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高速射頻AD轉(zhuǎn)換器前端設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2023-06-26 來源:作者:ROB REEDER 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在將巴倫、LNA和FDA與TRF1208等單端轉(zhuǎn)差分(S2D)放大器進(jìn)行比較時(shí),重要的是要搞清楚設(shè)計(jì)寬帶、高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)接口時(shí)所涉及的指標(biāo)。


AC性能比較權(quán)衡


在將巴倫、LNA和FDA與TRF1208等單端轉(zhuǎn)差分(S2D)放大器進(jìn)行比較時(shí),重要的是要搞清楚設(shè)計(jì)寬帶、高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)接口時(shí)所涉及的指標(biāo)。如果提前考慮好的話,以下五個(gè)指標(biāo)可以有助于使設(shè)計(jì)不出問題:

  • 輸入阻抗或電壓駐波比(VSWR):該參數(shù)是一個(gè)無量綱參數(shù),它顯示在有用帶寬內(nèi)有多少功率被反射到負(fù)載中。網(wǎng)絡(luò)輸入阻抗是負(fù)載的特定值,通常為50Ω。

  • 帶寬:系統(tǒng)中的起始和截止頻率,通常距某個(gè)參考點(diǎn)–3dB。

  • 通帶平坦度:通常定義為指定帶寬內(nèi)可容忍的波動(dòng)量或紋波量。例如,1.0dB或+5dB。這些可以或多或少地用斜率定義。

  • AC性能中,對于單音來說,信噪比(SNR)和無寄生動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)很重要;而對于雙音而言,非常重要的卻是三次互調(diào)失真(IMD3)。

  • 輸入驅(qū)動(dòng)電平:該參數(shù)是帶寬、輸入阻抗和VSWR的函數(shù)。該電平確定轉(zhuǎn)換器滿量程輸入信號所需的增益或幅度。它高度依賴于前端組件——巴倫、放大器和抗混疊濾波器——并且可能是最難實(shí)現(xiàn)的參數(shù)之一。


需要明確的是,這些指標(biāo)概括了整個(gè)前端接口設(shè)計(jì),而不僅僅是ADC。事先考慮好這些指標(biāo),將有助于在有源或無源前端之間做出正確選擇。


實(shí)際上,只需對前端帶寬、輸入驅(qū)動(dòng)和交流性能(SNR和SFDR)的各頻率進(jìn)行掃描,即可快速評估整體前端設(shè)計(jì)的差異。


觀察以下五種不同的前端設(shè)計(jì),對這些指標(biāo)進(jìn)行比較權(quán)衡,如圖1所示。


高速射頻AD轉(zhuǎn)換器前端設(shè)計(jì)

圖1:分別基于一個(gè)巴倫、一個(gè)LNA、一個(gè)巴倫加FDA、一個(gè)單端FDA和TRF1208放大器的五種前端設(shè)計(jì)。資料來源:德州儀器


接下來,圖2顯示了在頻率高達(dá)10GHz的頻段上輸入帶寬和輸入驅(qū)動(dòng)電平的權(quán)衡。對于每款設(shè)計(jì),都考慮其前端帶寬(–3dB帶寬)和1.4GHz頻率上達(dá)到–6dBFS所需的輸入驅(qū)動(dòng)電平。例如,查看TRF1208數(shù)據(jù),只需–16dBm輸入信號即可達(dá)到ADC滿量程值的–6dBFS。然而,使用寬帶巴倫時(shí)卻大約需要+1dBm才能達(dá)到相同的水平。兩者之間,信號強(qiáng)度相差17dBm。巴倫和寬帶接口網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生損耗,因此會提高整個(gè)信號鏈的噪聲系數(shù)。位于下面的跡線顯示巴倫會產(chǎn)生損耗,而LNA和FDA前端設(shè)計(jì)也是如此,其中包括用于S2D信號轉(zhuǎn)換的巴倫。


高速射頻AD轉(zhuǎn)換器前端設(shè)計(jì)

圖2:五種前端設(shè)計(jì)各自的頻率響應(yīng)。


圖2顯示出從大約DC到8GHz的通帶平坦度。盡管所有前端設(shè)計(jì)都可以達(dá)到8GHz,但每個(gè)設(shè)計(jì)都有需要應(yīng)對的不同的峰值和谷值。平心而論,可以根據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)值的變化以及設(shè)計(jì)的最終要求來微調(diào)這些峰值和谷值。


巴倫本身有損耗,因此寬帶巴倫接口需要更高的信號驅(qū)動(dòng)電平,為了在ADC輸出上實(shí)現(xiàn)-6dBFS,巴倫初級端的信號電平需高達(dá)+1dBm。由于所有其他比較對象都使用了有源放大器件(所有這些器件都具有各種固有增益),因此所需的輸入驅(qū)動(dòng)電平將大大降低:從–5dBm到–16dBm??梢赃M(jìn)行進(jìn)一步的分析和前端設(shè)計(jì),來“平衡”增益和輸入網(wǎng)絡(luò)損耗。與此同時(shí),在深入了解交流性能之前,這些信息確實(shí)讓設(shè)計(jì)師對預(yù)期結(jié)果提前有所了解。


SNR和SFDR


在相同帶寬上進(jìn)行頻率掃描可捕獲SNR、SFDR和IMD3性能。這些是典型的標(biāo)準(zhǔn)測試,用于在設(shè)計(jì)高速轉(zhuǎn)換器時(shí)進(jìn)行比較權(quán)衡。


圖3顯示了各種架構(gòu)之間的SNR權(quán)衡。


高速射頻AD轉(zhuǎn)換器前端設(shè)計(jì)

