《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高速ADC的無緩沖式架構(gòu)選擇
摘要: 如今,高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的種類和供應(yīng)商眾多,,要選擇一款合適的產(chǎn)品可能并非易事,。當(dāng)您縮小搜索范圍后,最終的抉擇往往是選取緩沖型還是無緩沖型(開關(guān)電容)轉(zhuǎn)換器,。尺寸和功耗受限的應(yīng)用通常傾向于無緩沖型,。無論做何選擇,都可以找到許多相關(guān)的文章,,提醒您注意模擬輸入接口問題,,特別是在較高的中頻頻率下。
Abstract:
Key words :
  如今,,高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的種類和供應(yīng)商眾多,,要選擇一款合適的產(chǎn)品可能并非易事。當(dāng)您縮小搜索范圍后,,最終的抉擇往往是選取緩沖型還是無緩沖型(開關(guān)電容)轉(zhuǎn)換器。尺寸和功耗受限的應(yīng)用通常傾向于無緩沖型,。無論做何選擇,,都可以找到許多相關(guān)的文章,提醒您注意模擬輸入接口問題,,特別是在較高的中頻頻率下,。

  在信號鏈中使用ADC的根本目的,,是在設(shè)計(jì)中以及最終在系統(tǒng)層次上實(shí)現(xiàn)最佳的動態(tài)范圍、噪聲特性(信噪比或SNR)和線性度(無雜散動態(tài)范圍或SFDR),。本文首先將闡述緩沖型與無緩沖型ADC的區(qū)別(優(yōu)缺點(diǎn)),,然后討論原始無緩沖ADC內(nèi)部采樣網(wǎng)絡(luò)的反沖(一般稱為“電荷注入”),以及如何驅(qū)動無緩沖型ADC,。最后,,本文將說明構(gòu)建適當(dāng)抗混疊濾波器(AAF)所需的特殊模擬輸入接口設(shè)計(jì)要求,并給出一個(gè)范例,。

  我是否需要使用無緩沖型ADC?

  緩沖型與無緩沖型ADC之間存在很大差異,。緩沖型的優(yōu)點(diǎn)比較直觀,緩沖器將模擬接口電路與內(nèi)部開關(guān)電容采樣工作隔離開來,,這就為ADC驅(qū)動器提供一個(gè)受控的輸入阻抗,,瞬態(tài)效應(yīng)(一般稱為“反沖”)大大減弱。反沖或電荷注入是指當(dāng)ADC的內(nèi)部采樣開關(guān)斷開和閉合時(shí),,殘余電荷被送回到輸入信號中,。

  緩沖器帶來的這些好處可以在一定程度上簡化模擬接口設(shè)計(jì),并且支持更高的輸入帶寬,。然而,,緩沖器的缺點(diǎn)也是存在的,盡管不太明顯,。緩沖器通常需要較高的電源電壓,,這會帶來額外的電源設(shè)計(jì)問題。ADC的噪聲和線性度也會受到影響,,因此在電源方面,,整體ADC設(shè)計(jì)大受影響。

  在系統(tǒng)層次上,,多數(shù)高速ADC的輸入采用放大器驅(qū)動,。因此,在常見的信號鏈應(yīng)用中,,緩沖器的電源有點(diǎn)多余,。如果模擬接口電路和放大器設(shè)置為直接驅(qū)動采樣網(wǎng)絡(luò),而不使用緩沖器,,則整個(gè)系統(tǒng)可以得到更好的優(yōu)化,。問題是如何處理提供給驅(qū)動器電路的原始采樣電容的電荷(反沖)。

  去掉緩沖器是多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師傾向做出的妥協(xié),,因?yàn)榭梢灶~外節(jié)省功耗,,但這樣一來,設(shè)計(jì)師必須面對一個(gè)棘手的任務(wù)——在轉(zhuǎn)換器與放大器之間提供一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)的模擬接口。不用怕,,因?yàn)榧词篃o緩沖型轉(zhuǎn)換器的阻抗隨著采樣狀態(tài)(跟蹤模式與保持模式)和中頻頻率而變化,,但該設(shè)計(jì)在最終應(yīng)用中仍將有效。您只需在利用無緩沖型ADC進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),,認(rèn)真遵守一些注意事項(xiàng),。

