關(guān)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)前端設(shè)計(jì)，首先必須聲明：它是一門(mén)藝術(shù)。如果日常工作中不在實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手操作，不注意放大器和變壓器(巴倫)的最新技術(shù)趨勢(shì)，那么前端設(shè)計(jì)，特別是高頻(>100MHz IF)下的前端設(shè)計(jì)可能非常困難。大部分設(shè)計(jì)人員都會(huì)把數(shù)據(jù)手冊(cè)或應(yīng)用筆記的設(shè)計(jì)作為起點(diǎn)，但相對(duì)于設(shè)計(jì)人員真正要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，這些設(shè)計(jì)所提供的信息可能并不完整。這篇文章的意圖不是要給出一個(gè)關(guān)于高速ADC前端設(shè)計(jì)的“公式”，而是要說(shuō)明，利用變壓器或放大器優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)有許多因素需要權(quán)衡。轉(zhuǎn)換器及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有許多類型，本文針對(duì)的是采樣速率為10MSPS或更高的緩沖型和無(wú)緩沖(開(kāi)關(guān)電容)型高速流水線架構(gòu)。前端是確定轉(zhuǎn)換器接收并采樣的信號(hào)或信息質(zhì)量的關(guān)鍵部分。在設(shè)計(jì)中，如果對(duì)這最后一級(jí)重視不夠，則會(huì)對(duì)應(yīng)用的性能產(chǎn)生不利影響。通過(guò)了解前端設(shè)計(jì)的權(quán)衡因素，設(shè)計(jì)人員可以采樣一些或所有這些方法來(lái)幫助開(kāi)發(fā)基帶、帶通(即超奈奎斯特頻率)或?qū)拵мD(zhuǎn)換器應(yīng)用的高性能前端。本文分為兩個(gè)部分，第一部分主要介紹基本理論和概念；第二部分，則會(huì)給出前端設(shè)計(jì)具體的設(shè)計(jì)指南。

了解前端要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)

首先考慮轉(zhuǎn)換器前端設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)哪些目標(biāo)。這一點(diǎn)再怎么強(qiáng)調(diào)也不過(guò)分，因?yàn)樵S多設(shè)計(jì)欠缺這方面的考慮。大多數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇依據(jù)是采樣速率、全功率帶寬、功耗、數(shù)字輸出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通道數(shù)和其它相關(guān)特性是否適合特定應(yīng)用。其中的大部分特性被認(rèn)為是轉(zhuǎn)換器的額定限制。例如，如果采樣速率超過(guò)轉(zhuǎn)換器的最大采樣速率，則會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生不利影響。因此，我們假設(shè)在所有情況下，轉(zhuǎn)換器均在時(shí)鐘規(guī)格和其它任何額定規(guī)格的范圍內(nèi)工作，轉(zhuǎn)換器不是前端設(shè)計(jì)過(guò)程的限制因素。

選定ADC之后，就必須了解在系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定的條件下，設(shè)計(jì)高性能前端時(shí)需要注意的基本要素。人們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于所有轉(zhuǎn)換器前端設(shè)計(jì)，有七個(gè)參數(shù)至關(guān)重要，它們是：輸入阻抗、VSWR、通帶平坦度、帶寬、SNR、SFDR和輸入驅(qū)動(dòng)電平。當(dāng)設(shè)計(jì)人員權(quán)衡各種因素以優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，這些參數(shù)可以起到指導(dǎo)作用。

輸入阻抗是設(shè)計(jì)或負(fù)載的額定特征阻抗。大多數(shù)情況下，它為50Ω。但在某些情況下，可能會(huì)呈現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)。使用變壓器時(shí)，輸入阻抗負(fù)載指原邊的整個(gè)變壓器耦合網(wǎng)絡(luò)，包括轉(zhuǎn)換器。使用放大器時(shí)，阻抗負(fù)載僅指放大器的輸入端。放大器輸出與轉(zhuǎn)換器輸入之間的匹配以其它方式完成，通常包括抗混疊濾波器(AAF)。無(wú)論何種情況，都可以使用不同的特征阻抗負(fù)載，并且應(yīng)當(dāng)匹配。設(shè)計(jì)的帶寬越高，則這一特性越重要。

