【導讀】在將巴倫、LNA和FDA與TRF1208等單端轉差分(S2D)放大器進行比較時，重要的是要搞清楚設計寬帶、高性能模數轉換器(ADC)接口時所涉及的指標。
AC性能比較權衡
在將巴倫、LNA和FDA與TRF1208等單端轉差分(S2D)放大器進行比較時，重要的是要搞清楚設計寬帶、高性能模數轉換器(ADC)接口時所涉及的指標。如果提前考慮好的話，以下五個指標可以有助于使設計不出問題：
輸入阻抗或電壓駐波比(VSWR)：該參數是一個無量綱參數，它顯示在有用帶寬內有多少功率被反射到負載中。網絡輸入阻抗是負載的特定值，通常為50Ω。
帶寬：系統中的起始和截止頻率，通常距某個參考點–3dB。
通帶平坦度：通常定義為指定帶寬內可容忍的波動量或紋波量。例如，1.0dB或+5dB。這些可以或多或少地用斜率定義。
AC性能中，對于單音來說，信噪比(SNR)和無寄生動態范圍(SFDR)很重要;而對于雙音而言，非常重要的卻是三次互調失真(IMD3)。
輸入驅動電平：該參數是帶寬、輸入阻抗和VSWR的函數。該電平確定轉換器滿量程輸入信號所需的增益或幅度。它高度依賴于前端組件——巴倫、放大器和抗混疊濾波器——并且可能是最難實現的參數之一。
需要明確的是，這些指標概括了整個前端接口設計，而不僅僅是ADC。事先考慮好這些指標，將有助于在有源或無源前端之間做出正確選擇。
實際上，只需對前端帶寬、輸入驅動和交流性能(SNR和SFDR)的各頻率進行掃描，即可快速評估整體前端設計的差異。
觀察以下五種不同的前端設計，對這些指標進行比較權衡，如圖1所示。
圖1：分別基于一個巴倫、一個LNA、一個巴倫加FDA、一個單端FDA和TRF1208放大器的五種前端設計。資料來源：德州儀器
接下來，圖2顯示了在頻率高達10GHz的頻段上輸入帶寬和輸入驅動電平的權衡。對于每款設計，都考慮其前端帶寬(–3dB帶寬)和1.4GHz頻率上達到–6dBFS所需的輸入驅動電平。例如，查看TRF1208數據，只需–16dBm輸入信號即可達到ADC滿量程值的–6dBFS。然而，使用寬帶巴倫時卻大約需要+1dBm才能達到相同的水平。兩者之間，信號強度相差17dBm。巴倫和寬帶接口網絡會產生損耗，因此會提高整個信號鏈的噪聲系數。位于下面的跡線顯示巴倫會產生損耗，而LNA和FDA前端設計也是如此，其中包括用于S2D信號轉換的巴倫。
圖2：五種前端設計各自的頻率響應。
圖2顯示出從大約DC到8GHz的通帶平坦度。盡管所有前端設計都可以達到8GHz，但每個設計都有需要應對的不同的峰值和谷值。平心而論，可以根據輸入網絡值的變化以及設計的最終要求來微調這些峰值和谷值。
巴倫本身有損耗，因此寬帶巴倫接口需要更高的信號驅動電平，為了在ADC輸出上實現-6dBFS，巴倫初級端的信號電平需高達+1dBm。由于所有其他比較對象都使用了有源放大器件(所有這些器件都具有各種固有增益)，因此所需的輸入驅動電平將大大降低：從–5dBm到–16dBm。可以進行進一步的分析和前端設計，來“平衡”增益和輸入網絡損耗。與此同時，在深入了解交流性能之前，這些信息確實讓設計師對預期結果提前有所了解。
SNR和SFDR
在相同帶寬上進行頻率掃描可捕獲SNR、SFDR和IMD3性能。這些是典型的標準測試，用于在設計高速轉換器時進行比較權衡。
圖3顯示了各種架構之間的SNR權衡。
圖3：五種前端設計的SNR值。
將紫色曲線視為基準性能，可以看到寬帶巴倫接口在轉換器的整個帶寬內的SNR性能最佳。代表LNA方法的綠色曲線排在第二位，雖然這些類型的有源器件通常具有非常低的噪聲系數，還是增加了大約1dB到2dB的噪聲。FDA排在第三位，因為它的寬帶噪聲比LNA高，卻比TRF1208低。在單端輸入架構中使用FDA時，共模噪聲消除是一個小問題，因為在輸入端其固有設計期望的是全差分信號。使用這種類型的架構會對SNR稍微帶來一些影響。
