转换器模拟输入：高速 ADC 前端设计的挑战和 权衡因素

作者：ADI公司 Rob Reeder

关于模数转换器(ADC)前端设计，首先必须声明：它是一门艺术。如果日常工作中不在实验室动手操作，不注意放大器和变压器（巴伦）的最新技术趋势，那么前端设计，特别是高频(>100MHz IF)下的前端设计可能非常困难。大部分设计人员都会把数据手册或应用笔记的设计作为起点，但相对于设计人员真正要实现的目标，这些设计所提供的信息可能并不完整。这篇文章的意图不是要给出一个关于高速ADC前端设计的“公式”，而是要说明，利用变压器或放大器优化设计时有许多因素需要权衡。转换器及其拓扑结构有许多类型，本文针对的是采样速率为10MSPS或更高的缓冲型和无缓冲（开关电容）型高速流水线架构。前端是确定转换器接收并采样的信号或信息质量的关键部分。在设计中，如果对这最后一级重视不够，则会对应用的性能产生不利影响。通过了解前端设计的权衡因素，设计人员可以采样一些或所有这些方法来帮助开发基带、带通（即超奈奎斯特频率）或宽带转换器应用的高性能前端。

了解前端要实现的目标

首先考虑转换器前端设计需要实现哪些目标。这一点再怎么强调也不过分，因为许多设计欠缺这方面的考虑。大多数转换器的选择依据是采样速率、全功率带宽、功耗、数字输出拓扑结构、通道数和其它相关特性是否适合特定应用。其中的大部分特性被认为是转换器的额定限制。例如，如果采样速率超过转换器的最大采样速率，则会对性能产生不利影响。因此，我们假设在所有情况下，转换器均在时钟规格和其它任何额定规格的范围内工作，转换器不是前端设计过程的限制因素。

选定ADC之后，就必须了解在系统设计规定的条件下，设计高性能前端时需要注意的基本要素。人们发现，对于所有转换器前端设计，有七个参数至关重要，它们是：输入阻抗、VSWR、通带平坦度、带宽、SNR、SFDR和输入驱动电平。当设计人员权衡各种因素以优化设计时，这些参数可以起到指导作用。

输入阻抗是设计或负载的额定特征阻抗。大多数情况下，它为50 Ω。但在某些情况下，可能会呈现不同的设计。使用变压器时，输入阻抗负载指原边的整个变压器耦合网络，包括转换器。使用放大器时，阻抗负载仅指放大器的输入端。放大器输出与转换器输入之间的匹配以其它方式完成，通常包括抗混叠滤波器(AAF)。无论何种情况，都可以使用不同的特征阻抗负载，并且应当匹配。设计的带宽越高，则这一特性越重要。

VSWR（电压驻波比）是一个无量纲参数，反映的是在目标带宽内，有多少功率被反射到负载中。此参数还与输入驱动电平有关。如果网络的VSWR 较高(>1.5)，则实现转换器满量程所需的增益或驱动能力越高。同样，设计的带宽越高（损耗越多），则这一特性越重要。

通带平坦度通常指额定带宽内容许的波动/纹波量。它可以是纹波效应或AAF 滤波器的滚降特性。无论何种情况，这一参数通常均用dB（1 dB的十分比）表示，它对于在目标频率范围内设置整体系统增益十分重要，参见图1。

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