為不同接收機前端設(shè)計帶通濾波器的諧振匹配方法

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示的電路是一款16位、250 MSPS、窄帶、高中頻接收機前端，其中在 ADL5565 差分放大器與AD9467 ADC之間提供最佳接口。

AD9467是一款緩沖輸入16位、200 MSPS或250 MSPS ADC，具有約75.5 dBFS的SNR性能和介于95 dBFS與98 dBFS之間的SFDR性能。由于具有高輸入帶寬、低失真和高輸出線性度，ADL5565差分放大器適合驅(qū)動中頻采樣ADC。

本電路筆記介紹了如何設(shè)計接口電路和抗混疊濾波器才能在保持高性能的同時確保最低信號損耗的系統(tǒng)化過程。使用諧振匹配方法來設(shè)計最平坦的巴特沃茲四階帶通濾波器，中心頻率為200 MHz。

圖1. 使用ADL5565差分放大器和AD9467 ADC完成窄帶高中頻應(yīng)用的諧振濾波器設(shè)計

電路描述

使用差分放大器來驅(qū)動高速ADC的優(yōu)勢包括信號增益、隔離和ADC與源阻抗匹配。ADL5565允許6 dB、12 dB或15.5 dB的引腳綁定增益調(diào)整?；蛘?，通過對輸入應(yīng)用兩個外部電阻，可在0 dB至15.5 dB范圍內(nèi)實現(xiàn)更精細的增益步進。此外，ADL5565具有高輸出線性度、低失真、低噪聲和寬輸入帶寬。3 dB帶寬為6 GHz，0.1 dB平坦度為1 GHz。ADL5565能實現(xiàn)大于50 dB的輸出三階交調(diào)截點(OIP3)。

為實現(xiàn)ADL5565和AD9467必須提供的最佳性能水平，必須嚴格遵循各數(shù)據(jù)手冊中指定的設(shè)計原則。部分設(shè)計準則包括正確匹配ADL5565的輸入和輸出阻抗以實現(xiàn)最低信號損耗和最佳線性度、抗混疊濾波器使用系統(tǒng)性設(shè)計以改善動態(tài)范圍，以及源阻抗應(yīng)匹配ADC輸入等等。

ADL5565輸入阻抗匹配

圖2. ADL5565輸入阻抗匹配

圖2顯示了建議ADL5565使用的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)。ADL5565的輸入阻抗與增益相關(guān)，6 dB增益下的差分輸入阻抗為200 Ω，12 dB增益下為100 Ω，15.5 dB增益下為67 Ω。為使信號發(fā)生器的50 Ω源阻抗與ADL5565的輸入阻抗匹配，R1和R2必須加以選擇，使兩者之和與ADL5565的輸入阻抗ZI并聯(lián)后等于50 Ω。為維持差分電路內(nèi)的平衡，R1必須等于R2。以下公式可用于計算必要的匹配電阻。

表1顯示了計算后的端接電阻和用于ADL5565的不同增益設(shè)置的引腳配置。

圖2所示配置的替代方案是以阻抗轉(zhuǎn)換RF變壓器取代1:1巴倫ETC1-1-13。這樣可以無需使用R1和R2。6 dB增益配置可使用1:4變壓器，12 dB增益配置可使用1:2變壓器。此替代配置的優(yōu)點是元件數(shù)更少，信號損耗更低。不過應(yīng)注意變壓器的帶寬。與1:1巴倫相比，阻抗轉(zhuǎn)換變壓器的帶寬更窄，插入損耗更高。

圖2顯示了使用巴倫或變壓器驅(qū)動ADL5565的單端轉(zhuǎn)差分方法。此配置在某些應(yīng)用中可能不可行或無必要。ADL5565的驅(qū)動器接口具有靈活性，例如可以單端(圖示)或使用差分混頻器以差分方式來驅(qū)動。有關(guān)不同輸入接口的詳情請參考ADL5565數(shù)據(jù)手冊.pdf。

ADL5565輸出負載匹配

ADL5565線性度性能已針對200 Ω輸出負載進行了優(yōu)化。這是常見的輸出阻抗，用于與ADC接口和濾波器設(shè)計。在200 Ω的優(yōu)化輸出負載下，ADL5565在200 MHz時的輸出IP3為46 dBm。

如果200 Ω輸出負載不適合應(yīng)用，可在ADL5565的輸出負載與線性度性能之間權(quán)衡。圖3顯示了三階交調(diào)(IMD3)與常用輸出負載頻率的曲線圖。

