隨著更高頻率中頻采樣的推進，A/D轉換器的模擬輸入和整體前端設計已成為接收器設計的關鍵要素。許多應用正在遷移到超奈奎斯特采樣，以消除系統設計中的混雜階段。放大器在這些高頻下會帶來問題，因為高性能并不像通常使用的奈奎斯特應用那樣容易實現。此外，無論使用何種輸入頻率，放大器的固有噪聲都會降低ADC的信噪比（SNR）。變壓器為設計人員提供了一種相對簡單的解決方案，既解決了噪聲問題，又為高頻輸入提供了良好的耦合機制。

變壓器

讓我們看一下變壓器的基本構成，并總結它為用戶提供的功能。首先，變壓器本質上是交流耦合的，因為它是電氣隔離的，不會通過直流電平。它為設計人員提供了基本無噪聲增益，這取決于設計人員選擇的匝數比。變壓器還提供了一種從單端電路轉換為差分電路的快速簡便方法。最后，中心抽頭變壓器提供了任意設置共模電平的自由。這種優點的組合減少了前端設計中的組件數量，在這種情況下，將復雜性保持在最低水平至關重要。

但是，使用中心抽頭變壓器時應小心。如果轉換器電路在差分模擬輸入之間出現較大的不平衡，則大量電流可能會流過變壓器的中心抽頭，可能會使磁芯飽和。例如，如果 V裁判用于驅動變壓器的中心抽頭，滿量程模擬信號過驅動ADC的輸入，打開保護二極管。

變壓器雖然外觀簡單，但不應掉以輕心。有很多東西需要了解和學習。讓我們看一個簡單的變壓器模型，看看什么是“引擎蓋下”。幾個簡單的公式將理想變壓器端子上的電流和電壓聯系起來，如圖1所示。當變壓器升壓時，其阻抗負載將反射回輸入端。匝數比 a = N 1/N2 定義了一次電壓與次級電壓的比率;電流成反比（a = I 2/I1），從次級反射的初級阻抗之比為匝數比的平方（Z1/Z2 = a 2).變壓器的信號增益簡單地表示為20 log （V2/V1） = 20 log √（Z2/Z1），因此電壓增益為3 dB的變壓器的阻抗比為1：2。這使得設計的第一步變得簡單。

圖 1a.變壓器輸入和輸出變量。

圖 1b.典型的變壓器型號。

圖1b顯示了變壓器與理想相對應的許多固有和寄生偏差。它們中的每一個在建立變壓器的頻率響應方面都有作用。它們可以幫助或阻礙性能，具體取決于前端實現。圖1b提供了一種對變壓器進行建模以獲得一階期望的好方法。一些制造商在其網站上或通過支持小組提供建模信息。任何計劃使用硬件進行模型分析的人都需要一個網絡分析儀和少量樣本來正確進行所有測量。

真正的變壓器有損耗和有限的帶寬。正如寄生效應配置所暗示的那樣，可以將變壓器視為寬帶帶通濾波器，其定義點為–3 dB。大多數制造商會根據 1、2 和 3 dB 帶寬來指定變壓器頻率響應。幅度響應伴隨著相位特性。通常，一個好的變壓器在其頻率通帶上會有1%到2%的相位不平衡。

現在我們來看一些涉及ADC變壓器耦合前端的設計示例。由于變壓器主要用于隔離和中心抽頭，因此這些示例將通過使用單位匝數比進行簡化以供討論。

例子

在圖2所示的第一個示例中，使用14位、80 Msps ADC的AD6645，差分輸入阻抗為1 kohm。33 歐姆串聯電阻器可隔離 ADC 輸入電路中的瞬態電流。選擇 501 歐姆終端電阻以在初級端實現 50 歐姆輸入，以匹配 50 歐姆模擬輸入源。因此

(1)

變壓器次級中的電阻組合有效地與 58 歐姆電阻并聯。終端電阻的選擇取決于所需的輸入阻抗。為簡單起見，假設本節中的所有示例都需要與 50 歐姆源匹配。

圖2.一種 1：1 變壓器，將 50 歐姆輸入源與具有已知輸入阻抗的 ADC 耦合。

這是一個簡單的例子，因為我們假設輸入頻率在基帶或第一奈奎斯特區。但是，如果要求前端設計來處理100 MHz模擬輸入，則情況會大不相同。變壓器中會發生什么？在施加如此高的IF頻率時，寄生電容耦合（圖1b中的C2–C5）的任何差異都會使變壓器的次級輸出不平衡。由此產生的不對稱性會在轉換器的模擬輸入端產生偶數階失真，從而導致數字信號中的二階諧波失真。

為了說明這一點，圖3顯示了向初級端施加2 V p-p正弦輸入時次級電壓（圖3a為100 MHz，圖3b為200 MHz）。每個次級輸出預計會產生1 V p-p正弦波。但在100 MHz時，它們的幅度偏差為10.5 mV p-p，相位不平衡為0.5°。在200 MHz時，幅度差為38 mV p-p，即1.9%。

圖 3a. 100MHz 輸入。模擬變壓器的次級輸出：

AIN+（綠色）= 1.364 V p-p，AIN–（紅色）= 1.354 V p-p，差值 = 10.45 mV p-p。

圖 3b. 200MHz 輸入。模擬變壓器的次級輸出：

AIN+（綠色）= 1.385 V p-p，AIN–（紅色）= 1.347 V p-p，差值 = 37.72 mV p-p。

改善這種情況的一種方法是與第一個變壓器級聯應用第二個變壓器，以提供額外的隔離并減少不平衡的容性饋通（圖 4）。

圖4.級聯變壓器。

使用這種方案，施加到轉換器的差分電壓不太可能相互偏離，特別是在最重要的高頻下。圖5說明了這一點：第一個變壓器的寄生耦合電容C1和C2的次級差異減小。級聯中的第二個變壓器可以重新分配丟失的磁芯電流，并向第二個變壓器的初級變壓器提供更相等的信號。這種配置中的兩個級聯變壓器為高頻提供了更好的平衡解決方案。

