关于模数转换器(ADC)前端设计，首先必须声明：它是一门艺术。如果日常工作中不在实验室动手操作，不注意放大器和变压器(巴伦)的最新技术趋势，那么前端设计，特别是高频(>100MHz IF)下的前端设计可能非常困难。大部分设计人员都会把数据手册或应用笔记的设计作为起点，但相对于设计人员真正要实现的目标，这些设计所提供的信息可能并不完整。这篇文章的意图不是要给出一个关于高速ADC前端设计的“公式”，而是要说明，利用变压器或放大器优化设计时有许多因素需要权衡。转换器及其拓扑结构有许多类型，本文针对的是采样速率为10MSPS或更高的缓冲型和无缓冲(开关电容)型高速流水线架构。前端是确定转换器接收并采样的信号或信息质量的关键部分。在设计中，如果对这最后一级重视不够，则会对应用的性能产生不利影响。通过了解前端设计的权衡因素，设计人员可以采样一些或所有这些方法来帮助开发基带、带通(即超奈奎斯特频率)或宽带转换器应用的高性能前端。本文分为两个部分，第一部分主要介绍基本理论和概念；第二部分，则会给出前端设计具体的设计指南。

了解前端要实现的目标

    首先考虑转换器前端设计需要实现哪些目标。这一点再怎么强调也不过分，因为许多设计欠缺这方面的考虑。大多数转换器的选择依据是采样速率、全功率带宽、功耗、数字输出拓扑结构、通道数和其它相关特性是否适合特定应用。其中的大部分特性被认为是转换器的额定限制。例如，如果采样速率超过转换器的最大采样速率，则会对性能产生不利影响。因此，我们假设在所有情况下，转换器均在时钟规格和其它任何额定规格的范围内工作，转换器不是前端设计过程的限制因素。

   选定ADC之后，就必须了解在系统设计规定的条件下，设计高性能前端时需要注意的基本要素。人们发现，对于所有转换器前端设计，有七个参数至关重要，它们是：输入阻抗、VSWR、通带平坦度、带宽、SNR、SFDR和输入驱动电平。当设计人员权衡各种因素以优化设计时，这些参数可以起到指导作用。

    输入阻抗是设计或负载的额定特征阻抗。大多数情况下，它为50Ω。但在某些情况下，可能会呈现不同的设计。使用变压器时，输入阻抗负载指原边的整个变压器耦合网络，包括转换器。使用放大器时，阻抗负载仅指放大器的输入端。放大器输出与转换器输入之间的匹配以其它方式完成，通常包括抗混叠滤波器(AAF)。无论何种情况，都可以使用不同的特征阻抗负载，并且应当匹配。设计的带宽越高，则这一特性越重要。

    VSWR(电压驻波比)是一个无量纲参数，反映的是在目标带宽内，有多少功率被反射到负载中。此参数还与输入驱动电平有关。如果网络的VSWR较高(>1.5)，则实现转换器满量程所需的增益或驱动能力越高。同样，设计的带宽越高(损耗越多)，则这一特性越重要。

   通带平坦度通常指额定带宽内容许的波动/纹波量。它可以是纹波效应或AAF滤波器的滚降特性。无论何种情况，这一参数通常用dB表示(通常是1dB的十分之几），它对于在目标频率范围内设置整体系统增益十分重要，参见图1。

   带宽指系统所用的频率起点与终点之差，可窄可宽。带宽可以位于基带(fsample/2)或者覆盖转换器的多个奈奎斯特区。

    SNR(信噪比)要求由整体系统的噪声电平设计决定。一般而言，前端设计的带宽越高，则SNR性能越低，因为设计会连续采样无用的宽带噪声。变压器或放大器与转换器之间通常采用AAF来实现最高的SNR性能。

    SFDR(无杂散动态范围)要求由整体系统的动态范围决定。二次和三次谐波失真通常是系统的最大限制因素。务必认真了解其中之一或二者是如何引入的，如果超出转换器本身的线性度，则动态范围会严重受限。

