宽带ADC_变压器耦合前端设计

Analog Dialogue 39-40,April (2005) http://www.analog.com/analogdialogue 1 宽带 A D C 变压器 耦合前端 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 Rob Reeder（rob.reeder@analog.com） 引言 对于高中频采样，模数转换器（ADC）的模拟输入和整个前端 电路的设计已经成为接收机设计至关重要的部分。许多应用都 正在向采用高奈奎斯特中频采样的方向发展，以减少系统设计 中的下变频的阶数。放大器在高频情况下出现了问题，因为放 大器在通常应用中所要求的高性能在奈奎斯特应用中很难达 到。此外，不论采用的输入频率如何，放大器固有的噪声会降 低 ADC的信噪比（SNR）。变压器可为设计工程师提供一种相 当简单的解决噪声问题的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，同时为高频输入提供一种 很好的耦合方法。 变压器 让我们看一下变压器的基本组成并且 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 它为用户提供的功 能。首先，变压器本身是交流（AC）耦合，因为它是电流隔离 所以不通过直流（DC）信号。它可为设计工程师提供基本上 无噪声增益，这取决于设计工程师所选择的匝数比。变压器还 可提供一种将单端输入转换为差分输出快速简单的方法。最 后，中心抽头变压器允许自由设置任意共模电压幅度。这些优 点的结合减少了前端设计中元件的数量，这对最大程度降低复 杂性至关重要。 然而，当使用中心抽头变压器时应谨慎。如果 ADC电路在差分 模拟输入之间存在很大的不平衡性，则会有大量电流流过变压 器的中心抽头，这样可能会导致铁芯饱和。例如，如果使用 VREF 驱动变压器的中心抽头时就会导致不稳定性，并且使用满量程 模拟信号过度驱动 ADC的输入，从而会开启保护二极管。 虽然变压器表面看起来简单，但其不容低估。关于变压器有许 多知识需要掌握和了解。现在介绍一种简单的变压器模型和其 “内部结构”。我们先介绍两个表示理想变压器两端电流和电压 的简单公式，如图 1所示。当用变压器升压时，其阻抗负载会 反馈回输入端。匝数比 a = N1/N2定义了主级电压与次级电压 之比；对应的电流应是次级电流与主级电流之比（a = I2/I1）， 从次级返回到主级看到的阻抗之比为匝数比的平方（Z1/Z2 = a2）。变压器的信号增益可简单地表示为 20log (V2/V1) = 20 log √(Z2/Z1)，因此 3dB电压增益变压器的阻抗比是 1:2。这会 使设计的第一步简单易行。 图 1b 示出了实际使用的变压器偏离理想变压器的一些固有参 数和寄生参数。其中每一种参数都会对确定变压器的频率相响 应起作用。它们可能有助于提高性能，也可能会降低性能，主 要取决于前端电路的设计。图 1b 提供了一种对变压器建模的 好方法，以获得一级近似。有些制造商通过他们的网站或技术 支持团队提供一些模型信息。任何打算使用硬件进行模型 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 的工程师都需要网络分析仪和几个样片以适当地完成各种参 数测量。 实际的变压器有损耗并且带宽受限制。由于存在寄生效应，因 此您可以将变压器看作宽带带通滤波器，其带宽根据-3dB带宽 定义。大多数制造商用 1dB、2dB和 3dB带宽规定变压器的频 率响应。幅频特性与相频特性相伴。通常一款好的变压器在其 全部频率带宽内的相位不平衡为 1％～2％。 我们现在考虑一些设计样例，例如用于 ADC 的变压器耦合前 端设计。由于变压器主要用于隔离和中心抽头，因此我们使用 1:1匝数比以便简化对这些样例的讨论。 设计样例 在第一个样例（见图 2）中，使用 AD66451 14bit、80 MSPS ADC，其差分输入阻抗为 1kΩ。其中 33Ω 的串联电阻器用来 隔离 ADC 输入电路中的瞬态电流。选用 501Ω 的终端电阻器 以使 50Ω主级等效输入阻抗与 50Ω模拟输入阻抗相匹配。因 此 变压器次级的复合阻抗与并联的 58Ω电阻器等效。终端电阻器 的选择取决于所期望的输入阻抗。为简单起见，假设这部分的 所有样例都需要与 50Ω输入阻抗相匹配。 图 1a. 变压器的输入和输出参数 图 1b. 典型的变压器模型 图 2. 50Ω输入阻抗与已知输入阻抗 ADC 耦合的 1:1变压器 2 Analog Dialogue 39-40,April (2005) 这个样例很简单，因为我们假设输入频率在基带或者第一奈奎 斯特区。然而，如果要求前端设计处理 100 MHz的模拟输入， 情况会完全不同。变压器会发生什么变化？