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簡單介紹ADC芯片前端輸入使用放大器和變壓器各自的優勢

發表時間:2021-04-02

高性能模數轉換器(ADC)一般對系統的性能有非常高的要求,而AD芯片的“前端”的輸入電路設計對ADC系統的的性能有非常大的影響。以下主要介紹了ADC芯片前端輸入使用放大器和變壓器各自的優勢。

1、放大器和變壓器根本區別

如果必須保持直流(DC)電平,就必須使用放大器,因為變壓器是固放大器是有源器件,而變壓器是無源器件。放大器和其它所有的有源器件一樣,消耗功率并且產生噪聲;變壓器不消耗功率并且產生的噪聲可以忽略不計。有的交流(AC)器件。而當信號的頻率很高而且ADC的輸入端不允許很大的附加噪聲時,變壓器具有超越放大器的最大性能優勢。

變壓器和放大器在增益方面主要的區別在于ADC的輸入阻抗,它直接影響系統的帶寬。變壓器的輸入阻抗和輸出阻抗與匝數比的平方有關,而放大器的輸入阻抗和輸出阻抗與增益(G)根本無關無關。如果設計要求為ADC的模擬輸入提供寬帶增益,那么放大器會提供優于變壓器的匹配。

2、使用變壓器時的優劣勢

(1)盡管電壓增益無噪聲,但是要考慮其它因素。變壓器可以簡單地看作具有標稱增益的帶通濾波器。插入損耗是濾波器在規定頻率范圍內的損耗,雖然它是產品使用說明中最常見的測量技術指標,但還要考慮其它指標。

(2)回波損耗是指從變壓器的初級端看次級端有效阻抗不匹配特性的一種度量。例如,如果變壓器的次級線圈與初級線圈的匝數比的平方是2:1,那么我們預期當次級端終止的阻抗為100 Ω時,反射到初級端的阻抗是50 Ω。然而,實際上不是嚴格符合這種關系;例如,反射到初級的阻抗會隨著頻率變化。一般地,隨著阻抗比率增加,回波損耗的變化程度也隨著增加。

(2)幅度失衡和相失衡是變壓器的重要特性。當要求設計非常高的中頻時(高于100 MHz),設計工程師可以通過這兩項技術指標預測非線性誤差的大小。隨著頻率的增高,變壓器的非線性誤差的也隨著增加,通常是相位失衡起主要影響作用,相位失衡會轉化為偶次諧波失真(主要是二次諧波)。

注:因為變壓器制造商不能都以相同的方法來規定所有的變壓器指標,所以技術指標顯然相同的變壓器在相同情況下可能會表現出不同的性能。為你的設計方案選擇變壓器的最好方法是,收集和了解考慮到的所有變壓器指標,向制造商索取在其產品技術資料中沒有給出的所有關鍵數據。另外你可以使用網絡分析器自己測量變壓器的性能指標,可能會有用。

3、使用放大器時的優劣勢

(1)選用放大器代替變壓器的主要理由是為了獲得好的通帶平坦性。如果這項技術指標對你的設計方案來說很關鍵,那么放大器在規定頻率范圍內的波動會小一些,通常為±0.1 dB。變壓器的頻率響應波動會小一些,當必須使用變壓器時要求“精細調整”,所以平坦性是一個問題。

(2)放大器的驅動能力是它的另一個優勢。變壓器不能驅動PCB板上很長的印制線。變壓器用來直接連接到ADC。如果系統要求把驅動器或耦合器安裝在遠離ADC處,或者另外一塊PCB板上,那么我們強烈推薦使用放大器。

(3)直流耦合特性也是使用放大器的一個原因,因為變壓器是固有的交流耦合器件。如果直流頻段在應用中很重要,可選擇放大器,因為有些高頻放大器可以耦合一直到直流的頻率。

(4)放大器還可以提供動態隔離(大約為30 dB~40 dB的反向隔離)以抑制無緩沖ADC輸入端的瞬態電流產生的尖峰毛刺。 

(5)另外要考慮帶寬與噪聲的折衷。如果采用的頻率高于150MHz,變壓器在保持SNR和SFDR方面會做得更好一些。然而,如果工作在第一奈奎斯特區或第二奈奎斯特區,那么變壓器或放大器都可以使用。

4、綜上所述高性能ADC前端電路使用放大器和變壓器各個參數優勢對比

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注:在有多個關鍵參數發生沖突的應用中,要做進一步分析和權衡。

5、設計中出現的參數含義:

(1)輸入阻抗是系統設計的特性阻抗。大多數情況下輸入阻抗為50Ω,但可能會要求其它取值。變壓器是具有很好互阻性能的器件。變壓器允許用戶根據需要耦合不同特性阻抗并且充分平衡系統的總負載。在一個放大器的電路里,阻抗被定義為輸入阻抗和輸出阻抗,放大器的阻抗特性不像變壓器那樣隨頻率變化。

(2)電壓駐波比(VSWR)是一項無量綱參數,用來表示在有用帶寬內輸入功率反射到負載上的比率。當負載ADC達到滿度輸入時,VSWR是一項用來確定所需要的輸入驅動能力的重要參數。

(3)帶寬是在系統中使用的頻率范圍。帶寬可寬可窄,可僅覆蓋基帶或者覆蓋多個奈奎斯特區。帶寬的邊界通常限制在其最大幅度衰減-3dB處對應的頻率。 

(4)通帶平坦度(或者增益均勻性)指在規定帶寬內增益響應隨頻率變化量(包括正波動和負波動)。它可能會表現為波動,或者像Butterworth濾波器那樣簡單單調地下降。不管是哪一種情況,通常要求通帶平坦度小于或等于1 dB,這對于穩定總系統增益至關重要。

(5)輸入驅動能力是由特定應用需要的系統增益決定。輸入驅動能力與帶寬指標密切相關,并且依賴于所選擇的前端元件,例如濾波器、放大器或者變壓器。它們的特性是使輸入驅動能力最難達到要求水平的原因之一。

(6)信噪比(SNR)是在給定帶寬內,滿度信號的有效值與全部噪聲分量平方和的平方根(RSS)的對數比,但是不包括失真分量。從前端方面來看,SNR會隨著帶寬、時鐘抖動和增益的增加而降低(在高增益情況下,放大器在低增益時可能被忽略的噪聲分量會產生明顯作用)。

(7)無雜散動態范圍(SFDR)是滿度值的有效值與最大雜散頻譜分量的有效值之比。前端雜散有兩大危害,一個是造成放大器的非線性(或者使變壓器造成不理想平衡),它主要產生二次諧波失真;另一個是輸入失配并且按照一定的增益放大這種失配(在高增益情況下,失配更加嚴重,并且放大寄生非線性作用),通常將這種情況看作三次諧波失真。

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