变压器和放大器在驱动ADC时的性能区别

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变压器和放大器在驱动ADC时的性能区别

12112014/11/04电子技术 IP:四川

（选自ADI公司网站）高性能模数转换器（ADC）“前端”的输入配置设计对达到要求的系统性能至关重要。优化总体设计取决于很多因素，包括应用性质、系统组成和ADC的结构。以下的问答主要节绍了使用放大器和变压器影响ADC前端设计的一些重要的实际考虑。
问：放大器和变压器根本区别是什么？
答：放大器是有源器件，而变压器是无源器件。放大器和其它所有的有源器件一样，消耗功率并且产生噪声；变压器不消耗功率并且产生的噪声可以忽略不计。两者都涉及到动态效应问题。
问：为什么选择放大器？
答：放大器的性能限制比变压器少。如果必须保持直流（DC）电平，就必须使用放大器，因为变压器是固有的交流（AC）器件。另外，如果需要，变压器可以提供电流隔离。放大器提供增益比较容易，因为放大器的输出阻抗实质上与增益无关。另一方面，变压器的输出阻抗与电压增益呈平方关系增加——电压增益取决于匝数比。放大器在通带范围内提供平坦的响应，而没有由于变压器寄生交互作用引起的纹波。
问：放大器通常产生的噪声有多大？如何减少这些噪声？
答：让我们考虑一个典型的放大器，例如ADA49371，如果设置增益G＝1，那么输出的噪声谱密度在高频部分是6 nV/√Hz，与此频带可比的采样速率为80 MSPS 的AD9446－82 ADC的输入噪声谱密度是10nV/√Hz。这里的问题是，放大器的噪声带宽等于ADC的全带宽（中心频率位于500 MHz），而ADC的噪声又必须限制在第一奈奎斯特范区（40 MHz）。在没有滤波器的情况下，放大器的噪声有效值是155 ?Vrms，ADC的噪声有效值是90 μV。从理论上讲，总系统的信噪比（SNR）降低了6dB。为了从实验上证实这一点，用ADA4937驱动的AD9446-80测量的SNR结果是76 dBFS,本底噪声是－118dB(见图1)。如果改用变压器来驱动AD9446-80，测量SNR结果是82 dBFS。因此用放大器驱动ADC可将SNR降低6dB。

图1. 使用没有噪声滤波器的ADA4937放大器驱动80 MSPS采样速率的AD9446-80 ADC

为了提高ADC的信噪比，在放大器和ADC之间加了一个滤波器。如果使用的是一个100 MHz的双极点滤波器，放大器的总噪声有效值变为71 ?V，使ADC的信噪比仅降低3 dB 。使用双极点滤波器改善了图1电路的SNR达到79 dBFS，本底噪声为－121dB，如图2a所示。构建双极点滤波器的方法是放大器的每个输出引脚都串联一个24Ω的电阻器和一个30 nH的电感器并且差分连接一个47pF的电容器（见图2b）。

图2a. 使用在外接100 MHz噪声滤波器的ADA4937放大器驱动AD9446-80 ADC

图2b. 使用外接双极点噪声滤波器的ADA4937放大器驱动AD9446-80 ADC原理图

问：高速放大器和ADC在功耗方面有何不同？
答：这要看使用的放大器和ADC。具有相似功耗的两种典型放大器，AD83523 在5 V电压下的电源电流是37 mA（185 mW）,ADA4937在5 V电压下的电源电流是40 mA(200 mW)。如果使用3.3 V电源供电，它们的功耗都可以降低三分之一，同时会稍微降低它们的一些性能。ADC的功耗差异性较大，这取决于它们的分辨率和采样速率。16 bit, 80 MSPS 的AD9446-80 功耗为2.4 W，14 bit,125 MSPS的AD9246-1254 功耗为415mW,12 bit, 20 MSPS 的AD9235-205功耗仅为95mW。

问：在什么情况下需要使用变压器呢？
答：当信号的频率很高而且ADC的输入端不允许很大的附加噪声时，变压器具有超越放大器的最大性能优势。

问：变压器和放大器在增益方面有何不同？
答：主要的区别在于ADC的输入阻抗，它直接影响系统的带宽。变压器的输入阻抗和输出阻抗与匝数比的平方有关，而放大器的输入阻抗和输出阻抗与增益（G）根本无关无关。

例如，采用一个增益G=2的变压器，并且变压器的输入阻抗为50Ω，输出阻抗为200 Ω。 AD9246 ADC有一个4 pF的差分输入电容，它与一个200 Ω输出阻抗的变压器相连，会使ADC的-3dB带宽范围从650 MHz降低到200 MHz。为了提高ADC的性能和减少踢回噪声(kickback noise)，通常需要外接一只串联电阻和微分电容，这样会进一步限制-3 dB的带宽，大概下降到100 MHz。