   输入驱动电平与带宽、输入阻抗和VSWR特性有关。它设置特定应用所需的系统增益，并高度依赖于所选的前端器件，即变压器、放大器和AAF，这使得驱动电平要求可能是最难满足的要求之一。

    由于需要满足的参数如此之多，因此在展开新设计时，所有参数都会从不同方面影响设计。权衡各种因素有时会非常困难，令人不知所措。一种方法是使用电子表格或图表，RADAR图是一种很好的可视化工具，如图2所示。在这类图上，各参数都有其自己的轴。设计人员可以灵活地确定各参数的比例，并在各轴上建立一个窗口。当所有设计参数均得到满足时，最靠近中心的设计将是最佳选择。

带宽优先

    开始新设计时，最先需要决定同时也是最重要的参数是带宽。带宽为设计指明方向，引导设计人员开辟通往成功之路。本质上有三类前端可供选择：基带型、带通或超奈奎斯特(有时也称为窄带)型以及宽带型，如图3所示。具体选择何种类型取决于应用。

    基带设计要求的带宽是从DC(或低MHz区)到转换器的奈奎斯特频率。用相对带宽表示的话，这意味着大约100MHz或以下。这类设计可以采用放大器或变压器(巴伦)。

    带通设计意味着只使用转换器带宽的一小部分，在高中频时，只需要20-60MHz带宽。例如，中心频率可以低至100MHz。如今，大多数情况下的中心频率位于140MHz、170MHz或190MHz。不过，市场显示出向更高中频发展的趋势。本质上讲，设计人员只需利用转换器带宽的一小部分就能完成工作。这种设计通常使用变压器或巴伦。不过，如果较高频率下的SFDR性能足够，也可以使用放大器。

     宽带设计通常指需要全部带宽的设计。转换器能够提供多少带宽，用户就会使用多少带宽。在三种设计中，这种设计的带宽最宽，因而是最具挑战性的前端设计。这类应用的带宽范围为DC(或低MHz区)至+GHz区。此类设计常常采用宽带巴伦。

    在讨论下一部分之前，笔者想就带宽再多谈几点。注意，转换器全功率带宽与转换器可用带宽是两个概念。全功率带宽指基于数据手册所述的额定分辨率和性能，转换器精确采集信号所需的带宽。它通常远远大于转换器的可用带宽(可能是后者的2倍)。设计应围绕可用带宽展开。所有设计都应当避免使用额定全功率带宽的某一或全部最高频率部分，否则动态性能(SNR/SFDR)会下降，并且变得高度不确定。要确定转换器的可用带宽，请参阅数据手册或联系应用支持。通常，数据手册会规定能够保证额定性能的频率，甚至对此进行过生产测试。

高速转换器类型

    知道设计的带宽之后，接下来就需要选择转换器。本质上有两类高速转换器可供选择：缓冲型和无缓冲型(即开关电容型)。虽然有许多不同的转换器可供选择，但本文的所有应用都是针对流水线架构而言，因为这类转换器采用高采样速率，具有足够的分辨率，并且功耗合理。

    常用的CMOS开关电容型ADC无内置输入缓冲器，因此其功耗比缓冲型低得多。外部前端直接连接到ADC内部的开关电容采样保持(SHA)电路。这会带来两个问题。第一，它会在采样与保持两种模式之间切换，因此输入阻抗随着频率和模式而变化。第二，来自内部采样电容和网络的电荷注入会将少量信号(与高频成分混合，如图4所示)反射回前端设计和输入信号，这可能导致与转换器模拟输入端相连的无源元件发生建立错误。一般而言，当频率较低时(<100MHz)，这类转换器的输入阻抗非常高(数千欧姆左右)；当差分频率高于200MHz时，输入阻抗滚降至大约200Ω。输入阻抗的虚部或容性部分也是如此，低频时的电容相当高，高频时逐渐变小到大约1-2pF。与这种输入结构匹配是一个极具挑战性的设计问题，特别是当频率高于100MHz时。这些输入端务必采用差分结构，尤其是对于频域设计。差分前端设计能够更好地对电荷注入进行共模抑制，从而使设计不受影响。欲了解无缓冲转换器的输入阻抗，请参阅转换器的数据手册或网页。它可能是在单独的表格中或数据表中列出。如果没有，请咨询制造商。

