借助平衡和對(duì)稱發(fā)揮 ADC最高性能

作者：Rob Reeder

在新的信號(hào)鏈和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)前端設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要考慮許多前端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)權(quán)衡因素。

這些權(quán)衡因素包括帶寬、輸入驅(qū)動(dòng)、阻抗和性能。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也很重要，即選用放大器耦合輸入還是變壓器耦合輸入，還有 ADC架構(gòu)是否采用緩沖。眾多論文都在探討如何權(quán)衡利弊，做出正確的選擇。

使用何種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及優(yōu)先考慮哪些因素來構(gòu)建所需的信號(hào)鏈和 ADC前端，應(yīng)當(dāng)由系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)格決定。即使設(shè)計(jì)選定以后，也不要把所有的努力白白扔掉。想一想，如果信號(hào)稍微不平衡，哪些因素會(huì)因此受到限制？不錯(cuò)，一個(gè)主要的影響是動(dòng)態(tài)范圍會(huì)受限。

偶數(shù)階失真的產(chǎn)生或增大通常由一個(gè)或許多信號(hào)鏈不平衡因素決定。理想情況下，只要整個(gè)信號(hào)鏈和所用的器件保持完美對(duì)稱，根本不會(huì)存在偶數(shù)階失真（二次、四次、六次諧波等）。

奇數(shù)階失真（三次、五次、七次諧波等）表現(xiàn)為各器件的非線性、裕量或所施加的偏置。如果不了解這些限制源于何處，即使您的設(shè)計(jì)仍然有效，但其性能水平如何就難說了。

共模不平衡

接口之間的共模電壓?jiǎn)栴}是引起偶數(shù)階失真的一些最常見因素。即使最后一級(jí)達(dá)到完美平衡，信號(hào)鏈更下游的共模電壓不平衡也會(huì)引起失真，最終影響到轉(zhuǎn)換器。

設(shè)計(jì)是直流耦合還是交流耦合并不重要。為了讓對(duì)稱的差分信號(hào)進(jìn)入 ADC輸入端，每個(gè)接口級(jí)都需要穩(wěn)定可靠的共模電壓。否則，轉(zhuǎn)換器的輸出頻譜就會(huì)超量程、欠量程或者看起來嘈雜不堪（這里假設(shè)您使用的是雙極性信號(hào)和單電源）。

元件不平衡

無源元件的容差也可能成為性能殺手。放大器反饋環(huán)路的求和節(jié)點(diǎn)以及放大器與轉(zhuǎn)換器之間的多極點(diǎn)抗混疊濾波器中可以看到這種現(xiàn)象。從下面的數(shù)學(xué)方程式就可以看出這種不匹配情況。

圖 1. RG和 RF容差不嚴(yán)密將導(dǎo)致共模電壓不匹配

如果 RG和 RF的元件容差不夠嚴(yán)密，那么就可能產(chǎn)生共模電壓不匹配（圖 1）。此處的任何不匹配都會(huì)導(dǎo)致求和節(jié)點(diǎn) VACM稍微不同，因?yàn)檫@些電阻會(huì)隨著自身的容差、溫度變化和使用時(shí)間的增加而漂移。 VACM的不同將導(dǎo)致 VIP和 VIN在放大器的輸出端不同，從而產(chǎn)生二階失真。

為解決這個(gè)問題，應(yīng)確保元件容差非常低 (1%)。如果精度很重要，可以使用某些具有低 ppm漂移和嚴(yán)密漏電容差的專用電阻包。這是 ADI公司將匹配電阻增益網(wǎng)絡(luò)內(nèi)置于高速放大器的原因之一。

元件保持低容差至關(guān)重要；當(dāng)同時(shí)設(shè)計(jì)抗混疊濾波器時(shí)，可以看到偶數(shù)階失真的變化。在大多數(shù)通信應(yīng)用中， ADC有一個(gè)窄帶寬(20 - 40 MHz)的多極點(diǎn)級(jí)聯(lián)濾波器，您可以想象構(gòu)建這樣一個(gè)濾波器可能需要多少元件（差分濾波器需要 10個(gè)元件）。

