关于宽带ADC前端设计考虑：用放大器还是用变压器驱动ADC？

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高性能魔术转换器（ADC）“前端”的输入配置设计对达到要求的系统性能至关重要。优化总体设计取决于很多因素 ，包括应用性质、系统组成和ADC的结构。以下的问答主要节绍了使用放大器和变压器影响ADC前端设计的一些重要的实际考虑。

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https://ezchina.analog.com/thread/8605

问：放大器和变压器根本区别是什么？

答：放大器是有源器件，而变压器是无源器件。放大器和其它所有的有源器件一样，消耗功率并且产生噪声；变压器不消耗功率并且产生的噪声可以忽略不计。两者都涉及到动态效应问题。

问：为什么选择放大器？

答：放大器的性能限制比变压器少。如果必须保持直流（DC）电平，就必须使用放大器，因为变压器是固有的交流（AC）器件。另外，如果需要，变压器可以提供电流隔离。放大器提供增益比较容易，因为放大器的输出阻抗实质上与增益无关。另一方面，变压器的输出阻抗与电压增益呈平方关系增加——电压增益取决于匝数比。放大器在通带范围内提供平坦的响应，而没有由于变压器寄生交互作用引起的纹波。

问：放大器通常产生的噪声有多大？如何减少这些噪声？

答：让我们考虑一个典型的放大器，例如ADA49371，如果设置增益G＝1，那么输出的噪声谱密度在高频部分是6 nV/√Hz，与此频带可比的采样速率为80MSPS 的AD9446－82 ADC的输入噪声谱密度是10nV/√Hz。这里的问题是，放大器的噪声带宽等于ADC的全带宽（中心频率位于500 MHz），而ADC的噪声又必须限制在第一奈奎斯特范区（40 MHz）。在没有滤波器的情况下，放大器的噪声有效值是155 μVrms，ADC的噪声有效值是90 μV。从理论上讲，总系统的信噪比（SNR）降低了6dB。为了从实验上证实这一点，用ADA4937驱动的AD9446-80测量的SNR结果是76 dBFS,本底噪声是－118dB(见图1)。如果改用变压器来驱动AD9446-80，测量SNR结果是82 dBFS。因此用放大器驱动ADC可将SNR降低6dB。

图1. 使用没有噪声滤波器的ADA4937放大器驱动80 MSPS采样速率的AD9446-80 ADC

为了提高ADC的信噪比，在放大器和ADC之间加了一个滤波器。如果使用的是一个100MHz的双极点滤波器，放大器的总噪声有效值变为71 μV，使ADC的信噪比仅降低3 dB 。使用双极点滤波器改善了图1电路的SNR达到79 dBFS，本底噪声为－121dB，如图2a所示。构建双极点滤波器的方法是放大器的每个输出引脚都串联一个24Ω的电阻器和一个30 nH的电感器并且差分连接一个47pF的电容器（见图2b）。

图2a. 使用在外接100 MHz噪声滤波器的ADA4937放大器驱动AD9446-80 ADC

图2b. 使用外接双极点噪声滤波器的ADA4937放大器驱动AD9446-80ADC原理图

问：高速放大器和ADC在功耗方面有何不同？

答：这要看使用的放大器和ADC。具有相似功耗的两种典型放大器，AD83523在5 V电压下的电源电流是37 mA（185 mW）,ADA4937在5 V电压下的电源电流是40 mA(200 mW)。如果使用3.3 V电源供电，它们的功耗都可以降低三分之一，同时会稍微降低它们的一些性能。ADC的功耗差异性较大，这取决于它们的分辨率和采样速率。16 bit, 80 MSPS 的AD9446-80 功耗为2.4 W，14 bit,125 MSPS的AD9246-1254 功耗为415mW,12 bit,20 MSPS 的AD9235-205功耗仅为95mW。

问：在什么情况下需要使用变压器呢？

答：当信号的频率很高而且ADC的输入端不允许很大的附加噪声时，变压器具有超越放大器的最大性能优势。

问：变压器和放大器在增益方面有何不同？

答：主要的区别在于ADC的输入阻抗，它直接影响系统的带宽。变压器的输入阻抗和输出阻抗与匝数比的平方有关，而放大器的输入阻抗和输出阻抗与增益（G）根本无关无关。

例如，采用一个增益G=2的变压器，并且变压器的输入阻抗为50Ω，输出阻抗为200 Ω。 AD9246 ADC有一个4 pF的差分输入电容，它与一个200 Ω输出阻抗的变压器相连，会使ADC的-3dB带宽范围从650 MHz降低到200 MHz。为了提高ADC的性能和减少踢回噪声(kickback noise)，通常需要外接一只串联电阻和微分电容，这样会进一步限制-3 dB的带宽，大概下降到100 MHz。

如果使用一个低输出阻抗的放大器，例如使用ADA4937，结果通常会提供低于5 Ω的源阻抗。这样每个ADC的输入端可串联一只25 Ω限制瞬态电流的电阻器；这对于选用650 MHz模拟输入带宽的AD9246，应该是合适的。

到目前为止，我们一直在围绕-3 dB带宽进行讨论。如果在单极点系统中需要增益起伏比较平坦，比方说0.5 dB，那么需要将-3 dB带宽扩展大约3倍。对于0.1 dB平坦度，需要将-3 dB带宽扩展6.5倍。如果需要0.5 dB平坦度达到150 MHz带宽，那么它的-3 dB带宽必须大于450 MHz。采用 G = 2的变压器很难做到这一点，但是采用低输出阻抗的放大器很容易实现。

问：在究竟选择变压器还是放大器来驱动ADC时，要考虑哪些因素呢？

答：我们可以把这些因素归结为6个参数，如下表所示：

参数	通常优势
带宽	变压器
增益	放大器
通带平坦性	放大器
功耗要求	变压器
噪声	变压器
直流与交流耦合	放大器（保持直流信号） 变压器（隔离直流信号）

在有多个关键参数发生冲突的应用中，要做进一步分析和权衡。

问：那么在分析中有要考虑哪些因素呢？

答：首先要了解为给定的ADC设计前端的困难程度。第一，要了解ADC内部有缓冲器呢，还是没有（例如，开关电容型前端）？很显然，不论是哪一种情况，困难程度会随着频率的增高而增加。但是，对设计工程师来说，处理开关电容会更难一些。

如果需要增益充分利用ADC的输入范围，那么倾向于采用变压器的应用会随着需要的增益（匝数比）增大变得越来越困难。

当然，困难程度会随着频率的增高而增加。采用一个带缓冲器的ADC来设计一个低于100 MHz的中频（IF）系统要比采用不带缓冲器的ADC设计一个小信号高IF系统要相对容易一些，如图3所示。由于引进许多不同的参数，权衡利弊往往会变得很难，而且常常为跟追改变元件和评估参数的过程而感到困惑。

图3. 设计难度与频率的关系

随着设计的改进，使用电子数据表格记录所有的参数可能很有用。不存在满足所有情况的最佳设计方案；它取决于可提供的器件和应用技术指标。

jyhking

太服了，

amu858585

非常好的帖子，感谢楼主。