    缓冲输入转换器更容易设计，不利的一面主要是转换器的功耗更高，因为必须特别设计缓冲器以便具有高线性度和低噪声特性。输入阻抗通常规定为固定差分R||C阻抗。它由一个晶体管级进行缓冲，同时该晶体管级以低阻抗驱动转换过程，因此电荷注入尖峰和开关瞬变显著降低。与开关电容ADC不同，输入端接电阻在整个模拟输入频率范围内几乎无变化，因此驱动电路的设计容易得多。图5为缓冲型和无缓冲型ADC的内部采样保持电路的原理示意图。

    转换器的选择可能很难，如今的大部分设计都力求功耗更低，因此设计人员往往采用无缓冲型转换器。 当高线性性能至关重要而功耗相对不重要时，通常使用缓冲型转换器。应当注意，无论选择何种转换器，设计频率越高，则前端设计越困难。单靠选择缓冲型转换器并不能解决所有问题。不过在某些情况下，它可能会降低设计复杂性。

放大器抑或变压器？

    知道带宽和转换器之后，下一步就应当选择前端拓扑结构：放大器(有源)还是变压器(无源)。二者各自的利弊说来话长，同时也取决于具体应用，不过希望下面的几点说明有助于正本清源。放大器会增加前端设计的噪声，并需要电源(消耗功率)。其好处是放大器不像变压器一样与增益带宽相关，而且一般具有固定的输入和输出阻抗。通常来说，电压增益型变压器的可用带宽比1:1型低得多。而对于放大器，当采用或需要更大增益时，带宽只有略微降低。在通带区域内，放大器一般具有更好的增益平坦度。变压器则不然。变压器属无源器件，不增加噪声，也不消耗功率。然而，变压器可能存在对称性挑战，引起杂散问题。注意，变压器远非理想器件。如果使用不当，其寄生效应可能会降低任何设计的性能，特别是在较高频率(+100MHz)时以及在电压增益下使用时。

     使用放大器而不是变压器的主要理由是前者能够获得更好的通带平坦度。如果这一特性对设计至关重要，则放大器产生的变化更小，在整个频率范围内通常为?0.1 dB。变压器的响应起伏不定，如果必须使用并且平坦度很重要，则可能需要进行“精密调整”。放大器的另一个优势是具有良好的驱动能力。变压器不适合驱动PCB上的长走线，它主要用于与转换器直接相连。如果系统要求将“驱动器/耦合器”放在远处，或者放在不同的板上，那么强烈建议使用放大器。 

    直流耦合也可能是使用放大器的一个理由，因为变压器本身是交流耦合的。虽然巴伦可以耦合直流，但不推荐使用巴伦，因为在铁芯上提供偏置可能会改变其特性，导致前端性能下降。如果DC是应用所用频谱的重要部分，那么目前可以考虑的一些放大器包括AD8138和ADA4937等。放大器还能提供动态隔离，大约30dB到40dB的反向隔离，以便抑制无缓冲型转换器输入端中的电流瞬变所引起的反冲毛刺。如果设计需要宽带增益，那么放大器与ADC模拟输入端的匹配优于变压器。另一对需要权衡的特性是带宽与噪声。对于频率高于150MHz的设计，变压器能够更好地保持SNR和SFDR性能。然而，在第一或第二奈奎斯特区，变压器和放大器均可以使用。

前端设计指南

    为需要达到一定性能水平的转换器设计前端时，有大量事情需要考虑。本部分首先将说明变压器前端和放大器前端各自的优点，以便读者更好地了解为什么有些事情可行，有些事情不可行。然后会给出一些通用框图示例，以可视化方式显示不同类型的前端拓扑结构。

