摘要：隨著接收機(jī)數(shù)字化程度的提高，模擬信號至數(shù)字域的轉(zhuǎn)換成為提高通信設(shè)備動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵。本文詳細(xì)討論了為通信設(shè)備選擇適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)理及轉(zhuǎn)換器件時(shí)需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。

　　概述

　　長期以來, 得到無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員認(rèn)可的理想數(shù)字接收機(jī)的信號鏈路是：天線、濾波器、低噪聲放大器(LNA)、ADC、數(shù)字解調(diào)和信號處理電路。雖然實(shí)現(xiàn)這個(gè)理想的數(shù)字接收機(jī)架構(gòu)還要若干年的時(shí)間， 但是， 用于射頻前端的ADC的性能越來越高，通信接收機(jī)正在逐漸消除頻率變換電路。從發(fā)展趨勢看，接收機(jī)的一些中間處理級會(huì)被逐步消除掉， 但ADC前端的緩沖放大級卻是接收機(jī)中相當(dāng)重要的環(huán)節(jié)， 它是保證ADC達(dá)到預(yù)期指標(biāo)的關(guān)鍵。

　　信號鏈路的緩沖放大器是包括混頻器、濾波器及其它放大器的功能模塊的一部分， 它必須作為一個(gè)獨(dú)立器件考察其噪聲系數(shù)、增益和截點(diǎn)指標(biāo)。給一個(gè)既定的ADC選擇合適的緩沖放大器， 可以在不犧牲總的無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)的前提下改善接收機(jī)的靈敏度。

　　定義動(dòng)態(tài)范圍

　　接收靈敏度是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的一部分， 它定義為能夠使接收機(jī)成功恢復(fù)發(fā)射信息的接收信號電平，動(dòng)態(tài)范圍的上限是系統(tǒng)可以處理的信號，通常由三階截點(diǎn)(IP3)決定， 對應(yīng)于接收機(jī)前端出現(xiàn)過載或飽和而進(jìn)入限幅狀態(tài)的工作點(diǎn)。當(dāng)然， 動(dòng)態(tài)范圍也需要折衷考慮， 較高的靈敏度要求低噪聲系數(shù)和高增益，不幸的是， 具有30dB或者更高增益、噪聲系數(shù)低于2dB的LNA其三階截點(diǎn)會(huì)受到限制， 常常只有+10dBm到+15dBm。由此可見，高靈敏度的放大器有可能在接收前端信號處理鏈路中成為阻塞強(qiáng)信號的瓶頸。

　　在接收機(jī)的前端加入ADC后， 對動(dòng)態(tài)范圍的折衷處理變得更加復(fù)雜。引入具有數(shù)字控制的新型線性放大器作為緩沖器， 能夠在擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)提高接收機(jī)的整體性能。

　　為了理解緩沖放大器在高速ADC中的作用，我們需要了解一下每個(gè)部件的基本參數(shù)及其對接收機(jī)性能的影響。傳統(tǒng)的接收機(jī)前端一般采用多級頻率變換， 將來自天線的高頻信號解調(diào)到中頻， 然后再作進(jìn)一步處理。通常，信號鏈路會(huì)將射頻輸入轉(zhuǎn)換到中頻：70MHz或140MHz， 然后再轉(zhuǎn)換到第二中頻：10MHz， 甚至進(jìn)一步轉(zhuǎn)換至第三中頻：455kHz。這種多級變頻的超外差接收機(jī)架構(gòu)的應(yīng)用仍然很廣泛， 但考慮到現(xiàn)代通信系統(tǒng)所面臨的降低成本、縮小尺寸的壓力， 設(shè)計(jì)人員不得不盡一切可能去除中間變頻電路，長期以來，軍品設(shè)計(jì)人員也一直都在探索實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化接收機(jī)的解決方案，用ADC直接數(shù)字化來自天線和濾波器組的射頻信號。

　　近幾年， ADC的性能指標(biāo)得到了飛速提高， 但還沒有達(dá)到可以支持全數(shù)字化軍用接收機(jī)的水平。盡管如此， 商用接收機(jī)的設(shè)計(jì)已經(jīng)從三級或更多級的變頻架構(gòu)簡化到變頻架構(gòu)。減少頻率變換級意味著ADC輸入將是較高中頻的信號， 需要ADC和緩沖放大器具有更寬的頻帶。

　　對ADC分辨率的要求取決于具體的接收機(jī)，對于一些軍用設(shè)備， 例如有源接收機(jī)， 10位分辨率即可滿足要求。對于當(dāng)前和正在興起的商用通信接收機(jī)， 比如3G、4G蜂窩系統(tǒng)， 為了降低經(jīng)過復(fù)雜的相位和幅度調(diào)制的波形的量化誤差， 需要ADC具有更高的分辨率。對于多載波接收機(jī)， 通常需要14位甚至更高的分辨率， 同時(shí)也要足夠的帶寬來處理整個(gè)中頻頻帶的信號。

