ADI公司以足夠的保真度成功捕獲信號是通信系統(tǒng)設計的一大難題。嚴格的標準規(guī)范會要求選擇合適的接口拓撲結構。本文介紹了差分設計技術的優(yōu)勢，以及其性能優(yōu)勢在當今高性能通信系統(tǒng)中如何影響嚴格的系統(tǒng)需求。此外，將回顧射頻的定義，概要說明系統(tǒng)預算，并對比不同的實現(xiàn)方法。
通信應用中差分電路設計的相關技術有哪些呢？首先對單端和差分信號進行一下比較，然后簡單介紹接收器的信號鏈和系統(tǒng)性能方面一些需要考慮的因素，然后就會發(fā)現(xiàn)差分應用的優(yōu)勢。從驅(qū)動ADC的角度與單端應用作比對，我們會發(fā)現(xiàn)差分應用會更容易實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)率。最后呢，我們將回到系統(tǒng)設計層面，總結差分應用的好處。
單端和差分信號
首先談到單端和差分信號的概念，這個大家都比較了解了。這里我們用另外一種方式來表達，我們可以將信號分為不平衡信號或平衡的信號，單端信號屬于不平衡信號，因為它是單側信號，所以是相對地而言的，沒有與之平衡的信號對，相比平衡信號，不平衡的信號呢一般會產(chǎn)生較高的諧波失真。
而差分信號，則是平衡信號，差分對一般有著共同的共模電平和幅值相同的差模電平。衡量差分信號或者說平衡信號時，我們關心的是正負輸入端信號的差值變化。這種平衡的信號帶來的諧波失真就相對小很多。
系統(tǒng)級設計
另一方面，在通信系統(tǒng)應用的時候，我們看到一個比較通用的超外差接收器的信號鏈，圖1 為通用的超外差接收器的信號鏈，在天線后接一級低噪放大器，用于放大信號并抑制噪聲，而后用兩級混頻器將信號下變頻到較低頻，其間我們會加入適當?shù)臑V波器，以濾除有用信號頻帶以外的噪音和諧波，之后就是驅(qū)動ADC的緩沖運放。這是我們今天主要討論的問題。這一級運放的主要目的是調(diào)節(jié)信號的電平范圍，提高驅(qū)動能力，有時候也要作為單端差分之間的轉(zhuǎn)換。在進入ADC之前我們需要加抗混疊濾波器，最后是用ADC對基帶信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。我們看到如果系統(tǒng)想實現(xiàn)較高的動態(tài)范圍，除信號以外不能引入過多的噪聲和諧波。
圖1 通用的超外差接收器的信號鏈
來具體看一下在一個通信系統(tǒng)中有哪些比較值得注意的性能和指標，在我們對單端信號和差分信號作比較之前，我們需要了解一些系統(tǒng)級設計所要考慮的問題。
那么，什么樣的設計是一個較好的射頻系統(tǒng)設計呢？首先，信號靈敏度要高，這意味著較低的噪聲，時鐘引入的相位噪聲同樣要低。輸入信號要有足夠的驅(qū)動能力，相關的指標，如高的三階截點和1dB壓縮點。然后就是各個模塊的性能是否足夠好，是否能較好的區(qū)分信號和噪聲，線性度是否足夠好等等。另外呢就是低功耗低成本等方面的考慮了。
我們說差分信號鏈相對單端信號來講有很多優(yōu)勢。由于是差模信號，輸出的是兩個差分信號，實際上輸出的差模信號幅度相對擴大了一倍，換一個角度來講，在同等輸出范圍條件下，工作電壓會更低。這樣，在要求低諧波失真的應用中，就可以保證足夠的幅值余量。差分系統(tǒng)自身類似奇函數(shù)的特性可以消除系統(tǒng)中的偶次諧波項，也就是說2次、4次、6次諧波等，在這些頻點上的諧波相對奇次諧波會很小甚至看不到。最后，由于信號的返回路徑不再是地平面，信號受地平面或是電源平面影響不是那么敏感，從而減少了噪聲的耦合引入，同時實現(xiàn)更好的抗電磁干擾效果。
如圖2所示，單端信號會對共模噪聲、電源噪聲和電磁干擾比較敏感，運放會對這些噪聲一定程度的放大。而差分信號由于兩側信號自身形成電流回路，抑制了共模噪聲和干擾，僅對差模信號進行有效放大。
通過推導，我們也可以看出差分放大的奇次特性，理想情況下頻譜上我們僅能看到基波和奇次項諧波。在這里我們僅給出結論，比較值得注意的是三次諧波和它引起的三階截點，IP3是在基波和三階失真輸出曲線交點的理論輸入功率，它是描述放大器線性程度的一個重要指標：