圖3. ADL5565 IMD3與用于50 Ω、100 Ω、200 Ω和400 Ω輸出負載的頻率的關(guān)系，3.3 V電源，增益 = 6 DB

AD9467源阻抗

AD9467在此電路中是ADC的理想之選，因為它是針對寬帶寬范圍內(nèi)的高性能以及易用性進行優(yōu)化的中頻采樣ADC。AD9467具有集成式緩沖器，用以對驅(qū)動器放大器提供固定輸入阻抗。此輸入結(jié)構(gòu)優(yōu)于使用直接耦合至采樣開關(guān)的無緩沖前端的ADC。無緩沖ADC對驅(qū)動放大器提供隨時間變化的輸入采樣保持阻抗。加入輸入緩沖器可放寬驅(qū)動要求，但代價是功耗略高。AD9467的緩沖式源阻抗被建模為530 Ω電阻的固定阻抗，與3.5 pF電容并聯(lián)。

與ADC接口時，建議從530 Ω減去真實輸入阻抗，到達200 Ω至400 Ω范圍內(nèi)的較低值。通過降低ADC的輸入阻抗，采樣保持結(jié)構(gòu)引起的反沖可更快地穩(wěn)定下來，從而提高線性度性能。不利的一面是輸入功率增加，因為驅(qū)動滿量程ADC需要更高功率。在此電路示例中，AD9467的輸入阻抗降至200 Ω，以匹配ADL5565的輸出阻抗，并平衡線性度與ADC輸入功耗的關(guān)系。AD9467的輸入阻抗通過與ADC差分輸入并聯(lián)放置310 Ω電阻降至200 Ω。

抗混疊濾波器設(shè)計

ADC前方的抗混疊濾波器有助于減少無用奈奎斯特區(qū)中的信號成分和噪聲，從而避免造成帶內(nèi)混疊、防止動態(tài)性能降低。抗混疊濾波器通常用LC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計而成，為獲得所需阻帶和通帶特性，源阻抗和負載阻抗必須選擇得當。例如，濾波器設(shè)計可使用Nuhertz Technologies提供的軟件或Agilent Technologies的高級設(shè)計系統(tǒng)(ADS)完成。

在圖1所示的電路中，使用ADS程序來設(shè)計四階最平坦(巴特沃茲)低通濾波器。圖4顯示了源阻抗與負載阻抗為200 Ω、3 dB截止頻率為300 MHz的低通濾波器設(shè)計。選擇200 Ω阻抗是因為它是驅(qū)動器放大器和ADC的常用源阻抗與負載阻抗。首批元件是用于放寬驅(qū)動器要求的串聯(lián)電感。

在圖1的最終優(yōu)化電路中，濾波器源阻抗約等于21.6 Ω;不過為設(shè)計濾波器的低通部分，選擇了200 Ω，因為整體濾波器最終是諧振帶通濾波器，更為重要的是，放大器和ADC必須接受正確的負載和源阻抗，以實現(xiàn)優(yōu)化的線性度性能。其結(jié)果是阻抗不匹配帶來了幅度損耗。

圖4. 低通濾波器設(shè)計

低通濾波器設(shè)計通過建立諧振進行進一步調(diào)諧，以在目標頻段內(nèi)產(chǎn)生峰化。這樣就得到了高中頻下的窄帶、帶通濾波器。在ADC差分輸入兩端放置電感可使ADC的輸入電容歸零，并建立峰化。圖5顯示了用于決定諧振電感值的計算。在AD9467的3.5 pF源阻抗情況中，需要181 nH的并聯(lián)電感才能讓電容性電納歸零;結(jié)果僅剩RC并聯(lián)等效電阻中的高阻抗阻性部分。為計算選擇的諧振頻率為200 MHz。

圖5. 諧振匹配

測定性能

圖1顯示了最終電路配置。ADL5565的各輸出端以5.6 Ω填充，以提高驅(qū)動器放大器的穩(wěn)定性。建議的串聯(lián)電阻一般介于數(shù)歐姆至數(shù)十歐姆間。更大的電阻值可提高穩(wěn)定性;但不利的一面是功率損耗，因為串聯(lián)電阻與ADC輸入端的阻抗一起形成了分壓器，導(dǎo)致信號衰減。

緊跟ADL5565輸出端串聯(lián)電阻的是1 nF隔直電容。其后是抗混疊濾波器，接著是310 Ω并聯(lián)電阻，用以降低ADC的輸入阻抗。最后，15 Ω電阻與ADC輸入串聯(lián)，將內(nèi)部開關(guān)瞬變與濾波器和放大器隔離開。

圖6和圖7顯示了所得抗混疊濾波器響應(yīng)，1 dB帶寬為41 MHz，3 dB帶寬為89 MHz，以203 MHz中頻為中心。圖8顯示了圖1所示最終接收機電路的FFT頻譜，其中SNR為72.5 dBFS，SFDR性能接近90 dBc。