當採用或需要更大增益時，頻寬只有略微降低。在通帶區域內，放大器一般具有更好的增益平坦度。變壓器則不然。變壓器屬被動元件，不增加雜訊，也不消耗功率。然而，變壓器可能存在對稱性挑戰，引起雜散問題。須注意的是，變壓器遠非理想元件。若使用不當，其寄生效應可能會降低任何設計的性能，特別是在較高頻率(+100MHz)時以及在電壓增益下使用時。

使用放大器而不是變壓器的主要理由是，前者能夠獲得更好的通帶平坦度。如果此一特性對設計至關重要，則放大器產生的變化更小，在整個頻率範圍內通常為±0.1dB。變壓器的回應起伏不定，如果必須使用並且平坦度很重要，則可能須要進行精密調整。

放大器的另一個優勢是具有良好的驅動能力。變壓器不適合驅動印刷電路板(PCB)上的長走線，它主要用於與轉換器直接相連。如果系統要求將驅動器/耦合器放在遠處，或者放在不同的板上，那麼強烈建議使用放大器。

直流耦合也可能是使用放大器的一個理由，因為變壓器本身是交流耦合的。雖然巴倫可以耦合直流，但不推薦使用巴倫，因為在鐵芯上提供偏置可能會改變其特性，導致前端性能下降。如果DC是應用所用頻譜的重要部分，那麼目前可以考慮的一些放大器包括AD8138和ADA4937等。

放大器還能提供動態隔離，大約3040dB的反向隔離，以便抑制無緩衝型轉換器輸入端中的電流瞬變所引起的反沖毛刺。如果設計需要寬頻增益，那麼放大器與ADC模擬輸入端的匹配優於變壓器。另一對須要權衡的特性是頻寬與雜訊。對於頻率高於150MHz的設計，變壓器能夠更好地保持SNR和SFDR性能。然而，在第一或第二奈奎斯特區，變壓器和放大器均可以使用。

選擇放大器的主要考慮因素總結如下。首先，如果頻寬對新設計很重要，則應確保放大器具有充足的頻寬，而且它應高於設計實際需要的頻寬。如此一來，放大器將能正確建立，從而解析轉換器要取樣的訊號資訊。如果前端設計的頻寬不足，放大器將無法正確建立，這將引起訊號誤差。訊號容許的放大器最小誤差量，應由所選轉換器的解析度決定。

輸出訊號擺幅也是前端設計的一個重要因素。它決定放大器是否能夠滿足轉換器的全刻度輸入範圍。高速轉換器的輸入範圍通常為2伏特(V)峰對峰(Peak to Peak)差分。大多數放大器能夠滿足此一範圍，但還有其他因素會限制放大器的選擇，如線性度和容許幅度(Margin)等。務必查看資料手冊中的典型工作特性圖。對於無緩衝型轉換器，共模範圍非常重要。轉換器所需的共模範圍電平由半電源電壓(AVDD/2)設置。這些年來，轉換器電源電壓範圍已經降低，現在已難以找到共模電壓規格小於1伏特的放大器。請注意，這是假設放大器與轉換器間為直流耦合。如果應用為交流耦合，則共模範圍不再那麼重要，但仍應予以考慮。還要注意的是，如果處理不當，共模範圍可能會限制放大器的輸出擺幅，導致轉換器削波或發生線性度問題(SFDR性能下降)。由於這類設計是在MHz區域，因此應選擇具有低雜訊和失真特性的放大器。務必查看典型工作特性圖，確定放大器是否能夠滿足整體系統性能要求。假設轉換器解析度足夠高，轉換器將拾取放大器的所有雜訊和失真。如果放大器配置使用增益，則來自放大器的雜訊和失真會更糟糕。放大器會放大其固有雜訊和失真，並將它反映在轉換器的性能上。

選擇放大器時，還應考慮輸入和輸出阻抗。放大器可能只針對一定範圍的輸入或輸出阻抗進行優化。如果設計超出此範圍，則可能會對轉換器的性能產生不利影響，例如雜訊層起伏不定等。這須要查看資料手冊，如果沒有直接給出該阻抗，請在資料手冊的特性測試結果中查找。這通常顯示在典型工作特性圖中。另外，還可以就特定放大器諮詢製造商的應用支持部門。

最後，應檢查放大器的電源電壓範圍。有些放大器沒有特別針對較低電源電壓來設計，在低電壓下不能保證線性。如果放大器的電源電壓範圍較寬，則容許幅度更充足，放大器的線性度更高。現今的新式放大器支援較低的單電源電壓。

相對於放大器，變壓器(巴倫)具有許多不同的特性。當設計選擇這種元件時，應考慮這些特性。電壓增益、阻抗比、頻寬和插入損耗、幅度和相位不平衡、回波損耗是其中的一些特性。其他要求可能包括電源額定值、配置類型(巴倫或變壓器等)和中心抽頭選項。變壓器設計並不總是簡單明瞭。例如，變壓器特性隨著頻率而改變，這會給預期蒙上陰影。有些變壓器對接地、布局布線和中心抽頭耦合敏感。不要完全以變壓器的資料手冊作為變壓器選擇的唯一基礎。經驗在這裡能夠發揮巨大作用。