当施加这样的高 IF 频率模拟输入时，寄生电容耦合（图 1b 中 C2～C5）的任何 偏差都会使变压器的次级输出失去平衡。所产生的不对称性会 增加 ADC 模拟输入的偶次谐波失真，从而在数字信号中产生 二阶谐波失真。 为了说明这一点，图 3示出当 2 V峰峰值（p-p）正弦输入（图 3a中为 100MHz，图 3b中为 200MHz）施加到变压器主级时 在次级观察到的电压波形。每幅图中的次级输出预期产生 1 V p-p的正弦波。但在 100MHz时，产生 10.5 mV p-p幅度偏差 和 0.5o的相位失衡；在 200 MHz时，产生 38 mV p-p幅度偏 差，是 2V p-p的 1.9％。 图 3a. 100 MHz输入。变压器次级输出仿真：AIN+ (绿色) = 1.364 V p-p，AIN– (红色) =1.354 V p-p，偏差= 10.45 mV p-p 图 3b. 200 MHz输入。变压器次级输出仿真：AIN+ (绿色) = 1.385 V p-p，AIN– (红色) = 1.347 V p-p，偏差=37.72 mV p-p 改进这种状况的一种方法是在第一级变压器前面级联第二级 变压器，以增加隔离度并且减小电容馈通引起的偏差（见图 4）。 图 4. 级联变压器 采用这种方案，由于对 ADC 施加差分电压可能减小两端之间 的偏差，特别是在高频输入尤为重要。图 5说明了这点：减小 了第一级变压器次级的寄生耦合电容 C1 和 C2 引起的偏差。 级联的第二级变压器重新分布铁芯电流损耗并且为第二级变 压器的主级提供更均衡的信号。按照这种配置级联的两级变压 器可为高频应用提供更均衡的解决方案。 图 5. 级联的两级变压器可提高信号均衡性 从图 6 的仿真中可以看到这种性能改进。在图 6a 中，模拟输 入为 100 MHz，偏差下降到 0.25 mV p-p，或 0.013％。模拟 输入为 200 MHz（见图 6b）时，变压器的次级输出仅有 0.88 mV p-p 的偏差，或 0.044％。这是由于增加一级变压器带来的显 著性能改进。 图 6a . 100 MHz输入。变压器次级输出仿真：AIN+ (绿色) = 1.25 V p-p，AIN– (红色) = 1.25 V p-p，偏差 = 0.25 mV p-p Analog Dialogue 39-40,April (2005) 3 图 6b. 200 MHz输入。变压器次级输出仿真：AIN+ (绿色) = 1.298 V p-p，AIN– (红色) = 1.298 V p-p，偏差 = 0.88 mV p-p 解决这个问题的另外一种方法是使用双平衡-不平衡型变压器 （balun）配置。Balun的作用类似一根传输线，而且其带宽通 常比前面讨论的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 磁通量型变压器宽。它们可为主级和次级 之间很好的隔离提供相当低的损耗。但是它们需要提高驱动功 率，因为从主级到次级的输入阻抗减半。图 7a 示出一种为达 到宽通带所采用的常见设计。图 7b 示出对不平衡进行预补偿 balun型变压器。 频率响应峰化 图 8a示出一种典型变压器的频率响应，实质上是带宽超过 100 MHz的宽带滤波器。可使用一个与变压器主级串联的电感器改 变变压器的带宽响应，它使通带内的增益增达到最大同时使通 带外的增益急剧下降见图 8b）。该电感具有增加传递函数中的 零和极点的作用。 图 8a. 典型变压器的频率响应 图 8b. 串联电感器的典型变压器的频率响应 图 7a. 采用双不平衡类型变压器构成的变压器耦合输入 图 7b. 采用带补偿的不平衡类型变压器构成的变压器耦合输入 4 Analog Dialogue 39-40,April (2005) 图 9示出图 2电路加入串联电感。电感值取决于要求的峰化程 度和带宽。然而，设计工程师应该注意到幅频响应平坦和相频 响应性能良好的重要原则在这里对频率响应峰化是不适合的。 图 9. 增加的电感器补偿 1:1 变压器 50 Ω输入阻抗 和已知 ADC输入阻抗 开关电容输入 ADC 这里我们仅讨论与已知输入阻抗 ADC的连接，以 AD6645-80 为例。那么什么是具有开关电容器接口的 ADC？开关电容输入 ADC没有内部缓存器，因此用户可以直接与其内部采样电路连 接 - 内部采样电路有一个随施加的输入频率变化范围很宽的 输入阻抗。在图 10中，表示出了 AD9236-802在 10MHz模拟 信号输入下的阻抗特性。在跟踪（采样）模式下，其输入阻抗 相当于一个 4,135 Ω差分阻抗与 1.9 pF电容器在并联。但在 保持模式下情况则不同。应用笔记（Application Notes） AN-7423可提供有关这些模拟输入阻抗值的详细信息。