本文還將比較各種有源接收器前端設(shè)計(jì)方法，包括低噪聲放大器 （LNA）、全差分放大器 （FDA） 和經(jīng)典的無(wú)源寬帶巴倫。

比較 AC 性能權(quán)衡

在將巴倫、LNA 和 FDA 與TRF1208等單端轉(zhuǎn)差分 （S2D） 放大器進(jìn)行比較時(shí)，重要的是要回顧設(shè)計(jì)寬帶、高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 接口時(shí)所涉及的指標(biāo)。如果提前考慮，以下五個(gè)指標(biāo)可以幫助保持設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和正軌：

輸入阻抗或電壓駐波比 （VSWR） 是一個(gè)無(wú)單位參數(shù)，它顯示在感興趣的帶寬內(nèi)有多少功率反射到負(fù)載中。網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗是負(fù)載的規(guī)定值，通常為 50 Ω。

帶寬只是系統(tǒng)中使用的開(kāi)始和結(jié)束頻率，通常距某個(gè)參考點(diǎn) –3 dB。

通帶平坦度通常定義為在指定帶寬內(nèi)可容忍的波動(dòng)量或紋波量：例如，1.0 dB 或+ 5 dB。這些水平可以或多或少地用斜率定義。

在 AC 性能中，對(duì)于單音，信噪比 （SNR） 和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 （SFDR） 很重要，而三階互調(diào)失真 （IMD3） 在雙音設(shè)置中很重要。

輸入驅(qū)動(dòng)電平是帶寬、輸入阻抗和 VSWR 規(guī)格的函數(shù)。該電平設(shè)置轉(zhuǎn)換器滿量程輸入信號(hào)所需的增益或幅度。它高度依賴于前端組件——巴倫、放大器和抗混疊濾波器——并且可能是最難實(shí)現(xiàn)的參數(shù)之一。

需要明確的是，這些指標(biāo)封裝了整個(gè)前端接口設(shè)計(jì)，而不僅僅是 ADC。首先考慮這些指標(biāo)可能會(huì)幫助您在主動(dòng)或被動(dòng)前端之間做出決定。

本質(zhì)上，您只需執(zhí)行由前端帶寬、輸入驅(qū)動(dòng)和交流性能（SNR 和 SFDR）組成的頻率掃描，即可快速評(píng)估整體前端設(shè)計(jì)的差異。

讓我們看一下五種不同的前端設(shè)計(jì)，以比較這些指標(biāo)的權(quán)衡，如圖 1 所示。

圖 1五個(gè)前端包括僅基于巴倫、一個(gè) LNA、一個(gè)巴倫加 FDA、一個(gè)單端 FDA 和 TRF1208 的設(shè)計(jì)。資料來(lái)源：德州儀器

接下來(lái)，圖 2顯示了在高達(dá) 10 GHz 的頻率上的輸入帶寬和輸入驅(qū)動(dòng)電平的權(quán)衡。每個(gè)設(shè)計(jì)的前端帶寬指示在 1.4 GHz 時(shí)達(dá)到 –6 dBFS 所需的 –3-dB 帶寬和輸入驅(qū)動(dòng)電平。例如，查看 TRF1208，只需 –16-dBm 輸入信號(hào)即可達(dá)到 ADC 滿量程值的 –6 dBFS。相反，使用寬帶巴倫大約需要 +1 dBm 才能達(dá)到相同的水平。兩者之間，信號(hào)強(qiáng)度相差 17 dBm。巴倫和寬帶接口網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生損耗，因此會(huì)提高整個(gè)信號(hào)鏈的噪聲系數(shù)。底線是巴倫會(huì)產(chǎn)生損耗，LNA 和 FDA 前端設(shè)計(jì)也是如此，其中包括用于 S2D 信號(hào)轉(zhuǎn)換的巴倫。

圖 2以下是五種前端設(shè)計(jì)中的頻率響應(yīng)。資料來(lái)源：德州儀器

圖 2 說(shuō)明了從大約 DC 到 8 GHz 的通帶平坦度。盡管所有前端設(shè)計(jì)都可以達(dá)到 8 GHz，但每個(gè)設(shè)計(jì)都有不同的峰值和谷值需要應(yīng)對(duì)。平心而論，可以根據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)值的變化以及設(shè)計(jì)的最終要求來(lái)微調(diào)這些峰值和谷值。

