改善無源寬帶ADC前端網絡的設計

　　前端電路的匹配（圖6）也可能具有不同的含義，取決于設計人員。根據定義，匹配只是表示前端網絡已確定某一等值源阻抗和負載阻抗（通常為50Ω）。 信號源和負載之間產生最大的信號功率傳輸，以最大限度減少各種反射。

圖6. 匹配不僅是定義源阻抗，而且要實現源阻抗和負載阻抗匹配。為了實現最大信號功率傳輸，需針對目標頻帶進行優化(b)。

　　通常采取復雜的共軛匹配方式，因為轉換器的內部輸入阻抗復雜，前端網絡設計中的變壓器也不理想。信號源確定為前端網絡的前一級。負載包括前端網絡。這包括變壓器、變壓器副邊端接和轉換器模擬輸入之間的端接或濾波，以及轉換器的復雜輸入阻抗。

　　匹配也涉及到帶寬。隨著帶寬在前端電路滾降，出現等值源阻抗和負載阻抗開始分離的良好跡象。預期帶寬內實現前端電路匹配，需要考慮多種規格才能確保性能不變，不僅涉及動態性能，即信噪比（SNR），而且還有無雜散動態范圍（SFDR）。這在高頻時特別重要，如前所述，前端電路往往會快速滾降。

　　特殊的前端電路設計為具有10至70MHz的通帶區，使用阻抗比為1:9的變壓器，并配置250MHz的帶寬。通過各種折衷手段，可以運用不同的方法來實現設計的邊界條件。常常只有一個設計可行或成為最佳選擇。該例中選中REVL，因為REVL對于設計要求的各種規格“匹配性”最佳。該設計也滿足超過85dB的動態雜散性能。同時具有整個目標頻帶內最好的輸入阻抗匹配，允許92％的信號功率轉移到這個網絡，并保持低于1dB的通帶平坦度。
“匹配”有時可能并不嚴格。但是，匹配后，前端網絡確定的一些性能參數在目標頻帶內確實得到了優化。

　　布局也是變量，可能會破壞任何前端設計，特別是高頻段的前端設計。不當布局會弄亂前端設計，造成意想不到的后果。定義前端設計時，不要一下子放棄所有辛苦得到的設計成果。花點時間保持良好對稱的布局。

　　如上例所述，使用多個級聯變壓器（圖7）可以抑制偶次諧波失真。這兩個布局圖描繪出ADC前端使用兩個變壓器布局之間的微小差異。但是，布局（b）在寬頻率帶運行得更好。布局更對稱，使返回電流或接地基準趨于正常。

圖7. 相同的級聯變壓器(a) 會產生不同的結果，具體取決于PCB (b和 c)走線的對稱情況。

　　快速傅立葉變換（FFT）性能曲線圖（圖8）驗證了16位125MSps雙通道ADC-- AD9268的測量值。使用對稱布局，得到圖8a 。在-1dBFS下施加140MHz中頻信號，可產生85dB二次諧波。圖8b 顯示同樣條件下非對稱布局的性能。二次諧波的測量值為79.5dB，性能損失大于5dB！

圖8. 圖7 (b)中上部變壓器的輸出布局更對稱，產生的頻譜如左圖所示。

請注意，與右圖的非對稱設計相比，左圖的二次諧波降低5 dB。

　　鐵氧體與非鐵氧體

　　傳統上，線繞變壓器或鐵氧體變壓器一直是轉換器前端電路設計的解決方案，可以將信號鏈的最后一級單端信號轉換為差分信號，典型阻抗轉換比為1:2、1:1和1:4。頻率低于200MHz時，線繞拓撲結構提供良好的性能，表現出良好的均衡相位和幅度性能，以及較少的插入損耗和回波損耗。

　　但是，線繞巴倫也有一些缺點，最嚴重的問題是較高頻率下性能降低。線繞巴倫基本上由集總元件組成，低頻率時運行良好，但在較高的頻率下，隨著寄生效應的影響越來越明顯，鐵氧體損耗逐漸增加，線繞巴倫的性能隨之降低。

　　根據定義，因為工作波長可比得上組件的物理尺寸，所以不適合使用集總元件。然而，安倫公司提供的一系列巴倫，采用非鐵氧體耦合、微波帶狀線結構，本身適合在更高的頻率，即200MHz以上使用。

　　這些巴倫采用耦合帶狀線設計，使用軟質纖維板（聚四氟乙烯/聚四氟乙烯）材料作為電介質。此類電介質通常損耗低，在較高頻率下，其插入損耗能維持在最小值。此外，這種技術允許大量的電路集中封裝，盡可能縮減封裝尺寸，采用典型鐵氧體拓撲結構可節約高達80％的空間。

　　不同于線繞巴倫，安倫公司的巴倫結構（圖9）沒有采用鐵氧體材料。非鐵氧體變壓器技術的另一個優勢是對更寬帶寬的差分阻抗變化不敏感，轉換器在采樣電路和保持電路間變動，使用輸入阻抗有變化的無緩沖模數轉換器時這種現象時有發生。巴倫或變壓器部分對轉換器阻抗的敏感度可能表現為其性能退化。

圖9. 可以看出，采用相同的 125-Msps 轉換器AD9640，分別配以常見的鐵氧體巴倫和安倫公司帶狀線巴倫，通帶平坦度有明顯差異。

　　設計ADC前端的寬帶網絡時，需要選擇變壓器類型，收集所需的規格資料，以便選擇最佳應用方案。選擇變壓器時要特別注意其不平衡性能。如以上拓撲圖所示，網絡設計可能需要兩三個變壓器。

　　如果需要額外的帶寬，可在變壓器副邊電路上使用一系列低Q電感或高頻鐵氧體磁珠。但記得要重新*估通帶平坦度，以確保處于控制中。整個通帶實現匹配可能不易做到。匹配實際上應該包括優化設計確定的所有規格，以獲得轉移到前端網絡的最大功率。

　　在布局方面，不要忽視前端的對稱性，或性能可能有所降低。最后還要注意，如今，其它可用的解決方案能夠解決一些最寬帶寬的應用難題，改進通帶平坦度和在更高頻率下的動態性能，同時還可節省PCB空間。