在通信系統(tǒng)設計中，對有用信號的驅(qū)動、提取并加載到ADC輸入上是很關鍵的問題。對于高精度系統(tǒng)設計，要求對器件和接口方式進行適當?shù)倪x擇。我們將給大家?guī)讉€例子，但在此之前請大家了解，如圖3所示，我們要提取的是藍色部分的有用信號，它的能量很小而且還有周圍信號和噪聲的干擾。為了把它抓出來，我們要對噪聲，動態(tài)范圍，和其他一些ADC相關的指標加以注意，后面的幻燈片中將具體說明。我們看到功能實現(xiàn)的主要模塊包括緩沖運放，抗混疊濾波器和ADC。
圖2 單端和差分信號差別
圖3 有用的信號和噪聲
ADI公司以足夠的保真度成功捕獲信號是通信系統(tǒng)設計的一大難題。嚴格的標準規(guī)范會要求選擇合適的接口拓撲結構。本文介紹了差分設計技術的優(yōu)勢，以及其性能優(yōu)勢在當今高性能通信系統(tǒng)中如何影響嚴格的系統(tǒng)需求。此外，將回顧射頻的定義，概要說明系統(tǒng)預算，并對比不同的實現(xiàn)方法。
通信應用中差分電路設計的相關技術有哪些呢？首先對單端和差分信號進行一下比較，然后簡單介紹接收器的信號鏈和系統(tǒng)性能方面一些需要考慮的因素，然后就會發(fā)現(xiàn)差分應用的優(yōu)勢。從驅(qū)動ADC的角度與單端應用作比對，我們會發(fā)現(xiàn)差分應用會更容易實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)率。最后呢，我們將回到系統(tǒng)設計層面，總結差分應用的好處。
單端和差分信號
首先談到單端和差分信號的概念，這個大家都比較了解了。這里我們用另外一種方式來表達，我們可以將信號分為不平衡信號或平衡的信號，單端信號屬于不平衡信號，因為它是單側信號，所以是相對地而言的，沒有與之平衡的信號對，相比平衡信號，不平衡的信號呢一般會產(chǎn)生較高的諧波失真。
而差分信號，則是平衡信號，差分對一般有著共同的共模電平和幅值相同的差模電平。衡量差分信號或者說平衡信號時，我們關心的是正負輸入端信號的差值變化。這種平衡的信號帶來的諧波失真就相對小很多。
系統(tǒng)級設計
另一方面，在通信系統(tǒng)應用的時候，我們看到一個比較通用的超外差接收器的信號鏈，圖1 為通用的超外差接收器的信號鏈，在天線后接一級低噪放大器，用于放大信號并抑制噪聲，而后用兩級混頻器將信號下變頻到較低頻，其間我們會加入適當?shù)臑V波器，以濾除有用信號頻帶以外的噪音和諧波，之后就是驅(qū)動ADC的緩沖運放。這是我們今天主要討論的問題。這一級運放的主要目的是調(diào)節(jié)信號的電平范圍，提高驅(qū)動能力，有時候也要作為單端差分之間的轉(zhuǎn)換。在進入ADC之前我們需要加抗混疊濾波器，最后是用ADC對基帶信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。我們看到如果系統(tǒng)想實現(xiàn)較高的動態(tài)范圍，除信號以外不能引入過多的噪聲和諧波。
圖1 通用的超外差接收器的信號鏈
來具體看一下在一個通信系統(tǒng)中有哪些比較值得注意的性能和指標，在我們對單端信號和差分信號作比較之前，我們需要了解一些系統(tǒng)級設計所要考慮的問題。
那么，什么樣的設計是一個較好的射頻系統(tǒng)設計呢？首先，信號靈敏度要高，這意味著較低的噪聲，時鐘引入的相位噪聲同樣要低。輸入信號要有足夠的驅(qū)動能力，相關的指標，如高的三階截點和1dB壓縮點。然后就是各個模塊的性能是否足夠好，是否能較好的區(qū)分信號和噪聲，線性度是否足夠好等等。另外呢就是低功耗低成本等方面的考慮了。
我們說差分信號鏈相對單端信號來講有很多優(yōu)勢。由于是差模信號，輸出的是兩個差分信號，實際上輸出的差模信號幅度相對擴大了一倍，換一個角度來講，在同等輸出范圍條件下，工作電壓會更低。這樣，在要求低諧波失真的應用中，就可以保證足夠的幅值余量。差分系統(tǒng)自身類似奇函數(shù)的特性可以消除系統(tǒng)中的偶次諧波項，也就是說2次、4次、6次諧波等，在這些頻點上的諧波相對奇次諧波會很小甚至看不到。最后，由于信號的返回路徑不再是地平面，信號受地平面或是電源平面影響不是那么敏感，從而減少了噪聲的耦合引入，同時實現(xiàn)更好的抗電磁干擾效果。
如圖2所示，單端信號會對共模噪聲、電源噪聲和電磁干擾比較敏感，運放會對這些噪聲一定程度的放大。而差分信號由于兩側信號自身形成電流回路，抑制了共模噪聲和干擾，僅對差模信號進行有效放大。
通過推導，我們也可以看出差分放大的奇次特性，理想情況下頻譜上我們僅能看到基波和奇次項諧波。在這里我們僅給出結論，比較值得注意的是三次諧波和它引起的三階截點，IP3是在基波和三階失真輸出曲線交點的理論輸入功率，它是描述放大器線性程度的一個重要指標：