巴倫有損耗，因此寬帶巴倫接口需要更高的信號(hào)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，巴倫初級(jí)端的信號(hào)電平為 +1-dBm，以在 ADC 輸出上實(shí)現(xiàn) –6 dBFS。由于所有其他比較都使用有源放大器設(shè)備（所有這些設(shè)備都具有固有的各種增益），因此所需的輸入驅(qū)動(dòng)電平將大大降低：從 –5 dBm 到 –16 dBm。您可以進(jìn)行進(jìn)一步的分析和前端工作，以“平衡”收益和輸入網(wǎng)絡(luò)損失。與此同時(shí)，這些信息確實(shí)讓您對(duì)深入了解交流性能之前的預(yù)期有所了解。

SNR 和 SFDR 排名

在相同帶寬上進(jìn)行頻率掃描可捕獲 SNR、SFDR 和 IMD3 性能。這些是典型的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，用于在設(shè)計(jì)高速轉(zhuǎn)換器時(shí)進(jìn)行比較權(quán)衡。

圖 3顯示了各種配置之間的 SNR 權(quán)衡。

圖 3顯示了五種前端設(shè)計(jì)的 SNR 值。資料來(lái)源：德州儀器

將紫色曲線視為基線性能，您可以看到寬帶巴倫接口在轉(zhuǎn)換器的整個(gè)帶寬內(nèi)提供了最佳的 SNR 性能。代表 LNA 方法的綠色曲線排在第二位，因?yàn)檫@些類型的有源器件通常具有非常低的噪聲系數(shù)，增加了大約 1 dB 到 2 dB 的噪聲。FDA 排在第三位，因?yàn)樗膶拵г肼暠?LNA 高，但比 TRF1208 低。在單端輸入配置中使用 FDA 時(shí)，共模噪聲消除存在一個(gè)小問(wèn)題，因?yàn)槠湓谳斎肷系墓逃性O(shè)計(jì)預(yù)期全差分信號(hào)。使用這種類型的配置會(huì)稍微影響 SNR。

TRF1208 排在最后。但是，它具有更多的輸出噪聲，因?yàn)樗哂斜?FDA 更高的增益。請(qǐng)記住，較高的有源增益將傾向于獲得設(shè)備自身產(chǎn)生的噪聲。例如，對(duì)于 2 GHz 模擬輸入信號(hào)，TRF1208 在 –166.7 dBm/Hz 時(shí)具有等于 16 dB 的增益和等于 8 dB 的噪聲系數(shù)，產(chǎn)生 150.7 dBm/Hz 的輸出噪聲。FDA 在 –163.3 dBm/Hz 時(shí)具有等于 10 dB （S2D） 的增益和等于 11 dB 的噪聲系數(shù)，產(chǎn)生 –153.3 dBm/Hz 的輸出噪聲。

所有設(shè)計(jì)都配置為盡可能寬的帶寬，如圖 2 所示。在任何有源設(shè)計(jì)中，通過(guò)在放大器輸出和 ADC 輸入之間使用抗混疊濾波器來(lái)降低帶寬將有助于降低感興趣頻帶之外的寬帶噪聲。它還有助于降低轉(zhuǎn)換器“看到”的噪聲，從而將 SNR 推回到基線性能，如圖 1 所示（WB Balun + 5200RF ADC）。

圖 4從線性角度顯示了各種前端配置之間 10 GHz 頻率掃描的 SFDR 動(dòng)態(tài)范圍。SFDR 是一種單音測(cè)量，可以很好地觀察目標(biāo)頻率內(nèi)的任何限制諧波（二次諧波、三次諧波、四次諧波）。

