通過本文第一部分內容的介紹，相信廣大工程師朋友已經了解到了前端設計的權衡因素，并知道該如何開發基帶、帶通或寬帶轉換器應用的高性能前端。本期ADI轉換器應用指南的第二部分，我們將為大家詳細介紹具體的前端設計指南。
前端設計指南
為需要達到一定性能水平的轉換器設計前端時，有大量事情需要考慮。本部分首先將說明變壓器前端和放大器前端各自的優點，以便讀者更好地了解為什么有些事情可行，有些事情不可行。然后會給出一些通用框圖示例，以可視化方式顯示不同類型的前端拓撲結構。
匹配：解決工程設計問題時，最好是將它分解成多個小問題，這樣不致于無處下手。通常來說，前端設計至少可以分解為兩個問題。第一個是前端與之前一級的接口，第二個是副邊或放大器輸出端與轉換器的匹配。使用放大器時，輸入和輸出阻抗通常均已確定，并清楚顯示于數據手冊中。放大器輸出端一般需要一定的負載，以便實現良好的性能。放大器的數據手冊一般會列出一組用于測量器件輸入端和輸出端特性的端接電阻。設計最好基于這些值進行，這樣有助于獲得所需的性能。緩沖型轉換器具有明確的輸入阻抗結構，如上文所述，很容易匹配。這正是放大器實現良好響應性能所需要的。然而，當使用無緩沖型轉換器時，輸入阻抗會隨著頻率而改變。最好從ADI公司網站下載輸入阻抗表，然后針對目標頻段的中心頻率進行設計。此外還建議使用跟蹤模式阻抗值來設計兩個器件之間的匹配。
變壓器略有不同，匹配僅在100MHz以上的設計中才重要，這包括上文所述的帶通和寬帶設計。基帶設計不需要通過匹配來改善或實現數據手冊性能。可利用回波損耗來匹配變壓器和巴倫的副邊與轉換器輸入級之間的反射阻抗，以便優化原邊阻抗，如上例所示。由于變壓器在性質上比放大器更“透明”，因此應將整個前端視為前一級的負載。這包括變壓器、副邊與轉換器之間的無源元件以及轉換器的輸入阻抗，參見圖8。無論使用緩沖型還是非緩沖型轉換器，均適用同樣的經驗法則。應按照跟蹤模式下的中心頻率進行設計。
圖8：使用變壓器或巴倫時的負載匹配。
移除帶寬：一些前端設計只需要一定量的帶寬就能使設計達到性能要求。移除帶寬的最好辦法是在放大器與變壓器之間使用抗混疊濾波器（AAF）。在基帶設計中，簡單的RC濾波器就很不錯。不過，還可以通過其它方式來降低帶寬。在輸入信號節點的原邊放置一個電感也能降低帶寬量，如圖9所示。有時候，綜合運用簡單的RC濾波器與原邊電感能夠更快速地降低不必要的帶寬，實現更陡峭的滾降。
圖9：利用原邊電感降低帶寬（原理圖在圖表下方）
記住，轉換器的帶寬通常非常寬。寬帶噪聲總是能折返到轉換器的基帶或奈奎斯特區。這會提高轉換器的噪底，進而降低轉換器的信噪比和動態范圍。
另一種降低帶寬的方法是在轉換器的模擬輸入端并聯放置一個電感，從而形成一個簡單的帶通濾波器。不過應小心，有些類型的電感會導致轉換器變得不穩定，使得噪底像“雜草”一樣雜亂無章，或者在某些情況下引起SFDR性能下降。使用電感線圈時，建議檢查軟Q部分，如Coilcrafts 0603CS系列。注意，電感并非“生而平等”！
擴展帶寬：有些設計需要更多帶寬，這不是從轉換器的立場出發來考慮，而是從前端設計的立場出發來考慮。有多種方法可以擴展帶寬，但同樣應小心翼翼，因為通帶平坦度可能達不到所需的性能。另一個常用術語是帶寬“峰化”。根據放大器的不同，可以增加一兩個電容，從而針對增益電阻產生峰化。其實際結果取決于放大器的拓撲結構，參見圖10。對于具有引腳綁定增益引腳的放大器，電容一般位于這些節點以內，并與增益設置電阻并聯。
圖10：放大器帶寬“峰化”示例
變壓器的帶寬擴展方法稍有不同。簡單方法是在轉換器的各模擬輸入端串聯放置低Q電感或高頻鐵氧體磁珠。同樣應注意，通帶平坦度可能會改變，需要仔細權衡得失，參見圖11。
圖11：利用副邊電感/鐵氧體磁珠擴展帶寬（原理圖在圖表下方）