VSWR(電壓駐波比)是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，反映的是在目標(biāo)帶寬內(nèi)，有多少功率被反射到負(fù)載中。此參數(shù)還與輸入驅(qū)動(dòng)電平有關(guān)。如果網(wǎng)絡(luò)的VSWR較高(>1.5)，則實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器滿量程所需的增益或驅(qū)動(dòng)能力越高。同樣，設(shè)計(jì)的帶寬越高(損耗越多)，則這一特性越重要。

通帶平坦度通常指額定帶寬內(nèi)容許的波動(dòng)/紋波量。它可以是紋波效應(yīng)或AAF濾波器的滾降特性。無(wú)論何種情況，這一參數(shù)通常用dB表示(通常是1dB的十分之幾），它對(duì)于在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)設(shè)置整體系統(tǒng)增益十分重要，參見(jiàn)圖1。



圖1：輸入驅(qū)動(dòng)電平/通帶平坦度/帶寬的定義

帶寬指系統(tǒng)所用的頻率起點(diǎn)與終點(diǎn)之差，可窄可寬。帶寬可以位于基帶(fsample/2)或者覆蓋轉(zhuǎn)換器的多個(gè)奈奎斯特區(qū)。

SNR(信噪比)要求由整體系統(tǒng)的噪聲電平設(shè)計(jì)決定。一般而言，前端設(shè)計(jì)的帶寬越高，則SNR性能越低，因?yàn)樵O(shè)計(jì)會(huì)連續(xù)采樣無(wú)用的寬帶噪聲。變壓器或放大器與轉(zhuǎn)換器之間通常采用AAF來(lái)實(shí)現(xiàn)最高的SNR性能。

SFDR(無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍)要求由整體系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍決定。二次和三次諧波失真通常是系統(tǒng)的最大限制因素。務(wù)必認(rèn)真了解其中之一或二者是如何引入的，如果超出轉(zhuǎn)換器本身的線性度，則動(dòng)態(tài)范圍會(huì)嚴(yán)重受限。

輸入驅(qū)動(dòng)電平與帶寬、輸入阻抗和VSWR特性有關(guān)。它設(shè)置特定應(yīng)用所需的系統(tǒng)增益，并高度依賴于所選的前端器件，即變壓器、放大器和AAF，這使得驅(qū)動(dòng)電平要求可能是最難滿足的要求之一。

由于需要滿足的參數(shù)如此之多，因此在展開(kāi)新設(shè)計(jì)時(shí)，所有參數(shù)都會(huì)從不同方面影響設(shè)計(jì)。權(quán)衡各種因素有時(shí)會(huì)非常困難，令人不知所措。一種方法是使用電子表格或圖表，RADAR圖是一種很好的可視化工具，如圖2所示。在這類圖上，各參數(shù)都有其自己的軸。設(shè)計(jì)人員可以靈活地確定各參數(shù)的比例，并在各軸上建立一個(gè)窗口。當(dāng)所有設(shè)計(jì)參數(shù)均得到滿足時(shí)，最靠近中心的設(shè)計(jì)將是最佳選擇。



圖2：RADAR圖示例

帶寬優(yōu)先

開(kāi)始新設(shè)計(jì)時(shí)，最先需要決定同時(shí)也是最重要的參數(shù)是帶寬。帶寬為設(shè)計(jì)指明方向，引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員開(kāi)辟通往成功之路。本質(zhì)上有三類前端可供選擇：基帶型、帶通或超奈奎斯特(有時(shí)也稱為窄帶)型以及寬帶型，如圖3所示。具體選擇何種類型取決于應(yīng)用。


圖3：基帶、帶通與寬帶

基帶設(shè)計(jì)要求的帶寬是從DC(或低MHz區(qū))到轉(zhuǎn)換器的奈奎斯特頻率。用相對(duì)帶寬表示的話，這意味著大約100MHz或以下。這類設(shè)計(jì)可以采用放大器或變壓器(巴倫)。