ADI 公 司许多开关电容输入ADC的数据可从ADI公司网站ADC产品 页以电子表格形式下载，可给出 0.3 MHz～1 GHz频率范围的 跟踪保持值。 图 10. 开关电容器前端设计 200 nH的串联电感用来抵消从 ADC输入端返回输入电容器的 输出电抗，从而使输入尽可能呈现阻性以便在有用频段内提供 优良的 50 Ω终端。请注意可以使用其它电感值设置要求的带 宽和增益均匀性，见图 8b。 这里讨论的所有样例都使用 1:1的匝数比（阻抗比）。因此变压 器可提供微乎其微标称 0 dB 电压增益。这是最容易配置的变 压器类型，因为其寄生效应很容易了解和对其补偿，。然而， 有些输入信号幅度很低应用可能需要内部电压增益。如果采用 1:2或 1:4匝数比（4或 16阻抗比），则变压器可分别提供 6 dB 或 12 dB的电压增益。 不像放大器，前端设计中使用变压器的优势是变压器基本上不 产生噪声。然而，1:2 或 1:4 变压器对其寄生效应进行补偿要 比放大器困难得多，特别是在宽频率范围内。例如一个 1:2匝 数比的变压器，电容增长到四倍而电感和电阻下降为原来的四 分之一。对于一个 1:4匝数比的变压器，对应指标上升或下降 因子为 16。当这两种变压器与开关电容器输入 ADC连接时难 度更大，因为这两种变压器的电容都很大并且随频率变化。考 虑到这些困难，保证这种设计的最佳方法是优化给定带宽内有 用中心频率的指标。 结论 一位有经验的设计工程师应该注意到我们的讨论主要集中在 理想电路的关系，同时暗示了匝数比和寄生效应问题 - 以及一 些处理这两个问题的体系结构方法 - 我们仅仅是略过表面现 象。因此当实现新设计时需要做什么？设计工程师需要尽可能 多了解为设计选用的变压器与 ADC 之间的关系。任何前端电 路设计中完成这项任务的最佳方法是研究寄生效应在有用频 率范围内产生的影响。合理的设计和分析包括使用网络分析 仪。它可给出前端设计在与阻抗、电压驻波比（VSWR）、插 入损耗和微分相位误差有关的给定频率范围内的工作情况 - 从而可提供许多有关变压器耦合应用中 ADC 如何工作的重要 信息。 深入阅读文献 Atmel Corporation, Application Note, “Single-to-Differential Conversion in High-Frequency Applications.” Biernacki, Janusz and Dariusz Czarkowski, “High-Frequency Transformer Modeling,” Proceedings IEEE International Symposium on Circuits and Systems, May 2001, pp. 676-679. Breed, Gary A., “Transmission Line Transformer Basics,” Microwave & Wireless, p. 60. Hazen, Mark E., Experiencing Electricity & Electronics, Saunders College Publishing, 1989, p. 700. M/A-Com, TP-101 Data Sheet. Mini-Circuits, ADT1-1WT Data Sheet. Pulse Engineering, Inc., CX2039 Data Sheet. Reeder, Rob, A Front End for Wideband A/D Converters, EE Times, 3/28/2005. Reeder, Rob, Application Note AN-742: “Frequency Domain Response of Switched-Capacitor ADCs,” Analog Devices, Inc., 2004. Sevick, Jerry, “Design of Broadband Ununs [baluns] with Impedance Ratios Less Than 1:4,” High-Frequency Electronics, pp. 44-51. 致谢 非常感谢 Itisha Tyagi和Ramya Ramachandran帮助收集实验 室的数据，也非常感谢 Jim Hand和 Brad Brannon为写作这篇 文章提供的技术经验和指导。 在线参考文献 - 从 2005年 4月开始有效 1 http://www.analog.com/en/prod/0,2877,AD6645,00.html 2 http://www.analog.com/en/prod/0,2877,AD9236,00.html 3 http://www.analog.com/UploadedFiles/Application_Notes/95 9283464AN742.pdf