搭配最適放大器/變壓器　ADC前端設計精準到位

轉換器及拓撲結構有許多類型，本文針對取樣率為10MSPS或更高的緩衝型和無緩衝(開關電容)型高速管線架構進行探討。類比前端是確定轉換器接收並取樣的訊號或資訊品質的關鍵部分。在設計中，如果對這部分輕忽，將會對應用性能產生不利影響。

為須達到一定性能水準的轉換器設計前端，將有大量事情須要考慮。本文將先說明變壓器前端和放大器前端各自的優點，以便讀者了解為什麼有些事情可行，有些事情不可行。然後會提出一些通用方塊圖範例，以視覺化方式顯示不同類型的前端拓撲結構。

轉換器與放大器匹配程度　攸關前端設計好壞

解決工程設計問題時，最好是將它分解成多個小問題，這樣不致於無處下手。一般來說，前端設計至少可以分解為兩個問題。第一個是前端與之前一級的介面，第二個是副邊(Secondary Side)或放大器輸出端與轉換器的匹配。使用放大器時，輸入和輸出阻抗通常均已經確定，並清楚顯示於資料手冊中。放大器輸出端一般需要一定的負載，以便實現良好的性能。放大器的資料手冊一般會列出一組用於測量元件輸入端和輸出端特性的端接電阻。設計最好基於這些值進行，這樣有助於獲得所需的性能。

緩衝型轉換器具有明確的輸入阻抗結構，很容易匹配，這正是放大器實現良好回應性能所需要的。然而，當使用無緩衝型轉換器時，輸入阻抗會隨著頻率而改變，最好從元件供應商網站下載輸入阻抗表，然後針對目標頻段的中心頻率進行設計。此外，還建議使用跟蹤模式阻抗值來設計兩個元件之間的匹配。

變壓器略有不同，匹配僅在100MHz以上的設計中才重要，這包括前面所說的帶通和寬頻設計。基頻設計無須透過匹配來改善或實現資料手冊性能。可利用回波損耗來匹配變壓器和巴倫的副邊與轉換器輸入級之間的反射阻抗，以便優化原邊阻抗，如圖1所示。

圖1　使用變壓器或巴倫時，負載匹配可利用回波耗損來實現。

由於變壓器在性質上比放大器更透明，因此應將整個前端視為前一級的負載。這包括變壓器、副邊與轉換器間的被動元件以及轉換器的輸入阻抗。無論使用緩衝型還是非緩衝型轉換器，均可適用。

移除不必要頻寬　降低ADC訊噪比

一些前端設計只需要一定量的頻寬，就能使設計達到性能要求。移除頻寬的最好辦法是在放大器與變壓器之間使用抗混疊濾波器(AAF)。在基頻設計中，簡單的電阻-電容(RC)濾波器就很不錯。不過，還可以透過其他方式來降低頻寬。在輸入訊號節點的原邊放置一個電感，也能降低頻寬量(圖2)。有時候，綜合運用簡單的RC濾波器與原邊電感能夠更快速地降低不必要的頻寬，實現更陡峭的滾降。

圖2　在原邊放置電感，亦可降低頻寬(原理圖在圖表下方)。

轉換器的頻寬通常非常寬。寬頻雜訊總是能折返到轉換器的基頻或奈奎斯特區。這會提高轉換器的雜訊層，進而降低轉換器的訊噪比和動態範圍。

另一種降低頻寬的方法是在轉換器的類比輸入端並聯放置一個電感，進而形成一個簡單的帶通濾波器。不過要小心，有些類型的電感會導致轉換器變得不穩定，讓雜訊層變得雜亂無章，或者在某些情況下引起SFDR性能下降。使用電感線圈時，如Coilcrafts 0603CS系列，建議檢查軟Q部分。此外，必須注意的是，電感並非「生而平等」。

圖3　放大器頻寬「峰化」範例

頻寬峰化以達所需性能

有些設計需要更多頻寬，這不是從轉換器的立場出發來考量，而是站在前端設計的立場。有多種方法可以擴展頻寬，但同樣要小心，因為通帶平坦度可能達不到所需的性能。另一個常用術語是頻寬「峰化」。根據放大器的不同，可以增加一兩個電容，從而針對增益電阻產生峰化。其實際結果取決於放大器的拓撲結構(圖3)。對於具有接腳綁定增益接腳的放大器，電容一般位於這些節點以內，並且與增益設置電阻並聯。