帶通設(shè)計(jì)意味著只使用轉(zhuǎn)換器帶寬的一小部分，在高中頻時(shí)，只需要20-60MHz帶寬。例如，中心頻率可以低至100MHz。如今，大多數(shù)情況下的中心頻率位于140MHz、170MHz或190MHz。不過(guò)，市場(chǎng)顯示出向更高中頻發(fā)展的趨勢(shì)。本質(zhì)上講，設(shè)計(jì)人員只需利用轉(zhuǎn)換器帶寬的一小部分就能完成工作。這種設(shè)計(jì)通常使用變壓器或巴倫。不過(guò)，如果較高頻率下的SFDR性能足夠，也可以使用放大器。

寬帶設(shè)計(jì)通常指需要全部帶寬的設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)換器能夠提供多少帶寬，用戶就會(huì)使用多少帶寬。在三種設(shè)計(jì)中，這種設(shè)計(jì)的帶寬最寬，因而是最具挑戰(zhàn)性的前端設(shè)計(jì)。這類應(yīng)用的帶寬范圍為DC(或低MHz區(qū))至+GHz區(qū)。此類設(shè)計(jì)常常采用寬帶巴倫。

在討論下一部分之前，筆者想就帶寬再多談幾點(diǎn)。注意，轉(zhuǎn)換器全功率帶寬與轉(zhuǎn)換器可用帶寬是兩個(gè)概念。全功率帶寬指基于數(shù)據(jù)手冊(cè)所述的額定分辨率和性能，轉(zhuǎn)換器精確采集信號(hào)所需的帶寬。它通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)換器的可用帶寬(可能是后者的2倍)。設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞可用帶寬展開(kāi)。所有設(shè)計(jì)都應(yīng)當(dāng)避免使用額定全功率帶寬的某一或全部最高頻率部分，否則動(dòng)態(tài)性能(SNR/SFDR)會(huì)下降，并且變得高度不確定。要確定轉(zhuǎn)換器的可用帶寬，請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)手冊(cè)或聯(lián)系應(yīng)用支持。通常，數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)規(guī)定能夠保證額定性能的頻率，甚至對(duì)此進(jìn)行過(guò)生產(chǎn)測(cè)試。

高速轉(zhuǎn)換器類型

知道設(shè)計(jì)的帶寬之后，接下來(lái)就需要選擇轉(zhuǎn)換器。本質(zhì)上有兩類高速轉(zhuǎn)換器可供選擇：緩沖型和無(wú)緩沖型(即開(kāi)關(guān)電容型)。雖然有許多不同的轉(zhuǎn)換器可供選擇，但本文的所有應(yīng)用都是針對(duì)流水線架構(gòu)而言，因?yàn)檫@類轉(zhuǎn)換器采用高采樣速率，具有足夠的分辨率，并且功耗合理。

常用的CMOS開(kāi)關(guān)電容型ADC無(wú)內(nèi)置輸入緩沖器，因此其功耗比緩沖型低得多。外部前端直接連接到ADC內(nèi)部的開(kāi)關(guān)電容采樣保持(SHA)電路。這會(huì)帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題。第一，它會(huì)在采樣與保持兩種模式之間切換，因此輸入阻抗隨著頻率和模式而變化。第二，來(lái)自內(nèi)部采樣電容和網(wǎng)絡(luò)的電荷注入會(huì)將少量信號(hào)(與高頻成分混合，如圖4所示)反射回前端設(shè)計(jì)和輸入信號(hào)，這可能導(dǎo)致與轉(zhuǎn)換器模擬輸入端相連的無(wú)源元件發(fā)生建立錯(cuò)誤。一般而言，當(dāng)頻率較低時(shí)(<100MHz)，這類轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗非常高(數(shù)千歐姆左右)；當(dāng)差分頻率高于200MHz時(shí)，輸入阻抗?jié)L降至大約200Ω。輸入阻抗的虛部或容性部分也是如此，低頻時(shí)的電容相當(dāng)高，高頻時(shí)逐漸變小到大約1-2pF。與這種輸入結(jié)構(gòu)匹配是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)問(wèn)題，特別是當(dāng)頻率高于100MHz時(shí)。