顯然，元件越多，元件之間的容差變化和不匹配誤差就越大。電感是眾所周知的元兇，因此保持低容差非常重要。如果組裝車間的溫控技術(shù)不合適，電感還可能存在可焊性問題。即使焊接接頭看起來很漂亮，平滑光亮，接觸不良有時(shí)也是罪魁禍?zhǔn)字弧?/SPAN>

布局不平衡

如果在布局階段不小心，您的所有努力仍有可能化為烏有。整個(gè)信號(hào)鏈的布局都應(yīng)保持嚴(yán)密和對(duì)稱。如若不然，就會(huì)產(chǎn)生二階失真。例如，在用于幫助改善相位不平衡問題的典型前端巴倫配置中，即使很微小的不匹配也可能導(dǎo)致性能明顯下降。

其它情況則是濾波器走線以及信號(hào)鏈相鄰元件間其它接口的不匹配。采用高中頻頻率時(shí)，布局應(yīng)保持對(duì)稱，但不要強(qiáng)迫 CAD操作員將所有都匹配到最精確的程度。

此外還應(yīng)注意布局階段做出的任何取舍。否則，只要路徑不對(duì)稱，無論是長(zhǎng)度不同還是寄生效應(yīng)不同，都可能導(dǎo)致兩個(gè)差分信號(hào)在到達(dá)轉(zhuǎn)換器模擬輸入端時(shí)出現(xiàn)相位偏差。

ADC不平衡

轉(zhuǎn)換器本身對(duì)不平衡的耐受能力如何？整個(gè)信號(hào)鏈不可能做到完美平衡，因此轉(zhuǎn)換器能夠容忍多大的不平衡呢？確實(shí)，不可能將一切問題都推給前端信號(hào)鏈元件來解決。一定會(huì)有某種程度的不平衡，無論它是源于元件容差、布局限制還是其它因素。但是，轉(zhuǎn)換器遇到這些不平衡時(shí)有多大的韌性？這種韌性對(duì)于失真是否意義重大？

我們?cè)谧罱臏y(cè)試中發(fā)現(xiàn)：通過聯(lián)鎖兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)源，我們可以使相位偏移若干度，以便測(cè)試 ADC對(duì)不平衡信號(hào)的耐受度。首先，執(zhí)行這種測(cè)試的初衷不僅是要證明轉(zhuǎn)換器在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的表現(xiàn)，而且要了解 IC本身的布局能在多大程度上控制平衡。

隨著頻率提高，一般趨勢(shì)是任何兩個(gè)信號(hào)都會(huì)不可避免地發(fā)生相位不平衡。因此，我們預(yù)期這種趨勢(shì)隨著頻率提高會(huì)變得更差。其次，隨著相位不平衡變得越來越大，偶數(shù)階失真會(huì)自動(dòng)增大。如果我們?cè)跍y(cè)試中同時(shí)觀察這兩種趨勢(shì)，我們應(yīng)當(dāng)能看到一個(gè)斜坡狀曲線（圖 2）。

圖 2. 隨著頻率升高，兩個(gè) ADC信號(hào)間的相位不平衡會(huì)增大，且偶次諧波也增大

這說明，在對(duì)轉(zhuǎn)換器性能有嚴(yán)重影響之前（ 5 dB）,任何信號(hào)不平衡對(duì)頻率范圍內(nèi)的不匹配都有約 3°的耐受度但更高的不平衡會(huì)使性能迅速下降。此外，三階失真隨著頻率增加而相對(duì)平坦，相位不平衡表現(xiàn)為強(qiáng)烈的不匹配。這再次印證了上述觀點(diǎn)：不平衡信號(hào)是偶數(shù)階失真的主要原因，但不是奇數(shù)階失真的主要原因。

總結(jié)

注意信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的不平衡和對(duì)稱有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最高性能。如果不仔細(xì)考慮布局布線、元件選擇并將共模電壓不匹配保持最低，系統(tǒng)性能就會(huì)受損，至少偶數(shù)階失真會(huì)增大。這時(shí)，轉(zhuǎn)換器可能仍然正常工作，不過只能發(fā)揮某種程度的效用。