匹配：解决工程设计问题时，最好是将它分解成多个小问题，这样不致于无处下手。通常来说，前端设计至少可以分解为两个问题。第一个是前端与之前一级的接口，第二个是副边或放大器输出端与转换器的匹配。使用放大器时，输入和输出阻抗通常均已确定，并清楚显示于数据手册中。放大器输出端一般需要一定的负载，以便实现良好的性能。放大器的数据手册一般会列出一组用于测量器件输入端和输出端特性的端接电阻。设计最好基于这些值进行，这样有助于获得所需的性能。缓冲型转换器具有明确的输入阻抗结构，如上文所述，很容易匹配。这正是放大器实现良好响应性能所需要的。然而，当使用无缓冲型转换器时，输入阻抗会随着频率而改变。最好从ADI公司网站下载输入阻抗表，然后针对目标频段的中心频率进行设计。此外还建议使用跟踪模式阻抗值来设计两个器件之间的匹配。

    变压器略有不同，匹配仅在100MHz以上的设计中才重要，这包括上文所述的带通和宽带设计。基带设计不需要通过匹配来改善或实现数据手册性能。可利用回波损耗来匹配变压器和巴伦的副边与转换器输入级之间的反射阻抗，以便优化原边阻抗，如上例所示。由于变压器在性质上比放大器更“透明”，因此应将整个前端视为前一级的负载。这包括变压器、副边与转换器之间的无源元件以及转换器的输入阻抗，参见图8。无论使用缓冲型还是非缓冲型转换器，均适用同样的经验法则。应按照跟踪模式下的中心频率进行设计。

                                       图8：使用变压器或巴伦时的负载匹配。

移除带宽：一些前端设计只需要一定量的带宽就能使设计达到性能要求。移除带宽的最好办法是在放大器与变压器之间使用抗混叠滤波器(AAF)。在基带设计中，简单的RC滤波器就很不错。不过，还可以通过其它方式来降低带宽。在输入信号节点的原边放置一个电感也能降低带宽量，如图9所示。有时候，综合运用简单的RC滤波器与原边电感能够更快速地降低不必要的带宽，实现更陡峭的滚降。

                        图9：利用原边电感降低带宽（原理图在图表下方）

记住，转换器的带宽通常非常宽。宽带噪声总是能折返到转换器的基带或奈奎斯特区。这会提高转换器的噪底，进而降低转换器的信噪比和动态范围。

另一种降低带宽的方法是在转换器的模拟输入端并联放置一个电感，从而形成一个简单的带通滤波器。不过应小心，有些类型的电感会导致转换器变得不稳定，使得噪底像“杂草”一样杂乱无章，或者在某些情况下引起SFDR性能下降。使用电感线圈时，建议检查软Q部分，如Coilcrafts 0603CS系列。注意，电感并非“生而平等”！

扩展带宽：有些设计需要更多带宽，这不是从转换器的立场出发来考虑，而是从前端设计的立场出发来考虑。有多种方法可以扩展带宽，但同样应小心翼翼，因为通带平坦度可能达不到所需的性能。另一个常用术语是带宽“峰化”。根据放大器的不同，可以增加一两个电容，从而针对增益电阻产生峰化。其实际结果取决于放大器的拓扑结构，参见图10。对于具有引脚绑定增益引脚的放大器，电容一般位于这些节点以内，并与增益设置电阻并联。

图10：放大器带宽“峰化”示例

         变压器的带宽扩展方法稍有不同。简单方法是在转换器的各模拟输入端串联放置低Q电感或高频铁氧体磁珠。同样应注意，通带平坦度可能会改变，需要仔细权衡得失，参见图11。

      无论哪一种情况，扩展带宽都不是一件简单的事情。权衡利弊时，了解无源器件是关键。可能需要在实验室里反复试探，这通带是扩展带宽的最佳途径。像Agilent ADS等仿真工具对此可能也会有帮助。