圖4：時(shí)域電荷注入（單端）與頻域電荷注入

這些輸入端務(wù)必采用差分結(jié)構(gòu)，尤其是對(duì)于頻域設(shè)計(jì)。差分前端設(shè)計(jì)能夠更好地對(duì)電荷注入進(jìn)行共模抑制，從而使設(shè)計(jì)不受影響。欲了解無(wú)緩沖轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗，請(qǐng)參閱轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)手冊(cè)或網(wǎng)頁(yè)。它可能是在單獨(dú)的表格中或數(shù)據(jù)表中列出。如果沒(méi)有，請(qǐng)咨詢制造商。

緩沖輸入轉(zhuǎn)換器更容易設(shè)計(jì)，不利的一面主要是轉(zhuǎn)換器的功耗更高，因?yàn)楸仨毺貏e設(shè)計(jì)緩沖器以便具有高線性度和低噪聲特性。輸入阻抗通常規(guī)定為固定差分R||C阻抗。它由一個(gè)晶體管級(jí)進(jìn)行緩沖，同時(shí)該晶體管級(jí)以低阻抗驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程，因此電荷注入尖峰和開(kāi)關(guān)瞬變顯著降低。與開(kāi)關(guān)電容ADC不同，輸入端接電阻在整個(gè)模擬輸入頻率范圍內(nèi)幾乎無(wú)變化，因此驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)容易得多。圖5為緩沖型和無(wú)緩沖型ADC的內(nèi)部采樣保持電路的原理示意圖。



圖5：無(wú)緩沖型與緩沖型ADC

轉(zhuǎn)換器的選擇可能很難，如今的大部分設(shè)計(jì)都力求功耗更低，因此設(shè)計(jì)人員往往采用無(wú)緩沖型轉(zhuǎn)換器。 當(dāng)高線性性能至關(guān)重要而功耗相對(duì)不重要時(shí)，通常使用緩沖型轉(zhuǎn)換器。應(yīng)當(dāng)注意，無(wú)論選擇何種轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)頻率越高，則前端設(shè)計(jì)越困難。單靠選擇緩沖型轉(zhuǎn)換器并不能解決所有問(wèn)題。不過(guò)在某些情況下，它可能會(huì)降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

放大器抑或變壓器？

知道帶寬和轉(zhuǎn)換器之后，下一步就應(yīng)當(dāng)選擇前端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：放大器(有源)還是變壓器(無(wú)源)。二者各自的利弊說(shuō)來(lái)話長(zhǎng)，同時(shí)也取決于具體應(yīng)用，不過(guò)希望下面的幾點(diǎn)說(shuō)明有助于正本清源。放大器會(huì)增加前端設(shè)計(jì)的噪聲，并需要電源(消耗功率)。其好處是放大器不像變壓器一樣與增益帶寬相關(guān)，而且一般具有固定的輸入和輸出阻抗。通常來(lái)說(shuō)，電壓增益型變壓器的可用帶寬比1:1型低得多。而對(duì)于放大器，當(dāng)采用或需要更大增益時(shí)，帶寬只有略微降低。在通帶區(qū)域內(nèi)，放大器一般具有更好的增益平坦度。變壓器則不然。變壓器屬無(wú)源器件，不增加噪聲，也不消耗功率。然而，變壓器可能存在對(duì)稱性挑戰(zhàn)，引起雜散問(wèn)題。注意，變壓器遠(yuǎn)非理想器件。如果使用不當(dāng)，其寄生效應(yīng)可能會(huì)降低任何設(shè)計(jì)的性能，特別是在較高頻率(+100MHz)時(shí)以及在電壓增益下使用時(shí)。

使用放大器而不是變壓器的主要理由是前者能夠獲得更好的通帶平坦度。如果這一特性對(duì)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，則放大器產(chǎn)生的變化更小，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)通常為?0.1 dB。變壓器的響應(yīng)起伏不定，如果必須使用并且平坦度很重要，則可能需要進(jìn)行“精密調(diào)整”。放大器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是具有良好的驅(qū)動(dòng)能力。變壓器不適合驅(qū)動(dòng)PCB上的長(zhǎng)走線，它主要用于與轉(zhuǎn)換器直接相連。如果系統(tǒng)要求將“驅(qū)動(dòng)器/耦合器”放在遠(yuǎn)處，或者放在不同的板上，那么強(qiáng)烈建議使用放大器。