變壓器的頻寬擴展方法稍有不同。簡單方法是在轉換器的各類比輸入端串聯放置低Q電感或高頻鐵氧體磁珠。同樣應注意，通帶平坦度可能會改變，須要仔細權衡得失(圖4)。

圖4　在副邊放置電感或鐵氧體磁珠，亦可擴展頻寬(原理圖在圖表下方)。

無論哪一種情況，擴展頻寬都不是一件簡單的事情。權衡利弊時，了解被動元件是其中關鍵。可能須要在實驗室裡反覆試探，這是擴展頻寬的最佳途徑，而安捷倫(Agilent)ADS等模擬工具，對此可能也會有幫助。

優化SFDR性能

似乎所有前端設計都優先採用33歐姆串列電阻(Rs)標準，但這通常是放大器或變壓器前端設計與轉換器輸入端之間顯示的值。使用此電阻的理由是優化轉換器輸入端的源阻抗，並且最大程度地減少返回到類比前端的「反沖」或電荷注入。它能夠優化內部取樣網路的建立，提供更高的線性度，因而優化轉換器的SFDR性能。

圖5　利用烙鐵工具，在10～140歐姆間，找出無緩衝型轉換器的適用電阻。

無緩衝型轉換器對此更為敏感，因為前端網路直接連接到轉換器的內部取樣網路。每種無緩衝型轉換器都有略微不同的取樣電容比或開關電容取樣網路，因此並沒有一個比這更簡單的答案，也沒有模擬工具能夠提供一個明確的電阻值或答案。解決此一問題的最佳辦法是拿起烙鐵等工具，用一系列電阻逐一試驗，試驗的電阻值範圍通常是10歐姆到140歐姆(圖5)。

優化平衡電流
避免失真問題

務必在前端中提供一個共模點，無論是放大器還是變壓器拓撲結構都必須做到。使用放大器時，確保兩個IC之間的共模電壓一致。沒有共模點會導致轉換器過早削波或無法達到全刻度。當放大器為直流耦合時，這可能會造成轉換器顯著失真。

使用變壓器時，應讓中心抽頭接地或端接，這有兩個原因：第一，變壓器的內部配置通常需要一個參考點來平衡內部電流，如果忽略這一點，變壓器很可能會讓訊號不平衡，產生偶數階失真；第二，當轉換器過驅到飽和狀態時，此點還能提供訊號參考，使電流處於局部並接地。

源電阻協助放大器正常工作

所有放大器都需要一定的源電阻才能正常工作。如今和未來的設計所需的頻率越來越高，因此放大器必須支援高頻。放大器的頻率越高，輸出頻率也越高。如果輸出接腳上存在一定量的寄生誤差，往往會導致放大器振盪。

為應對這種情況，使用者應習慣在各輸出端靠近放大器接腳的地方使用少量串聯電阻。該串聯電阻與寄生電容(形成於頂層與相鄰的下方接地層間)構成一個低通濾波器，進而提供局部接地路徑。許多設計人員靠自己摸索發現這個竅門，在實驗室花費無數小時後才明白，造成訊號誤差和非線性的問題原來如此。

圖6顯示了本文討論的放大器和被動變壓器前端設計的標準拓撲結構，這些電路圖僅供參考。選擇的元件不同，設計的性能可能大不相同。

圖6　變壓器配置拓撲結構

理解設計目標　依序決定參數

面對新設計時，務必理解設計目標並按照優先順序排列重要參數。一般而言，VSWR/輸入阻抗、通帶平坦度、頻寬、SNR、SFDR和輸入驅動決定前端設計的難度。先從頻寬開始，考慮是基頻、帶通還是寬頻，這將為前端設計和拓撲結構指明確定方向與途徑。

接下來關注轉換器。緩衝型轉換器更容易設計，但其功耗高於無緩衝型轉換器。如果設計要求無緩衝型轉換器，記住查看類比輸入的輸入阻抗圖表。針對跟蹤模式下目標頻段的中心頻率進行設計。

如上所述，放大器和變壓器各自都有很多優點和缺點。何者最佳，歸根到底，取決於設計的要求。放大器消耗功率並需要電源，好處是在介面過程中一般更容易處理。變壓器是被動元件，不消耗功率，但當中頻頻率較高時，它表現為非線性，可能需要額外的元件進行補償，除非找到合適的變壓器。選擇設計方向之前，務必檢查各種方案的參數列表。最後，本文列出有關前端匹配、移除或擴展頻寬以及優化SFDR的指南。這些建議有助於設計人員更有針對性地優化前端設計。

本文旨在為所有高速ADC用戶提供一個有用的參考，適用於所有類型的前端設計。開展新轉換器設計時，必須仔細考慮各項參數，權衡利弊。

(本文作者任職於亞德諾)