如果使用一个低输出阻抗的放大器，例如使用ADA4937，结果通常会提供低于5 Ω的源阻抗。这样每个ADC的输入端可串联一只25 Ω限制瞬态电流的电阻器；这对于选用650 MHz模拟输入带宽的AD9246，应该是合适的。

到目前为止，我们一直在围绕-3 dB带宽进行讨论。如果在单极点系统中需要增益起伏比较平坦，比方说0.5 dB，那么需要将-3 dB带宽扩展大约3倍。对于0.1 dB平坦度，需要将-3 dB带宽扩展6.5倍。如果需要0.5 dB平坦度达到150 MHz带宽，那么它的-3 dB带宽必须大于450 MHz。采用 G = 2的变压器很难做到这一点，但是采用低输出阻抗的放大器很容易实现。

问：在究竟选择变压器还是放大器来驱动ADC时，要考虑哪些因素呢？
答：我们可以把这些因素归结为6个参数，如下表所示：

参数	通常优势
带宽	变压器
增益	放大器
通带平坦性	放大器
功耗要求	变压器
噪声	变压器
直流与交流耦合	放大器（保持直流信号）变压器（隔离直流信号）

在有多个关键参数发生冲突的应用中，要做进一步分析和权衡。

问：那么在分析中有要考虑哪些因素呢？
答：首先要了解为给定的ADC设计前端的困难程度。第一，要了解ADC内部有缓冲器呢，还是没有（例如，开关电容型前端）？很显然，不论是哪一种情况，困难程度会随着频率的增高而增加。但是，对设计工程师来说，处理开关电容会更难一些。

如果需要增益充分利用ADC的输入范围，那么倾向于采用变压器的应用会随着需要的增益（匝数比）增大变得越来越困难。

当然，困难程度会随着频率的增高而增加。采用一个带缓冲器的ADC来设计一个低于100 MHz的中频（IF）系统要比采用不带缓冲器的ADC设计一个小信号高IF系统要相对容易一些，如图3所示。由于引进许多不同的参数，权衡利弊往往会变得很难，而且常常为跟追改变元件和评估参数的过程而感到困惑。

图3. 设计难度与频率的关系

随着设计的改进，使用电子数据表格记录所有的参数可能很有用。不存在满足所有情况的最佳设计方案；它取决于可提供的器件和应用技术指标。

问：的确，设计工作不容易。能否介绍一下与系统参数相关的细节问题？
答：首先，设计ADC的前端时，重要的是要考虑到所有的参数。要把每一个元件当作前一级负载的一部分来考虑，并且当源阻抗等于负载阻抗的共轭（见图4）时，会产生最大的功率传输。

图4. 最大功率传输

现在开始设计各个参数：
输入阻抗是系统设计的特性阻抗。大多数情况下输入阻抗为50Ω，但可能会要求其它取值。变压器是具有很好互阻性能的器件。变压器允许用户根据需要耦合不同特性阻抗并且充分平衡系统的总负载。在一个放大器的电路里，阻抗被定义为输入阻抗和输出阻抗，放大器的阻抗特性不像变压器那样随频率变化。

电压驻波比（VSWR）是一项无量纲参数，用来表示在有用带宽内输入功率反射到负载上的比率。当负载ADC达到满度输入时，VSWR是一项用来确定所需要的输入驱动能力的重要参数。

带宽是在系统中使用的频率范围。带宽可宽可窄，可仅覆盖基带或者覆盖多个奈奎斯特区。带宽的边界通常限制在其最大幅度衰减-3dB处对应的频率。

通带平坦度（或者增益均匀性）指在规定带宽内增益响应随频率变化量（包括正波动和负波动）。它可能会表现为波动，或者像Butterworth滤波器那样简单单调地下降。不管是哪一种情况，通常要求通带平坦度小于或等于1 dB，这对于稳定总系统增益至关重要。

输入驱动能力是由特定应用需要的系统增益决定。输入驱动能力与带宽指标密切相关，并且依赖于所选择的前端元件，例如滤波器、放大器或者变压器。它们的特性是使输入驱动能力最难达到要求水平的原因之一。

图5. 带宽、通带平坦度和输入驱动能力的定义

信噪比（SNR）是在给定带宽内，满度信号的有效值与全部噪声分量平方和的平方根（RSS）的对数比，但是不包括失真分量。从前端方面来看，SNR会随着带宽、时钟抖动和增益的增加而降低（在高增益情况下，放大器在低增益时可能被忽略的噪声分量会产生明显作用）。

