雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9268的變壓器耦合設(shè)計

王 麗，楊士義

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

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雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9268的變壓器耦合設(shè)計

王 麗，楊士義

(中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009)

ADC前端是確定模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收和采樣的信號質(zhì)量的關(guān)鍵部分，基于對雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9268前端調(diào)理電路的設(shè)計、參考時鐘的考慮，利用變壓器進行匹配耦合設(shè)計，得到一個高性能的模擬前端ADC。

變壓器；阻抗；差分模式；耦合

0 引言

在高速中頻信號預(yù)處理電路系統(tǒng)設(shè)計中，根據(jù)需求不斷追求高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的各個電路環(huán)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計來取得較高的指標(biāo)；而任何一個環(huán)節(jié)的設(shè)計都應(yīng)有一個恰當(dāng)?shù)哪繕?biāo)，ADC前端耦合設(shè)計也不例外。概括來說，ADC的前端要實現(xiàn)以下幾大目標(biāo)：帶寬、VSWR電壓駐波比、通帶平坦度、SNR信噪比、SFDR無雜散動態(tài)范圍和輸入驅(qū)動電平[1]。AD9268是一款雙通道ADC，內(nèi)核采用多級、差分流水線架構(gòu)，并集成了輸出糾錯邏輯；每個ADC均具有寬帶寬、差分采樣保持模擬輸入放大器；適用于高性能、低成本、小尺寸且具有多功能性的信號處理系統(tǒng)。

1 設(shè)計要求及器件指標(biāo)

硬件系統(tǒng)設(shè)計從器件選型開始，選擇正確的器件可以大大減少重復(fù)次數(shù)，并快速實現(xiàn)所需性能。AD9268是一款雙通道、16位、80/105/125 MS/s模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，主要性能指標(biāo)如表1所示[2]，有三種型號供選擇，因此可以根據(jù)設(shè)計要求的采樣率靈活選用。本設(shè)計中需要6路中心頻率為75 MHz的中頻輸入，采樣率為100 MHz，帶寬為20 MHz，要求無雜散動態(tài)范圍大于80 dBc，50 Ω輸入阻抗匹配。故選用三片105 MS/s的AD9268，并且采用差分輸入配置，確保高采樣率條件下的高性能，同時能帶來非常高的可用輸入帶寬，這一點對于某些中頻采樣或欠采樣應(yīng)用尤為重要，同時也有效抑制共模干擾。

表1 AD9268主要性能指標(biāo)

2 差分輸入考慮

AD9268架構(gòu)由一個雙前端采樣保持電路和其后的流水線型開關(guān)電容ADC組成，這就意味著輸入阻抗是時變的，而且會隨著模擬輸入信號的頻率發(fā)生變化，要匹配這樣的輸入阻抗是一個十分具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計問題。

根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的不同[3]，ADC的前端設(shè)計主要有兩類：一類是放大器形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；另一類是變壓器方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)信號的頻率很高而且ADC的輸入端不允許很大的附加噪聲時，變壓器在保持SNR和SFDR等方面表現(xiàn)出相當(dāng)大的優(yōu)勢。

變壓器作為一種無源器件，可以實現(xiàn)阻抗匹配、隔直及單端和差分信號之間的轉(zhuǎn)換等功能，因此，具有很好互阻性能的變壓器是一種非常不錯的選擇。設(shè)計中用變壓器耦合的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電感、電容諧振網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)輸入、輸出端的阻抗匹配和單端信號差分信號之間的轉(zhuǎn)換。在輸入匹配中，變壓器將驅(qū)動級的輸入阻抗匹配到50 Ω源阻抗，同時還可以實現(xiàn)單端輸入到差分輸出的轉(zhuǎn)換。采用變壓器耦合可以降低版圖設(shè)計難度，實現(xiàn)了低成本、高效率設(shè)計。

如圖1所示，在設(shè)計中，AD9268的輸入配置采用差分變壓器耦合，充分平衡系統(tǒng)的總負(fù)載；為實現(xiàn)模擬輸入偏置，將VCM電壓連接到變壓器次級繞組的中心抽頭處。為了保證共模電平的低噪聲，阻抗匹配電路在變壓器的次級端進行信號的阻抗匹配及濾波，有效地提高增益平坦度和優(yōu)良的采樣動態(tài)范圍。