圖 4顯示了五種前端設(shè)計(jì)的 SFDR 值。資料來(lái)源：德州儀器

再次查看作為基線性能的紫色曲線，您可以看到寬帶巴倫接口將在轉(zhuǎn)換器的整個(gè)帶寬內(nèi)產(chǎn)生可能的最佳 SFDR。代表 LNA 的綠色曲線顯示性能非常下降，尤其是在高達(dá) 5 GHz 的較低頻段，因?yàn)殍b于 LNA 的單端特性，偶次失真 （HD2） 將始終占主導(dǎo)地位。HD2 最終會(huì)超出 ADC 的帶寬。

當(dāng)使用差分前端方法時(shí)，F(xiàn)DA 似乎在 0.5 至 3.5 GHz 領(lǐng)域擁有一定的三階優(yōu)勢(shì)。使用單端方法時(shí)，在 0.5 至 5 GHz 范圍內(nèi)，更偶數(shù)階的劣化優(yōu)勢(shì)明顯。

TRF1208 一直與無(wú)源基線前端保持一致，這說(shuō)明了為什么該放大器是需要有源器件的寬帶前端的首選。

雙音測(cè)量

另一種常見(jiàn)的轉(zhuǎn)換器測(cè)試指標(biāo)，雙音測(cè)量會(huì)產(chǎn)生 IMD3 結(jié)果或三階互調(diào)失真，并快速模擬現(xiàn)實(shí)世界的系統(tǒng)應(yīng)用信號(hào)。簡(jiǎn)而言之，雙音測(cè)量主動(dòng)評(píng)估同時(shí)注入前端接口的兩個(gè)信號(hào)。這兩個(gè)信號(hào)通常相互偏移 10 MHz，并被驅(qū)動(dòng)到相同的電平，或分別為 –7 dBFS。圖 5顯示了 IMD3+（2 × F1 + F2 或 2 × F2 + F1）結(jié)果。捕獲時(shí)，該圖不包括 IMD3–（2 × F1 – F2 或 2 × F2 – F1），以便于說(shuō)明性能差異。

圖 5這是 IMD3+ 在五種前端設(shè)計(jì)中的樣子。資料來(lái)源：德州儀器

紫色曲線再次說(shuō)明了基線性能，您可以看到寬帶巴倫接口將在轉(zhuǎn)換器的整個(gè)帶寬內(nèi)產(chǎn)生可能的最佳 IMD3 性能。代表 LNA 的綠色曲線顯示了相對(duì)于寬帶巴倫接口的性能下降。代表 FDA 接口的藍(lán)色和黑色曲線的性能也相對(duì)于基線有所下降，最高可達(dá) 5 GHz。對(duì)于整個(gè)頻率掃描，TRF1208 與無(wú)源基線前端保持一致。同樣，它說(shuō)明了為什么該放大器在寬帶前端需求方面是首選。

此外，經(jīng)過(guò)評(píng)估的 FDA 有兩個(gè)電源，一個(gè)負(fù)電源，并消耗高達(dá) 1.8 W 的功率以保持低噪聲。這是降低噪聲并增加放大器的動(dòng)態(tài)余量并在設(shè)計(jì)中投入更多功率的經(jīng)典方法。LNA 耗散的功率最少；僅 0.275 W，采用單 5 V 電源。TRF1208 采用 5V 單電源供電，功耗僅為 0.675 W。

本文的目的是為 ADC 模擬前端接口設(shè)計(jì)的缺陷提供快速入門(mén)指南，并提供一些有用且熟悉的設(shè)計(jì)比較，并介紹新型 TRF1208 差分放大器。對(duì)于任何新的寬帶前端設(shè)計(jì)，建議評(píng)估指標(biāo)權(quán)衡并提前仔細(xì)計(jì)劃。注意相位不平衡，因?yàn)槿绻麘?yīng)用程序的頻率計(jì)劃中有偶數(shù)階失真，它可能會(huì)造成嚴(yán)重破壞。鑒于巴倫和放大器的特性及其優(yōu)缺點(diǎn)，重要的是要權(quán)衡取舍并做出明智的選擇。

德州儀器 （TI） 高速轉(zhuǎn)換器應(yīng)用經(jīng)理 Rob Reeder 是 Planet Analog 的 Signal Chain Basics 博客 #174 的作者。

　　審核編輯：湯梓紅