& & 对于模数转换器（ADC）前端设想，起首必需申明：它是一门艺术。假如平常工作中不在实验室下手操纵，不注意放大器和变压器（巴伦）的最新手艺趋向，那末前端设想，特别是高频（》100MHz IF）下的前端设想大概异常艰苦。大部分设想职员都会把数据手册或使用条记的设想作为终点，但相对设想职员真正要完成的目的，这些设计所供应的信息大概其实不残缺。这篇文章的用意不是要给出一个对于高速ADC前端设想的“公式”，而是要解释，应用变压器或放大器优化设想时有许多要素需求掂量。转换器及其拓扑布局有许多范例，本文针对的是采样速度为10MSPS或更高的缓冲型和无缓冲（开关电容）型高速流水线架构。前端是肯定转换器接受并采样的旌旗灯号或信息品质的关头部份。在设想中，假如对这最初一级看重不敷，则会对使用的功能发生晦气影响。经由过程懂得前端设想的掂量要素，设想职员能够采样一些或所有这些方法来赞助开辟基带、带通（即超奈奎斯特频次）或宽带转换器使用的高性能前端。本文分为两个部份，第一部份首要先容基础理论和观点；第二部份，则会给出前端设想详细的设想指南。
& & 起首思量转换器前端设想需求完成哪些目的。这一点再怎样夸大也不太过，由于许多设想短缺这方面的思量。大多数转换器的抉择根据是采样速度、全功率带宽、功耗、数字输入拓扑布局、通道数和别的相干特点是不是适宜特定使用。此中的大部分特点被认为是转换器的额外限定。比方，假如采样速度跨越转换器的最大采样速度，则会对功能发生晦气影响。是以，咱们假设在所有情况下，转换器均在时钟规格和别的任何额外规格的范围内事情，转换器不是前端设想进程的限定要素。
& & 选定ADC以后，就必须懂得在体系设想划定的条件下，设想高性能前端时需求注重的基础因素。人们发明，关于所有转换器前端设想，有七个参数相当首要，它们是：输出阻抗、VSWR、通带平整度、带宽、SNR、SFDR和输出驱动电平。当设想职员掂量种种因素以优化设计时，这些参数能够起到指示感化。
& & 输出阻抗是设想或负载的额外特性阻抗。大多数情况下，它为50Ω。但在某些情况下，可能会显现分歧的设想。应用变压器时，输出阻抗负载指原边的全部变压器耦合网络，包孕转换器。应用放大器时，阻抗负载仅指放大器的输出端。放大器输入与转换器输出之间的立室以其它体式格局实现，平日包孕抗混叠滤波器（AAF）。无论何种情形，都可以应用分歧的特性阻抗负载，而且应该立室。设想的带宽越高，则这一特点越首要。
& & VSWR（电压驻波比）是一个无量纲参数，反应的是在目的带宽内，有几何功率被反射到负载中。此参数还与输出驱动电平无关。假如网络的VSWR较高（》1.5），则完成转换器满量程所需的增益或驱动才能越高。异样，设想的带宽越高（消耗越多），则这一特点越首要。
& & 通带平整度通常指额外带宽内答应的动摇/纹波量。它可所以纹波效应或AAF滤波器的滚降特点。无论何种情形，这一参数通经常使用dB暗示（一般为1dB的十分之几），它关于在目的频次范围内配置团体体系增益非常首要，参见图1。
& & 带宽指体系所用的频次终点与起点之差，可窄可宽。带宽能够位于基带（fsample/2）或许遮盖转换器的多个奈奎斯特区。
& & SNR（信噪比）请求由团体体系的噪声电平设想抉择。普通而言，前端设想的带宽越高，则SNR功能越低，由于设计会继续采样无用的宽带噪声。变压器或放大器与转换器之间平日接纳AAF来完成最高的SNR功能。
& & SFDR（无杂散静态局限）请求由团体体系的静态局限抉择。二次和三次谐波失真一般为体系的最大限定要素。务必当真懂得此中之一或两者是若何引入的，假如超越转换器自身的线性度，则静态局限会紧张受限。
& & 输出驱动电平与带宽、输出阻抗和VSWR特点无关。它配置特定使用所需的体系增益，并高度依赖于所选的前端器件，即变压器、放大器和AAF，这使得驱动电平请求多是最难餍足的请求之一。
& & 因为需求餍足的参数云云之多，因此在睁开新设计时，所有参数都市从不同方面影响设想。掂量种种要素有时会异常艰苦，使人不知所措。一种要领是应用电子表格或图表，RADAR图是一种很好的可视化对象，如图2所示。在这种图上，各参数都有其本人的轴。设想职员能够灵巧地肯定各参数的比例，并在各轴上创建一个窗口。当所有设想参数均失掉餍足时，最靠近中央的设想将是最好抉择。
& & 开端新设计时，最早需求抉择同时也是最首要的参数是带宽。带宽为设想指明偏向，疏导设想职员开发通往胜利之路。本色上有三类前端可供抉择：基带型、带通或超奈奎斯特（偶然也称为窄带）型以及宽带型，如图3所示。详细抉择何种范例取决于使用。