圖3:五種前端設(shè)計(jì)的SNR值。


將紫色曲線視為基準(zhǔn)性能,可以看到寬帶巴倫接口在轉(zhuǎn)換器的整個(gè)帶寬內(nèi)的SNR性能最佳。代表LNA方法的綠色曲線排在第二位,雖然這些類型的有源器件通常具有非常低的噪聲系數(shù),還是增加了大約1dB到2dB的噪聲。FDA排在第三位,因?yàn)樗膶拵г肼暠萀NA高,卻比TRF1208低。在單端輸入架構(gòu)中使用FDA時(shí),共模噪聲消除是一個(gè)小問題,因?yàn)樵谳斎攵似涔逃性O(shè)計(jì)期望的是全差分信號。使用這種類型的架構(gòu)會對SNR稍微帶來一些影響。


TRF1208排在最后。其輸出噪聲最大,因?yàn)樗哂斜菷DA更高的增益。請記住,較高的有源增益將會放大器件自身產(chǎn)生的噪聲。例如,當(dāng)模擬輸入信號為2GHz時(shí),TRF1208的增益為16dB,在–166.7dBm/Hz時(shí)的噪聲系數(shù)等于8dB,導(dǎo)致輸出噪聲為–150.7dBm/Hz。而FDA的增益等于10dB(S2D),在–163.3dBm/Hz時(shí)的噪聲系數(shù)等于11dB,導(dǎo)致的輸出噪聲為–153.3dBm/Hz。


所有設(shè)計(jì)所配置的帶寬都會盡可能寬,如圖2所示。在任何有源設(shè)計(jì)中,通過在放大器輸出和ADC輸入之間使用抗混疊濾波器來降低帶寬,將有助于降低有用頻帶之外的寬帶噪聲。它還有助于降低轉(zhuǎn)換器接收的噪聲,從而將SNR推回到基準(zhǔn)性能,如圖1所示(WB Balun+5200RF ADC)。


圖4顯示了各種前端配置在10GHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行線性掃描得到的SFDR動(dòng)態(tài)范圍。SFDR是一種單音測量,可以很好地觀察有用頻段內(nèi)的任何諧波(二次、三次、四次諧波)。


高速射頻AD轉(zhuǎn)換器前端設(shè)計(jì)

圖4:五種前端設(shè)計(jì)的SFDR值


再次查看作為基準(zhǔn)性能的紫色曲線,可以發(fā)現(xiàn)寬帶巴倫接口將在轉(zhuǎn)換器的整個(gè)帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)的SFDR最佳。代表LNA的綠色曲線顯示性能最差,尤其是在高達(dá)5GHz以下的較低頻段,這是因?yàn)長NA的單端特性所致,因?yàn)榕即问д?HD2)將始終是主要諧波分量。HD2最終會落到ADC帶寬之外。


當(dāng)前端使用差分時(shí),在0.5至3.5GHz范圍內(nèi),F(xiàn)DA中的主要諧波分量為三次諧波。使用單端方法時(shí),在0.5至5GHz范圍內(nèi),主要分量則明顯為偶次諧波。


圖中發(fā)現(xiàn),TRF1208的FDA性能一直與無源基準(zhǔn)前端一致,這說明了為什么在寬帶前端需要有源器件時(shí),該放大器是首選的原因。


雙音測量


另一種常見的轉(zhuǎn)換器測試指標(biāo)是雙音測量,不過會導(dǎo)致IMD3或三次互調(diào)失真增加,并快速仿真實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中的信號。簡而言之,雙音測量有效評估同時(shí)注入前端接口的兩個(gè)信號。通常將這兩個(gè)信號相互偏移10MHz,并被放大到相同的電平,或者均為–7dBFS。圖5所示為IMD3+(2×F1+F2或2×F2+F1)分量。為便于說明性能差異,圖中不包括IMD3–(2×F1–F2或2×F2–F1)分量。


高速射頻AD轉(zhuǎn)換器前端設(shè)計(jì)

圖5:五種前端設(shè)計(jì)中的IMD3+


紫色曲線再次作為基準(zhǔn)性能,可以看到寬帶巴倫接口將在轉(zhuǎn)換器的整個(gè)帶寬內(nèi)產(chǎn)生的IMD3性能最佳。代表LNA的綠色曲線顯示出性能相對于寬帶巴倫接口的下降。相對于基準(zhǔn),代表FDA接口的藍(lán)色和黑色曲線的性能也有所下降,最高可達(dá)5GHz。在整個(gè)頻率掃描范圍內(nèi),TRF1208與無源基準(zhǔn)前端保持一致。同樣這也說明在寬帶前端需求方面,為什么說該放大器是首選的原因。


此外, FDA評估需要用兩個(gè)電源,其中一個(gè)為負(fù)電源;為了保持低噪聲,功耗僅為1.8W。這是一種經(jīng)典設(shè)計(jì)方法,一方面降低噪聲,同時(shí)增加了放大器的動(dòng)態(tài)范圍,以便使設(shè)計(jì)能夠提供更高功率。其中,LNA功耗最小,僅0.275W,采用5V單電源。TRF1208亦采用5V單電源供電,而功耗為0.675W。


本文對如何克服ADC模擬前端接口設(shè)計(jì)的缺陷提供快速入門指南,并提供一些有用且熟悉的設(shè)計(jì)比較,并介紹新型TRF1208差分放大器。對于任何新的寬帶前端設(shè)計(jì),建議提前仔細(xì)評估各項(xiàng)指標(biāo),并作出權(quán)衡。要注意相位平衡,因?yàn)槭Ш鈺r(shí),如果有用頻率中含有偶次諧波,可能會造成嚴(yán)重影響。巴倫和放大器設(shè)計(jì)性能各具優(yōu)缺點(diǎn),重要的是要會權(quán)衡取舍,并做出明智的選擇。

 

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