改善无源宽带ADC前端网络的设计

　　前端电路的匹配（图6）也可能具有不同的含义，取决于设计人员。根据定义，匹配只是表示前端网络已确定某一等值源阻抗和负载阻抗（通常为50Ω）。 信号源和负载之间产生最大的信号功率传输，以最大限度减少各种反射。

图6. 匹配不仅是定义源阻抗，而且要实现源阻抗和负载阻抗匹配。为了实现最大信号功率传输，需针对目标频带进行优化(b)。

　　通常采取复杂的共轭匹配方式，因为转换器的内部输入阻抗复杂，前端网络设计中的变压器也不理想。信号源确定为前端网络的前一级。负载包括前端网络。这包括变压器、变压器副边端接和转换器模拟输入之间的端接或滤波，以及转换器的复杂输入阻抗。

　　匹配也涉及到带宽。随着带宽在前端电路滚降，出现等值源阻抗和负载阻抗开始分离的良好迹象。预期带宽内实现前端电路匹配，需要考虑多种规格才能确保性能不变，不仅涉及动态性能，即信噪比（SNR），而且还有无杂散动态范围（SFDR）。这在高频时特别重要，如前所述，前端电路往往会快速滚降。

　　特殊的前端电路设计为具有10至70MHz的通带区，使用阻抗比为1:9的变压器，并配置250MHz的带宽。通过各种折衷手段，可以运用不同的方法来实现设计的边界条件。常常只有一个设计可行或成为最佳选择。该例中选中REVL，因为REVL对于设计要求的各种规格“匹配性”最佳。该设计也满足超过85dB的动态杂散性能。同时具有整个目标频带内最好的输入阻抗匹配，允许92％的信号功率转移到这个网络，并保持低于1dB的通带平坦度。
“匹配”有时可能并不严格。但是，匹配后，前端网络确定的一些性能参数在目标频带内确实得到了优化。

　　布局也是变量，可能会破坏任何前端设计，特别是高频段的前端设计。不当布局会弄乱前端设计，造成意想不到的后果。定义前端设计时，不要一下子放弃所有辛苦得到的设计成果。花点时间保持良好对称的布局。

　　如上例所述，使用多个级联变压器（图7）可以抑制偶次谐波失真。这两个布局图描绘出ADC前端使用两个变压器布局之间的微小差异。但是，布局（b）在宽频率带运行得更好。布局更对称，使返回电流或接地基准趋于正常。

图7. 相同的级联变压器(a) 会产生不同的结果，具体取决于PCB (b和 c)走线的对称情况。

　　快速傅立叶变换（FFT）性能曲线图（图8）验证了16位125MSps双通道ADC-- AD9268的测量值。使用对称布局，得到图8a 。在-1dBFS下施加140MHz中频信号，可产生85dB二次谐波。图8b 显示同样条件下非对称布局的性能。二次谐波的测量值为79.5dB，性能损失大于5dB！

图8. 图7 (b)中上部变压器的输出布局更对称，产生的频谱如左图所示。

请注意，与右图的非对称设计相比，左图的二次谐波降低5 dB。

　　铁氧体与非铁氧体

　　传统上，线绕变压器或铁氧体变压器一直是转换器前端电路设计的解决方案，可以将信号链的最后一级单端信号转换为差分信号，典型阻抗转换比为1:2、1:1和1:4。频率低于200MHz时，线绕拓扑结构提供良好的性能，表现出良好的均衡相位和幅度性能，以及较少的插入损耗和回波损耗。

　　但是，线绕巴伦也有一些缺点，最严重的问题是较高频率下性能降低。线绕巴伦基本上由集总元件组成，低频率时运行良好，但在较高的频率下，随着寄生效应的影响越来越明显，铁氧体损耗逐渐增加，线绕巴伦的性能随之降低。

　　根据定义，因为工作波长可比得上组件的物理尺寸，所以不适合使用集总元件。然而，安伦公司提供的一系列巴伦，采用非铁氧体耦合、微波带状线结构，本身适合在更高的频率，即200MHz以上使用。

　　这些巴伦采用耦合带状线设计，使用软质纤维板（聚四氟乙烯/聚四氟乙烯）材料作为电介质。此类电介质通常损耗低，在较高频率下，其插入损耗能维持在最小值。此外，这种技术允许大量的电路集中封装，尽可能缩减封装尺寸，采用典型铁氧体拓扑结构可节约高达80％的空间。

　　不同于线绕巴伦，安伦公司的巴伦结构（图9）没有采用铁氧体材料。非铁氧体变压器技术的另一个优势是对更宽带宽的差分阻抗变化不敏感，转换器在采样电路和保持电路间变动，使用输入阻抗有变化的无缓冲模数转换器时这种现象时有发生。巴伦或变压器部分对转换器阻抗的敏感度可能表现为其性能退化。

图9. 可以看出，采用相同的 125-Msps 转换器AD9640，分别配以常见的铁氧体巴伦和安伦公司带状线巴伦，通带平坦度有明显差异。

　　设计ADC前端的宽带网络时，需要选择变压器类型，收集所需的规格资料，以便选择最佳应用方案。选择变压器时要特别注意其不平衡性能。如以上拓扑图所示，网络设计可能需要两三个变压器。

　　如果需要额外的带宽，可在变压器副边电路上使用一系列低Q电感或高频铁氧体磁珠。但记得要重新*估通带平坦度，以确保处于控制中。整个通带实现匹配可能不易做到。匹配实际上应该包括优化设计确定的所有规格，以获得转移到前端网络的最大功率。

　　在布局方面，不要忽视前端的对称性，或性能可能有所降低。最后还要注意，如今，其它可用的解决方案能够解决一些最宽带宽的应用难题，改进通带平坦度和在更高频率下的动态性能，同时还可节省PCB空间。