TRF1208排在最后。其輸出噪聲最大，因為它具有比FDA更高的增益。請記住，較高的有源增益將會放大器件自身產生的噪聲。例如，當模擬輸入信號為2GHz時，TRF1208的增益為16dB，在–166.7dBm/Hz時的噪聲系數等于8dB，導致輸出噪聲為–150.7dBm/Hz。而FDA的增益等于10dB(S2D)，在–163.3dBm/Hz時的噪聲系數等于11dB，導致的輸出噪聲為–153.3dBm/Hz。
所有設計所配置的帶寬都會盡可能寬，如圖2所示。在任何有源設計中，通過在放大器輸出和ADC輸入之間使用抗混疊濾波器來降低帶寬，將有助于降低有用頻帶之外的寬帶噪聲。它還有助于降低轉換器接收的噪聲，從而將SNR推回到基準性能，如圖1所示(WB Balun+5200RF ADC)。
圖4顯示了各種前端配置在10GHz頻率范圍內進行線性掃描得到的SFDR動態范圍。SFDR是一種單音測量，可以很好地觀察有用頻段內的任何諧波(二次、三次、四次諧波)。
圖4：五種前端設計的SFDR值
再次查看作為基準性能的紫色曲線，可以發現寬帶巴倫接口將在轉換器的整個帶寬內實現的SFDR最佳。代表LNA的綠色曲線顯示性能最差，尤其是在高達5GHz以下的較低頻段，這是因為LNA的單端特性所致，因為偶次失真(HD2)將始終是主要諧波分量。HD2最終會落到ADC帶寬之外。
當前端使用差分時，在0.5至3.5GHz范圍內，FDA中的主要諧波分量為三次諧波。使用單端方法時，在0.5至5GHz范圍內，主要分量則明顯為偶次諧波。
圖中發現，TRF1208的FDA性能一直與無源基準前端一致，這說明了為什么在寬帶前端需要有源器件時，該放大器是首選的原因。
雙音測量
另一種常見的轉換器測試指標是雙音測量，不過會導致IMD3或三次互調失真增加，并快速仿真實際應用系統中的信號。簡而言之，雙音測量有效評估同時注入前端接口的兩個信號。通常將這兩個信號相互偏移10MHz，并被放大到相同的電平，或者均為–7dBFS。圖5所示為IMD3+(2×F1+F2或2×F2+F1)分量。為便于說明性能差異，圖中不包括IMD3–(2×F1–F2或2×F2–F1)分量。
圖5：五種前端設計中的IMD3+
紫色曲線再次作為基準性能，可以看到寬帶巴倫接口將在轉換器的整個帶寬內產生的IMD3性能最佳。代表LNA的綠色曲線顯示出性能相對于寬帶巴倫接口的下降。相對于基準，代表FDA接口的藍色和黑色曲線的性能也有所下降，最高可達5GHz。在整個頻率掃描范圍內，TRF1208與無源基準前端保持一致。同樣這也說明在寬帶前端需求方面，為什么說該放大器是首選的原因。
此外， FDA評估需要用兩個電源，其中一個為負電源;為了保持低噪聲，功耗僅為1.8W。這是一種經典設計方法，一方面降低噪聲，同時增加了放大器的動態范圍，以便使設計能夠提供更高功率。其中，LNA功耗最小，僅0.275W，采用5V單電源。TRF1208亦采用5V單電源供電，而功耗為0.675W。
本文對如何克服ADC模擬前端接口設計的缺陷提供快速入門指南，并提供一些有用且熟悉的設計比較，并介紹新型TRF1208差分放大器。對于任何新的寬帶前端設計，建議提前仔細評估各項指標，并作出權衡。要注意相位平衡，因為失衡時，如果有用頻率中含有偶次諧波，可能會造成嚴重影響。巴倫和放大器設計性能各具優缺點，重要的是要會權衡取舍，并做出明智的選擇。
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