高速射频AD转换器前端设计

AC性能比较权衡
在将巴伦、LNA和FDA与TRF1208等单端转差分(S2D)放大器进行比较时，重要的是要搞清楚设计宽带、高性能模数转换器(ADC)接口时所涉及的指标。如果提前考虑好的话，以下五个指标可以有助于使设计不出问题：

• 输入阻抗或电压驻波比(VSWR)：该参数是一个无量纲参数，它显示在有用带宽内有多少功率被反射到负载中。网络输入阻抗是负载的特定值，通常为50Ω。
• 带宽：系统中的起始和截止频率，通常距某个参考点–3dB。
• 通带平坦度：通常定义为指定带宽内可容忍的波动量或纹波量。例如，1.0dB或+5dB。这些可以或多或少地用斜率定义。
• AC性能中，对于单音来说，信噪比(SNR)和无寄生动态范围(SFDR)很重要;而对于双音而言，非常重要的却是三次互调失真(IMD3)。
• 输入驱动电平：该参数是带宽、输入阻抗和VSWR的函数。该电平确定转换器满量程输入信号所需的增益或幅度。它高度依赖于前端组件——巴伦、放大器和抗混叠滤波器——并且可能是最难实现的参数之一。

需要明确的是，这些指标概括了整个前端接口设计，而不仅仅是ADC。事先考虑好这些指标，将有助于在有源或无源前端之间做出正确选择。
实际上，只需对前端带宽、输入驱动和交流性能(SNR和SFDR)的各频率进行扫描，即可快速评估整体前端设计的差异。
观察以下五种不同的前端设计，对这些指标进行比较权衡，如图1所示。
图1：分别基于一个巴伦、一个LNA、一个巴伦加FDA、一个单端FDA和TRF1208放大器的五种前端设计。资料来源：德州仪器
接下来，图2显示了在频率高达10GHz的频段上输入带宽和输入驱动电平的权衡。对于每款设计，都考虑其前端带宽(–3dB带宽)和1.4GHz频率上达到–6dBFS所需的输入驱动电平。例如，查看TRF1208数据，只需–16dBm输入信号即可达到ADC满量程值的–6dBFS。然而，使用宽带巴伦时却大约需要+1dBm才能达到相同的水平。两者之间，信号强度相差17dBm。巴伦和宽带接口网络会产生损耗，因此会提高整个信号链的噪声系数。位于下面的迹线显示巴伦会产生损耗，而LNA和FDA前端设计也是如此，其中包括用于S2D信号转换的巴伦。
图2：五种前端设计各自的频率响应。
图2显示出从大约DC到8GHz的通带平坦度。尽管所有前端设计都可以达到8GHz，但每个设计都有需要应对的不同的峰值和谷值。平心而论，可以根据输入网络值的变化以及设计的最终要求来微调这些峰值和谷值。
巴伦本身有损耗，因此宽带巴伦接口需要更高的信号驱动电平，为了在ADC输出上实现-6dBFS，巴伦初级端的信号电平需高达+1dBm。由于所有其他比较对象都使用了有源放大器件(所有这些器件都具有各种固有增益)，因此所需的输入驱动电平将大大降低：从–5dBm到–16dBm。可以进行进一步的分析和前端设计，来“平衡”增益和输入网络损耗。与此同时，在深入了解交流性能之前，这些信息确实让设计师对预期结果提前有所了解。
SNR和SFDR
在相同带宽上进行频率扫描可捕获SNR、SFDR和IMD3性能。这些是典型的标准测试，用于在设计高速转换器时进行比较权衡。
图3显示了各种架构之间的SNR权衡。
图3：五种前端设计的SNR值。
将紫色曲线视为基准性能，可以看到宽带巴伦接口在转换器的整个带宽内的SNR性能最佳。代表LNA方法的绿色曲线排在第二位，虽然这些类型的有源器件通常具有非常低的噪声系数，还是增加了大约1dB到2dB的噪声。FDA排在第三位，因为它的宽带噪声比LNA高，却比TRF1208低。在单端输入架构中使用FDA时，共模噪声消除是一个小问题，因为在输入端其固有设计期望的是全差分信号。使用这种类型的架构会对SNR稍微带来一些影响。