  了解抗混疊問題

  ADC是信號鏈中的一項(xiàng)值得注意的模擬功能。無論所選ADC是緩沖型還是無緩沖型,,驅(qū)動放大器與轉(zhuǎn)換器之間都需要一個(gè)適當(dāng)?shù)腁AF設(shè)計(jì),,用以降低寬帶噪聲和雜散。相比于傳統(tǒng)線性模塊(如混頻器和放大器等),,ADC具有一些非常獨(dú)特的特性,,其中之一是混疊。

  混疊是指所有頻率成分“折疊”到基帶或第一奈奎斯特區(qū),。如果在所需信號帶寬(目標(biāo)奈奎斯特區(qū))外有不需要的雜散和噪聲,,混疊就會造成問題。為此,,一般會在ADC輸入端之前使用一個(gè)抗混疊濾波器,。驅(qū)動放大器、抗混疊濾波器和ADC內(nèi)部的采樣網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)緊密交織的系統(tǒng),,可以對其進(jìn)行優(yōu)化以有效滿足大多數(shù)應(yīng)用的要求,,您只需要知道一些訣竅就能成功。

  第一步是確定抗混疊濾波器的要求,,包括阻帶抑制曲線和通帶紋波要求,。這些要求一般由帶外成分決定,必須防止帶外成分混疊到目標(biāo)頻段內(nèi),。目標(biāo)是確定可以實(shí)現(xiàn)并且仍能滿足要求的最小濾波器階數(shù),,使元件數(shù)量最少,整體系統(tǒng)復(fù)雜度最低,。為便于討論,,假設(shè)使用無源LC濾波器。

  一旦確定濾波器后,,下一步便是設(shè)置模擬接口的阻抗,。較低的阻抗對ADC有利,因?yàn)樗o采樣網(wǎng)絡(luò)帶來的驅(qū)動阻抗較低,,但不利于驅(qū)動放大器,。這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)中很關(guān)鍵。多數(shù)驅(qū)動放大器設(shè)置為驅(qū)動大約75 Ω的阻抗(單端),,這是AAF設(shè)計(jì)的一個(gè)良好開端,。

  無論何種階數(shù)或類型,,LC濾波器在ADC輸入端應(yīng)有一個(gè)并聯(lián)電容,,此電容對濾波器與ADC的接口至關(guān)重要,。該并聯(lián)電容充當(dāng)?shù)谝痪彌_器,緩沖來自無緩沖型ADC的反沖電荷,。電容越大,,則對電荷反沖的抑制越好,ADC驅(qū)動性能也就越高,。記住,,可以在AAF中調(diào)整阻抗,以優(yōu)化ADC性能和/或放大器性能,。

  影響LC濾波器驅(qū)動無緩沖開關(guān)電容高速ADC的另一個(gè)因素是濾波器的輸出阻抗Q,。濾波器驅(qū)動ADC的采樣網(wǎng)絡(luò),所以,,該輸出阻抗是ADC驅(qū)動阻抗的一部分,。如果濾波器驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)的Q太高,則ADC內(nèi)部采樣網(wǎng)絡(luò)的電荷反沖會在模擬輸入端引起響鈴振蕩,。這種振蕩如果沒有在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)消失,,就會造成額外的失真。

  多數(shù)ADC模擬接口設(shè)計(jì)實(shí)際上是集總元件網(wǎng)絡(luò),,而不是匹配系統(tǒng),。這種“中頻片”成為“匹配”與集總元件分析——轉(zhuǎn)換器的“可用”帶寬、并聯(lián)電容要求,、去Q,、波長和走線長度限制——之間的過渡。了解這些變量后,,我們將有多種不同的AAF權(quán)衡和設(shè)計(jì)方法可以考慮,。