    优化SFDR：似乎所有前端设计都优先采用33 Ω串行电阻(Rs)标准，参见图13和14，但这通常是放大器或变压器前端设计与转换器输入端之间显示的值。使用此电阻的理由是优化转换器输入端的源阻抗，并最大程度地减少返回到模拟前端的“反冲”或电荷注入。它能够优化内部采样网络的建立，提供更高的线性度，从而优化转换器的SFDR性能。

     无缓冲型转换器对此更为敏感，因为前端网络直接连接到转换器的内部采样网络。每种无缓冲型转换器都有略微不同的采样电容比或开关电容采样网络，因此并不存在一个比这更简单的答案，也没有仿真工具能够提供一个明确的电阻值或答案。解决这一问题的最佳办法是操起家伙(烙铁)，用一系列电阻逐个试验。试验的电阻值范围通常是10Ω到140Ω，参见图12。

图12：SFDR变化与串联电阻的关系（原理图在图表下方）

优化平衡：务必在前端中提供一个共模点，无论是放大器还是变压器拓扑结构，均应坚持这一点。使用放大器时，确保两个IC之间的共模电压一致。没有共模点会导致转换器过早削波或无法达到满量程。当放大器为直流耦合时，这可能会造成转换器显著失真。使用变压器时，应让中心抽头接地或端接，原因有两方面：第一，变压器的内部配置通常需要一个参考点来平衡内部电流，如果忽略这一点，变压器很可能会使信号不平衡，产生偶数阶失真；第二，当转换器过驱到饱和状态时，此点还能提供信号参考，使电流处于局部并接地。

放大器源电阻： 所有放大器都需要一定的源电阻才能正常工作。如今和未来的设计所需的频率越来越高，因此放大器必须支持高频。 放大器的频率越高，输出频率也越高。如果输出引脚上存在一定量的寄生误差，往往会导致放大器振荡。为应对这种情况，用户应习惯于在各输出端靠近放大器引脚的地方使用少量串联电阻。该串联电阻与寄生电容（形成于顶层与相邻的下方接地层之间）构成一个低通滤波器，从而提供局部接地路径。许多设计人员靠自己摸索发现了这一窍门，在实验室花费无数小时后才明白，造成信号误差和非线性的问题原来如此。

放大器和变压器拓扑结构：下面的图13和图14给出了本文讨论的放大器和无源变压器前端设计的标准拓扑结构。注意，这些电路图仅供参考。选择的器件不同，设计的性能可能大不相同。

图13：放大器配置拓扑结构

图14：变压器配置拓扑结构

要点总结

    面对新设计时，务必理解设计目标并按优先顺序排列重要参数。一般而言，VSWR/输入阻抗、通带平坦度、带宽、SNR、SFDR和输入驱动决定了前端设计的难度。先从带宽开始，考虑是基带、带通还是宽带。这将为前端设计和拓扑结构的确定指明方向与途径。
    接下来关注转换器。缓冲型转换器更容易设计，但其功耗高于无缓冲型转换器。如果设计要求无缓冲型转换器，记住查看模拟输入的输入阻抗图表。针对跟踪模式下目标频段的中心频率进行设计。
    如上所述，放大器和变压器各自都有很多优点和缺点。何者最佳，归根到底取决于设计的要求。放大器消耗功率并需要电源，好处是在接口过程中一般更容易处理。变压器是无源器件，不消耗功率，但当中频频率较高时，它表现为非线性，可能需要额外的器件进行补偿，除非找到合适的变压器。选择设计方向之前，务必检查各种方案的参数列表。
    最后，本文列出了有关前端匹配、移除或扩展带宽以及优化SFDR的指南。这些建议有助于设计人员更有针对性地优化前端设计。
    本指南旨在为所有高速ADC用户提供一个有用的参考，适用于所有类型的前端设计。开展新转换器设计时，必须仔细考虑各项参数，权衡利弊，这一点无论怎么强调也不过分。高速转换器应用指南系列的下一篇文章将从时钟网络、时钟接口和抖动的重要性这些方面，讨论如何使转换器的性能保持最佳。