無論哪一種情況，擴展帶寬都不是一件簡單的事情。權衡利弊時，了解無源器件是關鍵。可能需要在實驗室里反復試探，這通帶是擴展帶寬的最佳途徑。像Agilent ADS等仿真工具對此可能也會有幫助。
優化SFDR：似乎所有前端設計都優先采用33 Ω串行電阻（Rs）標準，參見圖13和14，但這通常是放大器或變壓器前端設計與轉換器輸入端之間顯示的值。使用此電阻的理由是優化轉換器輸入端的源阻抗，并最大程度地減少返回到模擬前端的“反沖”或電荷注入。它能夠優化內部采樣網絡的建立，提供更高的線性度，從而優化轉換器的SFDR性能。
無緩沖型轉換器對此更為敏感，因為前端網絡直接連接到轉換器的內部采樣網絡。每種無緩沖型轉換器都有略微不同的采樣電容比或開關電容采樣網絡，因此并不存在一個比這更簡單的答案，也沒有仿真工具能夠提供一個明確的電阻值或答案。解決這一問題的最佳辦法是操起家伙（烙鐵），用一系列電阻逐個試驗。試驗的電阻值范圍通常是10Ω到140Ω，參見圖12。
圖12：SFDR變化與串聯電阻的關系（原理圖在圖表下方）
優化平衡：務必在前端中提供一個共模點，無論是放大器還是變壓器拓撲結構，均應堅持這一點。使用放大器時，確保兩個IC之間的共模電壓一致。沒有共模點會導致轉換器過早削波或無法達到滿量程。當放大器為直流耦合時，這可能會造成轉換器顯著失真。使用變壓器時，應讓中心抽頭接地或端接，原因有兩方面：第一，變壓器的內部配置通常需要一個參考點來平衡內部電流，如果忽略這一點，變壓器很可能會使信號不平衡，產生偶數階失真；第二，當轉換器過驅到飽和狀態時，此點還能提供信號參考，使電流處于局部并接地。
放大器源電阻： 所有放大器都需要一定的源電阻才能正常工作。如今和未來的設計所需的頻率越來越高，因此放大器必須支持高頻。 放大器的頻率越高，輸出頻率也越高。如果輸出引腳上存在一定量的寄生誤差，往往會導致放大器振蕩。為應對這種情況，用戶應習慣于在各輸出端靠近放大器引腳的地方使用少量串聯電阻。該串聯電阻與寄生電容（形成于頂層與相鄰的下方接地層之間）構成一個低通濾波器，從而提供局部接地路徑。許多設計人員靠自己摸索發現了這一竅門，在實驗室花費無數小時后才明白，造成信號誤差和非線性的問題原來如此。
放大器和變壓器拓撲結構：下面的圖13和圖14給出了本文討論的放大器和無源變壓器前端設計的標準拓撲結構。注意，這些電路圖僅供參考。選擇的器件不同，設計的性能可能大不相同。
圖13：放大器配置拓撲結構
圖14：變壓器配置拓撲結構
要點總結
面對新設計時，務必理解設計目標并按優先順序排列重要參數。一般而言，VSWR/輸入阻抗、通帶平坦度、帶寬、SNR、SFDR和輸入驅動決定了前端設計的難度。先從帶寬開始，考慮是基帶、帶通還是寬帶。這將為前端設計和拓撲結構的確定指明方向與途徑。
接下來關注轉換器。緩沖型轉換器更容易設計，但其功耗高于無緩沖型轉換器。如果設計要求無緩沖型轉換器，記住查看模擬輸入的輸入阻抗圖表。針對跟蹤模式下目標頻段的中心頻率進行設計。
如上所述，放大器和變壓器各自都有很多優點和缺點。何者最佳，歸根到底取決于設計的要求。放大器消耗功率并需要電源，好處是在接口過程中一般更容易處理。變壓器是無源器件，不消耗功率，但當中頻頻率較高時，它表現為非線性，可能需要額外的器件進行補償，除非找到合適的變壓器。選擇設計方向之前，務必檢查各種方案的參數列表。
最后，本文列出了有關前端匹配、移除或擴展帶寬以及優化SFDR的指南。這些建議有助于設計人員更有針對性地優化前端設計。
本指南旨在為所有高速ADC用戶提供一個有用的參考，適用于所有類型的前端設計。開展新轉換器設計時，必須仔細考慮各項參數，權衡利弊，這一點無論怎么強調也不過分。高速轉換器應用指南系列的下一篇文章將從時鐘網絡、時鐘接口和抖動的重要性這些方面，討論如何使轉換器的性能保持最佳。