  AAF設(shè)計(jì)示例

  大多數(shù)模擬接口可以利用驅(qū)動放大器之后的LC抗混疊濾波器來設(shè)計(jì)。輸入頻率使得系統(tǒng)可以作為集總元件電路進(jìn)行分析,,而不涉及到阻抗匹配問題,。只要信號路徑距離小于模擬輸入波長的1/10,集總元件模型就是充分有效的,。即使信號路徑距離較長,,通常也不要求阻抗匹配。然而,,較長的信號路徑距離會帶來其他問題,。

  板走線路徑會將寄生電感和電容引入LC濾波器。這可以通過濾波器設(shè)計(jì)來處理,,即改變?yōu)V波器元件值,,以補(bǔ)償印刷電路板(PCB)的寄生效應(yīng),。關(guān)鍵問題是要讓抗混疊濾波器的最終并聯(lián)電容盡可能靠近ADC輸入端,從而使采樣網(wǎng)絡(luò)中的電感最小,,以免因?yàn)槟M接口的時(shí)鐘性質(zhì)而引起響鈴振蕩,。

  為了說明這一點(diǎn),考慮一個(gè)簡單的二階LC AAF設(shè)計(jì),,它包括一個(gè)串聯(lián)電感,、并聯(lián)電容和端接電阻,因而該濾波器部分的傳遞函數(shù)如下:

  其通用二階形式為:

  如果讓這兩個(gè)傳遞函數(shù)的系數(shù)相等,,可以得到:

  并且:

  對于大多數(shù)應(yīng)用,,帶寬和濾波器類型是固定的設(shè)計(jì)參數(shù)(本例為巴特沃茲型)。單憑這兩個(gè)參數(shù)并不能確定濾波器設(shè)計(jì),,最終的決定參數(shù)是阻抗水平,,即濾波器的阻抗可以調(diào)整,以便有利于ADC驅(qū)動或放大器負(fù)載,。

  假設(shè)帶寬為200 MHz,,濾波器類型為二階巴特沃茲響應(yīng)。放大器設(shè)計(jì)驅(qū)動150 Ω負(fù)載,,因此R = 150 Ω,、L = 155 nH、C = 4 pF,。然而,,如果4 pF并聯(lián)電容不足以緩沖電荷反沖,則可以加大放大器的負(fù)載為代價(jià),,降低AAF阻抗,,反之亦然。

  從實(shí)際考慮,,AAF設(shè)計(jì)還存在其他限制,,如電路板物理布局布線等。例如,,有時(shí)可能無法讓放大器與ADC靠得非常近,,這樣一來,電路板布線就成為AAF設(shè)計(jì)的一部分,。走線路徑會增加額外的串聯(lián)電感和電容,,從而影響濾波器的響應(yīng)。

  這可以通過選擇適當(dāng)?shù)脑硖幚?,即降低電感值,,讓電路板走線來補(bǔ)償實(shí)際的AAF電感值。這樣,,設(shè)計(jì)的最重要部分就是在不違背制造規(guī)則的前提下,,讓并聯(lián)電容盡可能靠近ADC輸入端,,因?yàn)樵撾娙菀?ldquo;緩沖”電荷反沖(參見下圖)。

  長走線的等效電路實(shí)際上會反映一些寄生電感,??紤]上面的等效電路,它看起來像是一個(gè)不同的RLC模型,。因此,,這里的目標(biāo)是盡量降低電路中的額外走線電感“L”,,從而使可能發(fā)生的反沖響鈴振蕩最小,,以免產(chǎn)生失真和/或不同的濾波器曲線。這只是一個(gè)例子,,說明放大器,、AAF和ADC需要緊密配合才能使信號鏈有效工作。

  結(jié)束語

  高速ADC無論采用緩沖式架構(gòu),,還是采用無緩沖式架構(gòu),,都有各自的理由。無緩沖型高速ADC可能需要更復(fù)雜的模擬接口設(shè)計(jì),,但就功耗而言,,它可以給整體系統(tǒng)效率帶來很大的好處。無緩沖型ADC設(shè)計(jì)要求將模擬接口設(shè)計(jì)與采樣網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)整體考慮,,包括放大器,、AAF和ADC的內(nèi)部采樣網(wǎng)絡(luò)。對于大多數(shù)應(yīng)用,,只要認(rèn)真考慮上述變量,,就可以圓滿完成任務(wù)。



 

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