TRF1208排在最后。其输出噪声最大，因为它具有比FDA更高的增益。请记住，较高的有源增益将会放大器件自身产生的噪声。例如，当模拟输入信号为2GHz时，TRF1208的增益为16dB，在–166.7dBm/Hz时的噪声系数等于8dB，导致输出噪声为–150.7dBm/Hz。而FDA的增益等于10dB(S2D)，在–163.3dBm/Hz时的噪声系数等于11dB，导致的输出噪声为–153.3dBm/Hz。
所有设计所配置的带宽都会尽可能宽，如图2所示。在任何有源设计中，通过在放大器输出和ADC输入之间使用抗混叠滤波器来降低带宽，将有助于降低有用频带之外的宽带噪声。它还有助于降低转换器接收的噪声，从而将SNR推回到基准性能，如图1所示(WB Balun+5200RF ADC)。
图4显示了各种前端配置在10GHz频率范围内进行线性扫描得到的SFDR动态范围。SFDR是一种单音测量，可以很好地观察有用频段内的任何谐波(二次、三次、四次谐波)。
图4：五种前端设计的SFDR值。
再次查看作为基准性能的紫色曲线，可以发现宽带巴伦接口将在转换器的整个带宽内实现的SFDR最佳。代表LNA的绿色曲线显示性能最差，尤其是在高达5GHz以下的较低频段，这是因为LNA的单端特性所致，因为偶次失真(HD2)将始终是主要谐波分量。HD2最终会落到ADC带宽之外。
当前端使用差分时，在0.5至3.5GHz范围内，FDA中的主要谐波分量为三次谐波。使用单端方法时，在0.5至5GHz范围内，主要分量则明显为偶次谐波。
图中发现，TRF1208的FDA性能一直与无源基准前端一致，这说明了为什么在宽带前端需要有源器件时，该放大器是首选的原因。
双音测量
另一种常见的转换器测试指标是双音测量，不过会导致IMD3或三次互调失真增加，并快速仿真实际应用系统中的信号。简而言之，双音测量有效评估同时注入前端接口的两个信号。通常将这两个信号相互偏移10MHz，并被放大到相同的电平，或者均为–7dBFS。图5所示为IMD3+(2×F1+F2或2×F2+F1)分量。为便于说明性能差异，图中不包括IMD3–(2×F1–F2或2×F2–F1)分量。
图5：五种前端设计中的IMD3+。
紫色曲线再次作为基准性能，可以看到宽带巴伦接口将在转换器的整个带宽内产生的IMD3性能最佳。代表LNA的绿色曲线显示出性能相对于宽带巴伦接口的下降。相对于基准，代表FDA接口的蓝色和黑色曲线的性能也有所下降，最高可达5GHz。在整个频率扫描范围内，TRF1208与无源基准前端保持一致。同样这也说明在宽带前端需求方面，为什么说该放大器是首选的原因。
此外， FDA评估需要用两个电源，其中一个为负电源;为了保持低噪声，功耗仅为1.8W。这是一种经典设计方法，一方面降低噪声，同时增加了放大器的动态范围，以便使设计能够提供更高功率。其中，LNA功耗最小，仅0.275W，采用5V单电源。TRF1208亦采用5V单电源供电，而功耗为0.675W。
本文对如何克服ADC模拟前端接口设计的缺陷提供快速入门指南，并提供一些有用且熟悉的设计比较，并介绍新型TRF1208差分放大器。对于任何新的宽带前端设计，建议提前仔细评估各项指标，并作出权衡。要注意相位平衡，因为失衡时，如果有用频率中含有偶次谐波，可能会造成严重影响。巴伦和放大器设计性能各具优缺点，重要的是要会权衡取舍，并做出明智的选择。
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