直流耦合也可能是使用放大器的一個(gè)理由，因?yàn)樽儔浩鞅旧硎墙涣黢詈系?。雖然巴倫可以耦合直流，但不推薦使用巴倫，因?yàn)樵阼F芯上提供偏置可能會(huì)改變其特性，導(dǎo)致前端性能下降。如果DC是應(yīng)用所用頻譜的重要部分，那么目前可以考慮的一些放大器包括AD8138和ADA4937等。放大器還能提供動(dòng)態(tài)隔離，大約30dB到40dB的反向隔離，以便抑制無(wú)緩沖型轉(zhuǎn)換器輸入端中的電流瞬變所引起的反沖毛刺。如果設(shè)計(jì)需要寬帶增益，那么放大器與ADC模擬輸入端的匹配優(yōu)于變壓器。另一對(duì)需要權(quán)衡的特性是帶寬與噪聲。對(duì)于頻率高于150MHz的設(shè)計(jì)，變壓器能夠更好地保持SNR和SFDR性能。然而，在第一或第二奈奎斯特區(qū)，變壓器和放大器均可以使用。

選擇放大器的主要考慮因素總結(jié)如下

帶寬：如上所述，如果帶寬對(duì)新設(shè)計(jì)很重要，則應(yīng)確保放大器具有充足的帶寬，而且它應(yīng)高于設(shè)計(jì)實(shí)際需要的帶寬。這樣，放大器將能正確建立，從而解析轉(zhuǎn)換器要采樣的信號(hào)信息。如果前端設(shè)計(jì)的帶寬不足，放大器將無(wú)法正確建立，這將引起信號(hào)誤差。信號(hào)容許的放大器最小誤差量應(yīng)由所選轉(zhuǎn)換器的分辨率決定。輸出信號(hào)擺幅也是前端設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素。它決定放大器是否能夠滿足轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入范圍。高速轉(zhuǎn)換器的輸入范圍通常為2V峰峰值差分。大多數(shù)放大器能夠滿足這一范圍，但還有其它因素會(huì)限制放大器的選擇，如線性度和裕量等。務(wù)必查看數(shù)據(jù)手冊(cè)中的典型工作特性圖。對(duì)于無(wú)緩沖型轉(zhuǎn)換器，共模范圍非常重要。轉(zhuǎn)換器所需的共模范圍電平由半電源電壓(AVDD/2)設(shè)置。這些年來(lái)，轉(zhuǎn)換器電源電壓范圍已經(jīng)降低，現(xiàn)在已難以找到共模電壓規(guī)格<1V的放大器。注意這是假設(shè)放大器與轉(zhuǎn)換器之間為直流耦合。如果應(yīng)用為交流耦合，則共模范圍不再那么重要，但仍應(yīng)予以考慮。還應(yīng)注意，如果處理不當(dāng)，共模范圍可能會(huì)限制放大器的輸出擺幅，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器削波或發(fā)生線性度問(wèn)題(SFDR性能下降)。由于這類設(shè)計(jì)是在MHz區(qū)域，因此應(yīng)選擇具有低噪聲和失真特性的放大器。務(wù)必查看典型工作特性圖，確定放大器是否能夠滿足整體系統(tǒng)性能要求。假設(shè)轉(zhuǎn)換器分辨率足夠高，轉(zhuǎn)換器將拾取放大器的所有噪聲和失真。如果放大器配置使用增益，則來(lái)自放大器的噪聲和失真會(huì)更糟糕。記住，放大器會(huì)放大其固有噪聲和失真產(chǎn)物，并將它反映在轉(zhuǎn)換器的性能上。選擇放大器時(shí)，還應(yīng)考慮輸入和輸出阻抗。放大器可能只針對(duì)一定范圍的輸入或輸出阻抗進(jìn)行了優(yōu)化。如果設(shè)計(jì)超出此范圍，則可能會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換器的性能產(chǎn)生不利影響，例如噪底起伏不定等。請(qǐng)查看數(shù)據(jù)手冊(cè)，如果沒(méi)有直接給出該阻抗，請(qǐng)?jiān)跀?shù)據(jù)手冊(cè)的特性測(cè)試結(jié)果中查找。這通常顯示在典型工作特性圖中。另外，您還可以就特定放大器咨詢制造商的應(yīng)用支持部門(mén)。 最后應(yīng)檢查放大器的電源電壓范圍。有些放大器沒(méi)有特別針對(duì)較低電源電壓而設(shè)計(jì)，在低電壓下不能保證線性。如果放大器的電源電壓范圍較寬，則裕量更充足，放大器的線性度更高。如今的新式放大器支持較低的單電源電壓。