& & 基带设想请求的带宽是从DC（或低MHz区）到转换器的奈奎斯特频次。用相对于带宽暗示的话，这意味着约莫100MHz或如下。这种设想能够接纳放大器或变压器（巴伦）。
& & 带通设想意味着只应用转换器带宽的一小部份，在高中频时，只需要20-60MHz带宽。比方，中央频次能够低至100MHz。往常，大多数情况下的中央频次位于140MHz、170MHz或190MHz。无非，市场显示出向更高中频进展的趋向。本质上讲，设想职员只要应用转换器带宽的一小部份就可以实现事情。这类设想平日应用变压器或巴伦。无非，假如较高频次下的SFDR功能足够，也能够应用放大器。
& & 宽带设想通常指需求全数带宽的设想。转换器可以或许供应几何带宽，用户就会应用几何带宽。在三种设想中，这类设想的带宽最宽，因而是最具挑战性的前端设想。这种使用的带宽局限为DC（或低MHz区）至+GHz区。此类设想经常接纳宽带巴伦。
& & 在接头下一部份以前，笔者想就带宽再多谈几点。注重，转换器全功率带宽与转换器可用带宽是两个观点。全功率带宽指基于数据手册所述的额外分辨率和功能，转换器正确收集旌旗灯号所需的带宽。它平日远远大于转换器的可用带宽（多是后者的2倍）。设想应环抱可用带宽睁开。所有设想都应当防止应用额外全功率带宽的某一或全数最高频次部份，不然静态功能（SNR/SFDR）会降低，而且变得高度不确定。要肯定转换器的可用带宽，请参阅数据手册或联络使用支撑。平日，数据手册会规定能够保障额外功能的频次，以至对此举行过出产测试。
& & 晓得设想的带宽以后，接下来就需要抉择转换器。本色上有两类高速转换器可供抉择：缓冲型和无缓冲型（即开关电容型）。虽然有许多分歧的转换器可供抉择，但本文的所有使用都是针对流水线架构而言，由于这种转换器接纳高采样速度，拥有足够的分辨率，而且功耗正当。
& & 经常使用的CMOS开关电容型ADC无内置输出缓冲器，是以其功耗比缓冲型低得多。内部前端间接连接到ADC外部的开关电容采样坚持（SHA）电路。这会带来两个题目。第一，它会在采样与坚持两种模式之间切换，是以输出阻抗跟着频次和模式而变迁。第二，来自外部采样电容和网络的电荷注入会将大量旌旗灯号（与高频成份混杂，如图4所示）反射回前端设想和输出旌旗灯号，这大概致使与转换器模仿输出端相连的无源元件产生创建谬误。普通而言，当频次较低时（《100MHz），这种转换器的输出阻抗异常高（数千欧姆摆布）；当差分频次高于200MHz时，输出阻抗滚降至约莫200Ω。输出阻抗的虚部或容性部份也是云云，低频时的电容至关高，高频逐步变小到约莫1-2pF这类输出布局立室是一个极具挑战性设想题目，特别是频次高于100MHz时。
& & 这些输出端务必接纳布局，尤其是关于频域设想。差分前端设想可以或许更好地对电荷注入举行按捺，从而使设想不受影响。欲了解无缓冲转换器输出阻抗，请参阅转换器的数据手册或网页多是独自的表格中或数据表中列出假如没有征询制造商。
& & 缓冲输出转换器轻易设想晦气一壁如果转换器的功耗更高由于必需分外设想缓冲器以便拥有高线性度和低噪声特点输出阻抗平日规定为流动差分R||C阻抗。它由一个晶体举行缓冲，同时该晶体管级以低阻抗驱动转换进程是以电荷注入尖峰和开关瞬变显著下降。与开关电容ADC分歧输出端接电阻全部模仿输出频次范围内简直无变化是以
& & 转换器抉择大概很难往常的大部分设想力图功耗更低是以设想职员每每接纳无缓冲型转换器。 当高线性功能相当首要而功耗相对于不重要平日应用缓冲型转换器应该注重，无论抉择何种转换器设想频次越高，则前端设想艰苦。单靠抉择缓冲型转换器并不能解决所有题目无非在某些情况下，它可能会下降设想复杂性。
& & 直流耦合多是应用放大器的一个来由由于变压器自身交换耦合尽管能够耦合直流，但不保举应用由于在铁芯供应偏置可能会转变特点致使前端功能降低假如DC使用所用频谱首要部份那末今朝能够思量的一些放大器包孕AD8138和ADA4937等。放大器还能供应静态断绝约莫30dB到40dB的反向断绝，以便按捺无缓冲型转换器输出端中的电流惹起的反冲毛刺假如设想需求宽带增益那末放大器与ADC模仿输出立室优于变压器另外一需求掂量特点是带宽与噪声关于频次高于150MHz设想，变压器可以或许更好坚持SNR和SFDR功能。然而，在第一或第二奈奎斯特区，变压器和放大器都可应用。