无杂散动态范围（SFDR）是满度值的有效值与最大杂散频谱分量的有效值之比。前端杂散有两大危害，一个是造成放大器的非线性（或者使变压器造成不理想平衡），它主要产生二次谐波失真；另一个是输入失配并且按照一定的增益放大这种失配（在高增益情况下，失配更加严重，并且放大寄生非线性作用），通常将这种情况看作三次谐波失真。

问：变压器的重要特性是什么？
答：变压器有许多特性——例如电压增益和阻抗比、带宽和插入损耗、幅度和相位不平衡性，以及回波损耗。其它特性可能包括额定功率、配置类型（例如不平衡变压器或变压器）和中心点选项。
使用变压器进行设计并不总是一帆风顺的。例如，变压器的特性会随着频率变化，从而使变压器模型复杂化。在ADC应用中开始变压器建模的一个例子如图6所示。每一个参数都取决于所选用的变压器。如果变压器生产商可提供变压器的模型，建议你与他们联系。

图6. 变压器模型

变压器特性包括：
匝数比是次级电压与初级电压之比。
电流比与匝数比成反比。
阻抗比是匝数比的平方。
信号增益正好等于匝数比。尽管电压增益无噪声，但是要考虑其它因素——后面将会讨论到。

变压器可以简单地看作具有标称增益的带通滤波器。插入损耗是滤波器在规定频率范围内的损耗，虽然它是产品使用说明中最常见的测量技术指标，但还要考虑其它指标。

回波损耗是指从变压器的初级端看次级端有效阻抗不匹配特性的一种度量。例如，如果变压器的次级线圈与初级线圈的匝数比的平方是2:1，那么我们预期当次级端终止的阻抗为100 Ω时，反射到初级端的阻抗是50 Ω。然而，实际上不是严格符合这种关系；例如，反射到初级的阻抗会随着频率变化。一般地，随着阻抗比率增加，回波损耗的变化程度也随着增加。

幅度失衡和相失衡是变压器的重要特性。当要求设计非常高的中频时（高于100 MHz），设计工程师可以通过这两项技术指标预测非线性误差的大小。随着频率的增高，变压器的非线性误差的也随着增加，通常是相位失衡起主要影响作用，相位失衡会转化为偶次谐波失真（主要是二次谐波）。
图7示出了单变压器配置和双变压器配置情况下，变压器的典型相位失衡与频率的关系曲线。

图7.在单变压器和双变压器配置情况下，变压器的相位失衡与频率的关系曲线。

请记住，因为变压器制造商不能都以相同的方法来规定所有的变压器指标，所以技术指标显然相同的变压器在相同情况下可能会表现出不同的性能。为你的设计方案选择变压器的最好方法是，收集和了解考虑到的所有变压器指标，向制造商索取在其产品技术资料中没有给出的所有关键数据。另外你可以使用网络分析器自己测量变压器的性能指标，可能会有用。

问：选择放大器时要考虑哪些重要参数？
答：选用放大器代替变压器的主要理由是为了获得好的通带平坦性。如果这项技术指标对你的设计方案来说很关键，那么放大器在规定频率范围内的波动会小一些，通常为±0.1 dB。变压器的频率响应波动会小一些，当必须使用变压器时要求“精细调整”，所以平坦性是一个问题。
放大器的驱动能力是它的另一个优势。变压器不能驱动PCB板上很长的印制线。变压器用来直接连接到ADC。如果系统要求把驱动器或耦合器安装在远离ADC处，或者另外一块PCB板上，那么我们强烈推荐使用放大器。

直流耦合特性也是使用放大器的一个原因，因为变压器是固有的交流耦合器件。如果直流频段在应用中很重要，可选择放大器，因为有些高频放大器可以耦合一直到直流的频率。可选的典型放大器包括AD8138和ADA4937。

放大器还可以提供动态隔离（大约为30 dB～40 dB的反向隔离）以抑制无缓冲ADC输入端的瞬态电流产生的尖峰毛刺。

如果设计要求为ADC的模拟输入提供宽带增益，那么放大器会提供优于变压器的匹配。
另外要考虑带宽与噪声的折衷。如果采用的频率高于150MHz，变压器在保持SNR和SFDR方面会做得更好一些。然而，如果工作在第一奈奎斯特区或第二奈奎斯特区，那么变压器或放大器都可以使用。

问：ADI公司的那些放大器最适合驱动高性能ADC？
答：只有少数放大器最适合用于高速ADC的前端，包括AD81386和AD81397；AD83508，AD83519和AD835210；以及ADA4937和ADA4938。AD 8139通常用于设计基带系统，即有用输入频率低于50 MHz。AD8352通常用于设计中高频设计。这种放大器可以在高至200 MHz宽频带内具有优良的噪声和杂散抑制能力。ADA4937可以用于工作频率高达150 MHz，它的主要优点表现在驱动ADC的直流耦合应用，因为它可以提供很宽的共模输出电压范围。