相比于放大器，變壓器(巴倫)具有許多不同的特性。當(dāng)設(shè)計(jì)選擇這種器件時(shí)，應(yīng)考慮這些特性。電壓增益、阻抗比、帶寬和插入損耗、幅度和相位不平衡、回波損耗是其中的一些特性。其它要求可能包括電源額定值、配置類型(巴倫或變壓器等)和中心抽頭選項(xiàng)。變壓器設(shè)計(jì)并不總是簡(jiǎn)單明了。例如，變壓器特性隨著頻率而改變，這會(huì)給預(yù)期蒙上陰影。有些變壓器對(duì)接地、布局布線和中心抽頭耦合敏感。不要完全以變壓器的數(shù)據(jù)手冊(cè)作為變壓器選擇的唯一基礎(chǔ)。經(jīng)驗(yàn)在這里能夠發(fā)揮巨大作用。

選擇變壓器的重要考慮因素總結(jié)如下

理想狀態(tài)下，信號(hào)增益等于變壓器的匝數(shù)比。雖然變壓器或巴倫中的電壓增益本身無(wú)噪聲，不過(guò)使用具有電壓增益的變壓器會(huì)放大信號(hào)噪聲。同時(shí)還可能嚴(yán)重影響帶寬。變壓器可以簡(jiǎn)單地看作是具有標(biāo)稱增益的寬頻帶通帶濾波器。因此，變壓器中的增益越大，則帶寬越低，增益平坦度特性的設(shè)計(jì)也越困難。變壓器的電壓增益可能變化很大，當(dāng)不需要增益時(shí)，紋波和滾降會(huì)更顯著。如今，很難找到具有良好的GHz性能、阻抗比為1:4的變壓器?？傊脩魬?yīng)保持警惕，如果打算使用1:4、1:8和1:16阻抗比的變壓器來(lái)改善或優(yōu)化信號(hào)鏈最后一級(jí)的噪聲系數(shù)，則應(yīng)考慮周詳，并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行驗(yàn)證。 由于帶寬選擇和性能受到限制，因此其弊端很明顯，性能不會(huì)超過(guò)1:1或1:4阻抗比的設(shè)計(jì)。變壓器的插入損耗指規(guī)定頻率范圍內(nèi)的損耗，是變壓器數(shù)據(jù)手冊(cè)中最常見(jiàn)的測(cè)量規(guī)格?；夭〒p耗針對(duì)原邊而言，指變壓器副邊端接的有效阻抗不匹配。舉例來(lái)說(shuō)，如果副邊匝數(shù)與原邊匝數(shù)之比的平方為4:1，當(dāng)副邊端接阻抗為200Ω時(shí)，應(yīng)該有50Ω的阻抗會(huì)反射到原邊端接。然而，這種關(guān)系并不準(zhǔn)確，原邊上的反射阻抗會(huì)隨著頻率而改變，如下例所示。

首先，找出前端設(shè)計(jì)的中心頻率回波損耗。在此例中，我們使用110MHz。若為理想變壓器，則Zo值為50Ω，不過(guò)實(shí)際上并非如此。從公式3可看出，Zo值低于理想值。