& & 带宽：如上所述假如带宽设想首要，则应确保放大器拥有充沛的带宽并且它应高于设想实践需求的带宽如许，放大器将能精确创建，从而解析转换器要采样旌旗灯号信息假如前端设想的带宽缺乏，放大器无奈精确创建，这将惹起旌旗灯号偏差旌旗灯号答应的放大器最小偏差量应由所选转换器的分辨率抉择输入旌旗灯号摆幅也是前端设想的一个首要要素抉择放大器是不是可以或许餍足转换器的满量程输出局限。高速转换器输出局限平日为 2V峰峰值差分。大多数放大器可以或许餍足这一局限另有别的要素限定放大器抉择，如线性度和裕量等。务必检察数据手册典范事情特点关于无缓冲型转换器局限异常首要。 转换器所需局限电平由半电源电压（AVDD配置。这些年来，转换器电源电压局限曾经下降当初已难以找到共模电压规格《1V的放大器注重这是假定放大器与转换器之间为直流耦合假如应用为交换耦合局限再也不那末首要，但仍应予以思量。还应注重假如处置欠妥局限可能会限定放大器输入致使转换器削波产生线性题目（SFDR功能降低因为这种设想是在MHz地区是以抉择拥有低噪声和失真特点的放大器。务必检察典范事情特点肯定放大器是不是可以或许餍足团体体系功能请求假定转换器分辨率足够高，转换器将拾取放大器的所有噪声和失真假如放大器设置应用增益，则来自放大器的噪声和失真会蹩脚记着，放大器缩小其固有噪声和失真产品，并将它反映在转换器的性能上抉择放大器时，还应思量输出输入阻抗。放大器大概只针对必定局限输出输入阻抗进行了优化假如设想超出此局限，则可能会对转换器功能发生晦气影响比方升沉不定检察数据手册假如没有间接给出该阻抗，请在数据手册特点测试效果中查找平日表现典范事情特点图中此外，您还能够就特定放大器征询制造商使用支撑部分最初查抄放大器的电源电压局限。有些放大器没有分外针对较低电源电压设想，在低电压不克不及保障线性假如放大器的电源电压局限较宽充沛，放大器的线性度更高往常旧式放大器支撑较低的单电源电压。
& & 相比于放大器，变压器拥有许多分歧特点设想抉择这类器件思量这些特点。电压增益、阻抗比、带宽和拔出消耗、幅度和相位不平衡、回波消耗此中的一些特点别的请求大概包孕电源额定值设置范例（巴伦或变压器中央抽头选项。变压器设想其实不老是简略了然比方，变压器特点跟着频次转变，这会给预期蒙上暗影。有些变压器对接地结构布线中央抽头耦合敏感。不要完整以变压器的数据手册作为变压器抉择仅有根底教训在这里可以或许发扬伟大感化。
& & 回波消耗（RL） = -18.9 dB @ 110MHz = 20*log（50-Zo/50+Zo） 公式 1
& & 10^（-18.9/20） = （50-Zo/50+Zo） 公式 2
& & Zo = 39.8 ? 公式 3
& & 接着求解公式失掉的原边 Zo现实阻抗的比值而后现实阻抗实践副边阻抗异样的比值。
& & Z（原边反射阻抗现实阻抗现实阻抗）/Z（副边反射阻抗） 公式 4
& & 39.8/200 = 50/X 公式 5
& & 求解 X，X = 251 ? 公式普通来讲跟着阻抗回升，回波消耗变迁也随之进步应用变压器设想立室前端注重这一点。
& & 就变压器或巴伦而言，幅度和相位不平衡关头功能特性。它们权衡旌旗灯号现实误差，幅度相称，相位相差 180设想请求高中频（100MHz 以上设想职员可根据这两项手艺规格懂得向转换器供应旌旗灯号线性普通而言误差越大功能降低幅度越大。起步时，一定要抉择那些将此信息颁布在数据手册中的变压器假如数据手册中不存在此信息极可能解释它不适宜高频使用记着跟着频次增添，变压器的非线性也同时增进，通常以相位不平衡为主，转化为转换器的偶次失真如果二次谐波失真假如预期特点差得远，不要急着嗔怪转换器查抄前端设想假如设想接纳 1:4 或更高阻抗比的变压器注重此参数在低频时会变得蹩脚。这是由于与 1:1 阻抗比的变压器相比，匝数更加会使变压器原边与副边之间的寄生参考差分变得更高深刻懂得高频相位和幅度不平衡若何影响变压器或巴伦的线性功能，请参阅参考文献 6。
& & 在高频应用变压器或巴伦时，为了应答二次谐波失真能够测验考试级联应用多个变压器能够应用两个变压器（如图 6 所示，某些情况下能够应用三个赞助在高频率下更充分地旌旗灯号转换为旌旗灯号瑕玷是占空间本钱拔出消耗进步。另一个倡议应用别的变压器。市场上有更好的变压器比方，安伦公司（Anaren）有一项专利设想接纳无芯拓扑布局同意接纳繁多器件完成千兆地区带宽扩大，从而供应更高均衡度，而其尺寸则小于规范铁芯变压器。