问：我可能要用到的ADC的重要特性是什么？
答：目前流行的CMOS开关电容ADC没有内置的输入缓冲器，所以其功耗比带缓冲器的ADC要低一些。外部信号源直接连接到ADC的内置开关电容采样保持（SHA）电路（见图8）。这会产生两个问题。第一，输入阻抗随时间变化，因为工作方式在采样和保持之间不断切换。第二，注入到采样电容器的电荷会反射回信号源；这可能引起驱动电路里的无源滤波器的过渡延迟。

图8. 带开关电容器ADC输入级电路框图

重要的是把外部网络阻抗与ADC跟踪模式阻抗匹配，见图9。正如你看到的，输入阻抗的实部或阻性阻抗（用蓝色线表示）在低频段（基带）非常高（在几千欧姆范围内），在超过100 MHz的频段下降到2 kΩ以下。

输入阻抗的虚部或容性阻抗（用红色线表示），一开始从一个相当高的容性负载，然后在高频段减小大约3 pF（见右边纵坐标）。要匹配这样的输入阻抗是一个相当具有挑战性的设计问题，尤其是在频率高于100 MHz的情况下。

图9. 跟踪模式下开关电容ADC的典型输入阻抗与频率关系曲线

图10和图11中的波形示出了差分输入信号的优势。乍一看，图10中示出的ADC的单端输入波形看起来很差。但是，图11证明了单端输入波形受到的干扰几乎完全是由于共模电压的影响。

图10. 带开关电容的ADC的单端输入与时钟相关的波形测量

图11. 带开关电容的ADC的差分输入与时钟相关的波形测量

请看ADC的差分输入（见图11），我们可以看到输入信号干净多了。与时钟相关的尖峰干扰消失了。差分信号固有的共模抑制特性能够消除共模噪声，包括来自电源、数字源和电荷注入引起的共模噪声。

带输入缓冲器的ADC比较容易理解和使用。输入源阻抗固定。缓冲器由晶体管组成，它以低阻抗驱动ADC，所以大大地减少了注入电荷和开关管引起的尖峰。与带开关电容的ADC不同，输入阻抗在模拟输入频率范围内变化很小，所以选择合适的驱动电路相对容易一些。带缓冲器的ADC特别适合于高线性、低噪声应用；它唯一的缺点是由于它自身的功导致ADC总功耗增加。

问：你能否给我举出变压器和放大器驱动电路的例子？
答：图12示出了4个使用变压器的ADC输入配置的例子。

对于基带应用器件（见图a），输入阻抗很高，所以匹配起来很简单，不像在高频段匹配那么重要。通常，使用一个很小的串联电阻器和一个并联电容器就足以衰减电荷注入。这种简单的滤波器衰减了宽带噪声，从而优化了性能。

为了得到宽带应用中匹配合适的输入阻抗（见图b），可以尝试让输入阻抗的实部（阻性）起主要作用。用电感或铁氧体磁珠与模拟前端并联或者串联从而将容性部分减到最少。这样可以得到很好的带宽，改进增益的平坦性并且提高性能（SFDR），就像使用AD93xx开关电容ADC系列时看到的那样。

对于带缓冲的高中频（IF）应用（见图c），示出了带双不平衡变压器的配置，带一个类似于基带配置滤波器。这允许输入频率高达300 MHz并且提供很好的平衡，把偶次谐波失真减到最小。

对于窄带（共振）应用（见图d），它的拓扑结构类似于宽带。但是，匹配方式采用并联而不是串联，以便将带宽缩小到规定的频带。

图12 . 采用变压器驱动的ADC的前端设计

在基带应用中，当采用放大器驱动带缓冲器或不带缓冲器的ADC时，设计将变得相当简单（见图13）。只要保证与ADC共同分担放大器的共模电压就可以使用一个简单的低通滤波器滤掉有无用的宽带噪声（见图a）。对于中频应用（见图b和图c），其匹配网络跟基带的情况非常相似，但是通常会有轻度下降。如果需要，可以在放大器的输出使用电感器或铁氧体磁珠以扩大带宽。

但是，通常没有必要这样做，因为放大器的特性在有用带宽内变化很小，不像变压器那样变化较大。对于窄带应用或共振应用（见图d），滤波器与放大器的输出阻抗相匹配，抵消了ADC的输入电容。通常，使用多极滤波器用来滤除有用频段之外的宽带噪声。