在通信系統(tǒng)設計中，對有用信號的驅(qū)動、提取并加載到ADC輸入上是很關鍵的問題。對于高精度系統(tǒng)設計，要求對器件和接口方式進行適當?shù)倪x擇。我們將給大家?guī)讉€例子，但在此之前請大家了解，如圖3所示，我們要提取的是藍色部分的有用信號，它的能量很小而且還有周圍信號和噪聲的干擾。為了把它抓出來，我們要對噪聲，動態(tài)范圍，和其他一些ADC相關的指標加以注意，后面的幻燈片中將具體說明。我們看到功能實現(xiàn)的主要模塊包括緩沖運放，抗混疊濾波器和ADC。
圖2 單端和差分信號差別
圖3 有用的信號和噪聲
圖4是一個單端輸入單端運放的例子，可以看到中頻放大器、抗混疊濾波器、變壓器和ADC四個級各自的信號增益，輸入輸出3階截點功率，和引入噪聲的系數(shù)等指標。單端信號利用無源變壓器在ADC前轉(zhuǎn)換為差分信號。這里要注意一下，假設ADC的終端匹配阻抗為200Ω，而由于前面各級都是50Ω的特征阻抗，所以將變壓器的阻抗比設為1:4。
如果把變壓器提前，將信號在運放前就轉(zhuǎn)換為差分信號，則單端運放換成差分運放，這樣即構成全差分結構。如圖5所示。
這里要講到級聯(lián)系統(tǒng)總體噪聲系數(shù)和輸入輸出三階截點的等效計算。當考慮總體的噪聲系數(shù)時，第一級的影響最大；而考慮截點指標時，最后一級的影響最明顯。
再考慮一下無雜散動態(tài)范圍與系統(tǒng)三階截點的關系，我們知道隨著輸入信號能量增加，三階交調(diào)失真和噪聲底剛好相等時，系統(tǒng)達到最大的SFDR，此時可以用這個式子來表示：SFDR = （2/3）（IIP3-NF-10log（ TERMAL NOISE）。
于是我們可以算出剛才提到的兩種單端轉(zhuǎn)差分方式，總體產(chǎn)生的信號增益、三階截點、噪聲系數(shù)和無雜散動態(tài)范圍。從指標上看相差不多，差分有源驅(qū)動的結構總體失真和噪聲系數(shù)略高，但是SFDR性能也高一些。另外要注意，在單端無源轉(zhuǎn)換結構中，如果去掉中頻放大器，滿幅的參考輸入功率為6dBm，且抗混疊濾波器的設計是非對稱的結構。而且整個設計要加入更多阻性匹配器件，這就要求前級驅(qū)動的能力要強，也就是說電流和功耗要大。另外，單端運放的偶次諧波，共模抑制，電源抑制問題也都會一定程度上影響整體系統(tǒng)的性能。
另一方面，在傳送數(shù)據(jù)時，可以一位一位地傳，也可以將其分割成符號進行傳送，比如每個符號兩比特，然后將其分別對應到4種相位上，之后再作用到載波上進行傳送。這是一種很常見的調(diào)制模式，即QPSK。
通常情況，我們可以用星座圖來描述不同的調(diào)制方式，我們知道高階的調(diào)制可用于更高數(shù)據(jù)速率的收發(fā)器中，但同時需要更低的本振泄漏、更好功放線性度、更高的系統(tǒng)帶寬和解調(diào)器信噪比。一方面呢，ADI也在開發(fā)更高性能的產(chǎn)品以滿足客戶的需要，另一方面我們也要在系統(tǒng)設計時注意發(fā)掘問題的原理，并采用適當?shù)姆椒ê图记杉右越鉀Q。
圖6中我們可以看出接收系統(tǒng)中的噪聲和諧波對誤差向量幅度EVM的影響。也就是說，解調(diào)出來的信號相對理想的星座圖位置會有所偏移，一般我們用誤差向量幅度來衡量，過大的誤差向量幅度會導致符號錯誤并惡化位出錯率。特別在高階調(diào)制方式時，符號之間的位置更近，對誤差向量幅度的要求更嚴格。
圖4 單端輸入單端輸出的例子
圖5 全差分結構的例子
圖6 接收系統(tǒng)中的噪聲和諧波對誤差向量幅度EVM的影響
由此我們可以得出，更高階的調(diào)制有著更高的數(shù)據(jù)速率，同時也要有更好的EVM，而更好的EVM意味著較高的無雜散動態(tài)范圍SFDR，而SFDR又與信噪比、交調(diào)失真和各次諧波項相關。所以要提高以上這些性能指標，采用平衡信號、差分結構即可得到顯著改善。
總結
最后，對于好的射頻系統(tǒng)來講，主要關注的是如何提高對有用信號的敏感度，從而更好地將信號從噪聲、諧波和各種干擾中分離出來。而差分應用的好處就在于更好的共模抑制、電源抑制、抗電磁干擾能力、更好的線性度以及同等條件下相對單端信號更大的動態(tài)范圍。無疑，差分結構優(yōu)勢明顯，更多也更適合用于高性能的射頻系統(tǒng)。