回波損耗(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 Ω 公式3

接著求解公式3得到的原邊Zo與副邊理想阻抗的比值。然后對(duì)原邊理想阻抗與實(shí)際副邊阻抗求同樣的比值。

Z(原邊反射阻抗)/Z(副邊理想阻抗) = Z(原邊理想阻抗)/Z(副邊反射阻抗) 公式4

39.8/200 = 50/X 公式5

求解X，

X = 251 Ω 公式6

一般來(lái)說(shuō)，隨著阻抗比的上升，回波損耗的變化也隨之提高。利用變壓器或巴倫設(shè)計(jì)匹配前端時(shí)，應(yīng)注意這一點(diǎn)。

就變壓器或巴倫而言，幅度和相位不平衡是最關(guān)鍵的性能特征。它們衡量各單端信號(hào)與理想值的偏差，幅度相等，相位相差180度。當(dāng)設(shè)計(jì)要求高中頻(100MHz以上)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)這兩項(xiàng)技術(shù)規(guī)格，了解向轉(zhuǎn)換器提供的信號(hào)線性度。一般而言，偏差越大，則性能下降幅度越大。起步時(shí)，一定要選擇那些將此信息公布在數(shù)據(jù)手冊(cè)中的變壓器或巴倫。如果數(shù)據(jù)手冊(cè)中不存在此信息，則很可能說(shuō)明它不適合高頻應(yīng)用。記住，隨著頻率增加，變壓器的非線性也同時(shí)增長(zhǎng)，通常以相位不平衡為主，轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)換器的偶次失真(主要是二次諧波失真)。如果預(yù)期雜散特性差得遠(yuǎn)，不要急著責(zé)怪轉(zhuǎn)換器，應(yīng)先檢查前端設(shè)計(jì)。

如果設(shè)計(jì)采用1:4或更高阻抗比的變壓器，應(yīng)注意此參數(shù)在低頻時(shí)會(huì)變得更糟糕。這是因?yàn)榕c1:1阻抗比的變壓器相比，匝數(shù)加倍會(huì)使變壓器原邊與副邊之間的寄生參考差分變得更高。欲深入了解高頻相位和幅度不平衡如何影響變壓器或巴倫的線性度性能，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)6。

在高頻下使用變壓器或巴倫時(shí)，為了應(yīng)對(duì)二次諧波失真，可以嘗試級(jí)聯(lián)使用多個(gè)變壓器或巴倫?？梢允褂脙蓚€(gè)變壓器(如圖6所示，某些情況下可以使用三個(gè))，幫助在高頻率下更充分地將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。其缺點(diǎn)是占空間，成本和插入損耗會(huì)提高。另一個(gè)建議是使用其它變壓器。市場(chǎng)上有更好的變壓器，例如，安倫公司(Anaren)有一項(xiàng)專利設(shè)計(jì)，它采用無(wú)芯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，允許只采用單一器件實(shí)現(xiàn)千兆區(qū)域帶寬擴(kuò)展，從而提供更高的平衡度，而其尺寸則小于標(biāo)準(zhǔn)鐵芯變壓器。



圖6：雙變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

記住，并非所有制造商都使用同樣的方法來(lái)規(guī)定變壓器的性能，即使規(guī)格明顯類似，相同情況下變壓器的運(yùn)行情況也可能不同。為前端設(shè)計(jì)選擇變壓器的最佳途徑是收集并了解考慮范圍內(nèi)變壓器的所有規(guī)格，并索取制造商數(shù)據(jù)手冊(cè)中沒(méi)有說(shuō)明的其它主要數(shù)據(jù)項(xiàng)。此外也可使用網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)衡量變壓器的性能。

使用多個(gè)變壓器時(shí)，最后需要注意的一點(diǎn)是，布局起著重要作用，如圖7所示。為在高頻下保持最佳性能，附加變壓器的布局應(yīng)盡可能對(duì)稱。否則，使用多個(gè)變壓器的前端設(shè)計(jì)可能毫無(wú)用處。



圖7：雙巴倫的對(duì)稱布局（上）與非對(duì)稱布局（下），配置的原理圖見(jiàn)圖6。