考量變壓器選擇條件

選擇變壓器的重要考慮因素總結如下。理想狀態下，訊號增益等於變壓器的匝數比。雖然變壓器或巴倫中的電壓增益本身無雜訊，不過使用具有電壓增益的變壓器會放大訊號雜訊。同時還可能嚴重影響頻寬。變壓器可以簡單地看作是具有額定增益的寬頻帶通帶濾波器。因此，變壓器中的增益越大，則頻寬越低，增益平坦度特性的設計也越困難。變壓器的電壓增益可能變化很大，當不需要增益時，紋波和滾降會更顯著。如今，很難找到具有良好的GHz性能、阻抗比為1:4的變壓器。總之，用戶應保持警惕，如果打算使用1:4、1:8和1:16阻抗比的變壓器來改善或優化訊號鏈最後一級的雜訊係數，則應考慮周詳，並在實驗室中進行驗證。由於頻寬選擇和性能受到限制，因此其弊端很明顯，性能不會超過1:1或1:4阻抗比的設計。

變壓器的插入損耗是指規定頻率範圍內的損耗，是變壓器資料手冊中最常見的測量規格。回波損耗針對原邊而言，指變壓器副邊端接的有效阻抗不匹配。舉例來說，如果副邊匝數與原邊匝數之比的平方為4:1，當副邊端接阻抗為200歐姆時，應該有50歐姆的阻抗會反射到原邊端接。然而，這種關係並不準確，原邊上的反射阻抗會隨著頻率而改變，如下例所示。

首先，找出前端設計的中心頻率回波損耗。在此例中，使用110MHz。若為理想變壓器，則Zo值為50歐姆，不過實際上並非如此。從公式3可看出，Zo值低於理想值。

回波損耗(RL)=-18.9dB@110MHz =20*log(50-Zo/50+Zo) ........公式1
10^(-18.9/20)=(50-Zo/50+Zo) ..................公式2
Zo=39.8Ω ..................公式3

接著求解公式3得到的原邊Zo與副邊理想阻抗的比值。然後對原邊理想阻抗與實際副邊阻抗求同樣的比值。

Z(原邊反射阻抗)/Z(副邊理想阻抗)=Z(原邊理想阻抗)/Z(副邊反射阻抗)
..................公式4
39.8/200=50/X ..................公式5
求解X，X=251Ω ..................公式6

一般來說，隨著阻抗比的上升，回波損耗的變化也隨之提高。利用變壓器或巴倫設計匹配前端時，應注意這一點。

就變壓器或巴倫而言，幅度和相位不平衡是最關鍵的性能特徵。它們衡量各單端訊號與理想值的偏差，幅度相等，相位相差180度。當設計要求高中頻(100MHz以上)時，設計人員可根據這兩項技術規格，了解向轉換器提供的訊號線性度。一般而言，偏差越大，則性能下降幅度越大。剛開始時，一定要選擇那些將此資訊公布在資料手冊中的變壓器或巴倫。如果資料手冊中不存在此資訊，則很可能說明它不適合高頻應用。

總歸來說，隨著頻率增加，變壓器的非線性也同時增長，通常以相位不平衡為主，轉化為轉換器的偶次失真(主要是二次諧波失真)。如果預期雜散特性差得遠，不要急著責怪轉換器，應先檢查前端設計。

如果設計採用1:4或更高阻抗比的變壓器，應注意此參數在低頻時會變得更糟糕。這是因為與1:1阻抗比的變壓器相比，匝數加倍會使變壓器原邊與副邊間的寄生參考差分變得更高。

在高頻下使用變壓器或巴倫時，為了應對二次諧波失真，可嘗試串接使用多個變壓器或巴倫。可使用兩個變壓器，說明在高頻率下更充分地將單端訊號轉換為差分訊號。其缺點是占空間，成本和插入損耗會提高。另一個建議是使用其他變壓器。如安倫(Anaren)有一項專利設計，採用無芯拓撲結構，允許只採用單一元件實現千兆區域頻寬擴展，從而提供更高的平衡度，尺寸則小於標準鐵芯變壓器。

並非所有製造商都使用同樣的方法來規範變壓器的性能，即使規格明顯類似，在相同情況下，變壓器的運行情況也可能不同。為前端設計選擇變壓器的最佳途徑是收集並了解考慮範圍內變壓器的所有規格，並索取製造商數據手冊中沒有說明的其他主要資料項目。此外，也可使用網路分析儀來衡量變壓器的性能。

使用多個變壓器時，最後須注意的一點是，布局非常重要。為在高頻下保持最佳性能，附加變壓器的布局應盡可能對稱。否則，使用多個變壓器的前端設計可能毫無用處。

(本文作者任職於亞德諾)