圖5.兩個級聯變壓器改善了信號平衡。

從仿真中可以看出性能優勢，如圖6所示。在圖6a中，模擬輸入為100 MHz時，偏差降至0.25 mV p-p或0.013%相位不平衡。在200 MHz（圖6b）時，變壓器的次級輸出之間只有0.88 mV p-p的差異，即0.044%。這是一個很大的改進，通過添加一個額外的組件來實現。

圖 6a. 100 MHz. 變壓器次級輸出的仿真：

AIN+（綠色）= 1.25 V p-p，AIN–（紅色）= 1.25 V p-p，差值 = 0.25 mV p-p。

圖 6b. 200 MHz. 變壓器次級輸出的仿真：

AIN+（綠色）= 1.298 V p-p，AIN–（紅色）= 1.298 V p-p，差值 = 0.88 mV p-p。

另一種方法是使用雙巴倫型變壓器配置。巴倫（平衡不平衡）的作用類似于傳輸線，通常比前面討論的標準磁通型變壓器具有更大的帶寬。它們可以在初級和次級之間提供良好的隔離，損耗相對較低。但是，它們需要更多的功率來驅動，因為從初級到次級的輸入阻抗減半。圖7a顯示了為實現寬通帶而使用的通用實現方案。在圖7b中，巴倫型變壓器對不平衡進行了預補償。

圖 7a.變壓器耦合輸入采用雙巴倫型變壓器配置。

圖 7b.使用補償巴倫型變壓器的變壓器耦合輸入。

響應峰值

圖8a顯示了典型的變壓器頻率響應，基本上是帶寬超過100 MHz的寬帶濾波器的頻率響應。與變壓器初級串聯的電感可用于改變變壓器的帶寬響應，方法是在通帶內達到峰值增益并在通帶外提供更陡峭的滾降（圖 8b）。電感具有在傳遞函數中增加零點和極點的作用。

圖 8a.典型變壓器的頻率響應。

圖 8b.帶電感器的典型變壓器的頻率響應。

圖9所示為圖2中帶有串聯電感的電路。電感值取決于所需的峰值和帶寬量。但是，設計人員應注意，當響應平坦度和表現良好的相位響應是重要標準時，這種峰值可能是不可取的。

圖9.電感器通過 1：1 變壓器和已知的 ADC 輸入阻抗補償 50 歐姆輸入阻抗。

開關電容型ADC

到目前為止，我們只討論了與已知輸入阻抗的ADC接口，以AD6645-80為例。但是，具有開關電容接口的ADC呢？開關電容ADC沒有內部緩沖器，因此用戶直接與內部采樣電路連接，該電路的阻抗隨施加的輸入頻率變化很大。在圖10中，模數轉換器是具有10 MHz模擬輸入的AD9236-80。在軌道（采樣）模式下，輸入看起來像一個4，135歐姆差分阻抗和一個1.9 pF電容并聯。但是保持模式看起來會有所不同。應用筆記AN-742提供了獲取這些模擬輸入阻抗值的良好信息。ADI公司的許多開關電容ADC值都可以在ADI公司網站上的ADC產品頁面上以電子表格形式下載，提供0.3 MHz至1 GHz的采樣保持值。

圖 10.開關電容前端實現。

200 nH 串聯電感旨在抵消從 ADC 輸入反射回來的輸入電容的電抗，使輸入看起來盡可能具有阻性，以便在目標頻帶內實現良好的 50 歐姆端接。請注意，其他電感值可用于設置所需的帶寬和增益平坦度，如圖8b所示。

對于此處討論的所有示例，使用了1：1的匝數比（阻抗比）。因此，變壓器提供0 dB的標稱電壓增益。這是最容易配置的變壓器類型，因為變壓器的寄生效應相對容易理解和補償。但是，當輸入信號較低時，某些應用可能需要固有的電壓增益。使用1：2或1：4（阻抗比為4或16）的匝數比，變壓器分別提供6 dB或12 dB的電壓增益。

這樣做的好處是，與放大器不同，變壓器基本上不產生噪聲。然而，1：2或1：4變壓器中的寄生效應更難補償，特別是在很寬的頻率范圍內。例如，在 1：2 匝數比下，電容項翻了四倍，而電感項和電阻項則降至原始值的四分之一。對于 1：4 的匝數比，相同的項向上或向下增加 16 倍。當與開關電容輸入ADC接口時，挑戰更加困難，因為容性項既大又隨頻率變化。考慮到這些困難，進行此類設計的最佳方法是針對給定頻段內的目標中心頻率進行優化。

結論

有經驗的設計師會注意到，我們的討論主要集中在理想的電路關系上，雖然暗示了匝數比和寄生問題，以及處理這些問題的一些架構設計方法，但我們只是略過了表面。那么，在處理新設計時要做什么呢？設計人員需要盡可能多地了解為設計選擇的與ADC相關的變壓器。在任何前端設計中，最好的方法是研究在目標頻率上起作用的寄生效應。正確的設計和分析涉及使用網絡分析儀。它將展示前端設計在給定頻率范圍內在阻抗、駐波比、插入損耗和差分相位失配方面的作用，從而提供有關ADC在變壓器耦合應用中如何工作的大量關鍵信息。

審核編輯：郭婷