圖1 差分變壓器耦合配置

其次，每個輸入端都串聯(lián)一個小電阻，可以降低驅(qū)動源輸出級所需的峰值瞬態(tài)電流。在兩個輸入端之間可配置一個并聯(lián)電容，以提供動態(tài)充電電流。為得到最佳動態(tài)性能，必須保證驅(qū)動VIN+的源阻抗與驅(qū)動VIN+的源阻抗相匹配，并且使兩輸入保持差分平衡。設(shè)計中對器件進行設(shè)置，使得VCM=0.5×AVDD；芯片通過VCM引腳提供板上共?；鶞?zhǔn)電壓。通過VCM引腳提供模擬輸入共模電壓時，用一個0.1 μF電容對VCM引腳去耦到地。

本設(shè)計中采用阻抗比為1∶1，且具備獨立金屬殼地的RF變壓器，從而在空間上有效地阻止了通道間的信號耦合。此外，選擇變壓器和R與L的元件值以匹配負(fù)載[4-5]，在ADC與變壓器次級之間建立一個能實現(xiàn)所需整體性能的抗混疊濾波器，表2列出了設(shè)置RC網(wǎng)絡(luò)的參考值，在設(shè)計電路時可以參考。

表2 RC網(wǎng)絡(luò)參考值

3 差分時鐘考慮

為了充分發(fā)揮AD9268芯片的性能，利用差分信號作為采樣時鐘輸入端(CLK+和CLK_)的時鐘信號。如圖2所示，設(shè)計中使用一個變壓器將單端時鐘信號轉(zhuǎn)為差分信號，通過LVPECL電平的時鐘分配器，分成多路LVPECL電平的差分時鐘信號供給多片ADC芯片，這樣可有效降低時鐘電路產(chǎn)生環(huán)節(jié)，抑制共模干擾，降低時鐘抖動，LVPECL電平為發(fā)射極耦合邏輯電路(差分結(jié)構(gòu))輸出，具備速度快、驅(qū)動能力強、噪聲小等優(yōu)點，很容易滿足幾百兆赫茲的應(yīng)用需要。

圖2 時鐘電路

4 測試結(jié)果及分析

通過FPGA Chipscope觀測ADC采樣后的輸出數(shù)據(jù)并導(dǎo)出，可以使用軟件工具MATLAB或者VisualAnalog對數(shù)據(jù)進行分析。結(jié)合總體項目，在MATLAB中對圖3所示信號頻譜圖做信號頻譜分析，測得信噪比為72 dBFS，無雜散動態(tài)范圍滿足大于80 dBc的要求。

圖3 信號頻譜圖

ADC模塊單元的大動態(tài)范圍、高信噪比等性能將直接影響到后續(xù)的信號處理和檢測，而前端設(shè)計更是確定模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收和采樣的信號質(zhì)量的關(guān)鍵部分，對該環(huán)節(jié)的設(shè)計必須予以重視。

[1] 袁光德,李文林.電子技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京:北京國防工業(yè)出版社,2007.

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[5] 謝宏,李亞男,夏斌,等.基于ADSl299的可穿戴式腦電信號采集系統(tǒng)前端設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014,40(3): 86-89.

Transformer coupling design of dual-channel analog-to-digital converter AD9268

Wang Li, Yang Shiyi

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 71009, China)

ADC is the key part in signal receiving and sampling circuit of analog-to-digital converter. This article introduces how to produce a high performance ADC circuit using AD9268 with properly designed pretreatment, reference clock and transformer-mach-coupling circuit.

transformer; impedance; ddifferential mode; coupling

V19; TN79+2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.14.009

王麗，楊士義.雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9268的變壓器耦合設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(14)：26-27.

2017-01-17)

王麗(1983-)，女，碩士研究生，主要研究方向：雷達(dá)導(dǎo)引頭信號處理研究。