　　如果一個(gè)接收機(jī)架構(gòu)已具備高速、高分辨率ADC， 那么關(guān)系到靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的其它關(guān)鍵參數(shù)是什么呢？ADC常用無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)作為其關(guān)鍵指標(biāo)， SFDR定義為輸入信號的基波幅度與指定頻譜內(nèi)失真分量均方根的比(RMS)。如輸入電壓幅度超出了所允許的值， 采樣輸出波形將出現(xiàn)削波和失真。當(dāng)輸入信號低于推薦的輸入值時(shí)， 則不能有效利用ADC的分辨率， 一個(gè)14位的ADC可能僅僅表現(xiàn)出了10位或12位器件的性能。

　　對于一個(gè)給定的ADC， 正弦波的輸入電壓(VMAX)可以由下式計(jì)算?：

　　2VMAX = 2bQ或VMAX = 2b-1Q

　　其中， b是ADC的分辨率，Q是每位量化電平的電壓。

　　對應(yīng)于電壓的正弦波功率是?：

　　PMAX = V?MAX/2 = [22(b-1)Q?]/2 = 22bQ?/8 電壓是對應(yīng)1 LSB的幅度， 可以由下式計(jì)算：

　　2VMIN = Q

　　對應(yīng)功率為：

　　PMIN = V?MIN/2 = Q?/8

　　動(dòng)態(tài)范圍(DR)可以簡單地由下式計(jì)算：

　　DR = PMAX/PMIN = 22b

　　或采用對數(shù)形式表示：

　　DR = 20log(PMAX/PMIN) = 20b log(2) = 6b (dB)

　　每比特6dB。

　　要得到一個(gè)ADC的SFDR， 可以測量ADC的滿量程正弦信號， 利用一個(gè)高DAC和頻譜分析儀測試ADC的輸出， 并且比較輸出信號的基波成分與失真信號的電平。需要注意DAC的動(dòng)態(tài)范圍一定要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ADC的動(dòng)態(tài)范圍， 否則， DAC的動(dòng)態(tài)范圍會(huì)制約ADC SFDR指標(biāo)的測試。

　　目前，高速ADC的SFDR指標(biāo)可以達(dá)到80到90dBc，通過給ADC輸入一個(gè)單音或雙音信號可以測得該項(xiàng)指標(biāo)。對于雙音信號的性能分析， 雙音信號可以在共同中頻中心頻率兩側(cè)選擇，頻率間隔1MHz， 比如對于140MHz的中頻， 雙音頻點(diǎn)選擇為139.5MHz和140.5MHz。

　　包括ADC在內(nèi)的接收靈敏度是噪聲的函數(shù)， 而噪聲電平本身又是帶寬的函數(shù)。降低噪聲可以提高接收機(jī)的靈敏度。而有些噪聲是不可避免的，如：熱噪聲。ADC的噪聲底由熱噪聲和量化噪聲決定， 這些噪聲限制了ADC的靈敏度。量化噪聲本質(zhì)上講是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的LSB的不確定性。一般來說， ADC的噪底就是所允許的輸入信號。

　　作為接收機(jī)， 不僅僅通過SFDR來表現(xiàn)ADC的特性， 滿量程噪聲比和信噪比(SNR)也很重要，ADC的SNR是其分辨率(位)的函數(shù)(b)：

　　SNR = (1.76 + 6.02b) dB

　　實(shí)際上，ADC的SNR是滿量程模擬輸入(FS)的均方根(RMS)與量化噪聲均方值的比(圖1)。關(guān)于ADC SNR的這兩個(gè)分量定義如下：正弦波的RMS是其峰值的一半除以2的平方根，量化誤差是模擬波形與其量化后恢復(fù)信號的差， 包含由于-1/2 LSB至+1/2 LSB之間的不確定性產(chǎn)生的誤差。將ADC的采樣速率增加一倍， 噪聲將分布到兩倍于前期帶寬的頻段內(nèi)， 有效噪聲系數(shù)會(huì)降低3dB。確定ADC的SNR的方法是用一個(gè)的接收機(jī)和經(jīng)過校準(zhǔn)的噪聲源進(jìn)行測量，測量須考慮時(shí)鐘抖動(dòng)和其它噪聲源， 從而獲得實(shí)際的SNR值。SINAD， 信號與噪聲+失真比，在SNR評估中考慮了失真效應(yīng)。

　　圖1. MAX12559在96MHz時(shí)鐘頻率、-1dBFS輸入時(shí)， SNR和SINAD與輸入頻率的對應(yīng)關(guān)系曲線。

　　還可以用有效位數(shù)(ENOB)替代SINAD， 用于指示一個(gè)給定輸入頻率和采樣率的ADC的。它實(shí)際上是模數(shù)轉(zhuǎn)換器測量到的均方根誤差和理想的均方根誤差之比，ENOB通常取決于應(yīng)用中輸入正弦信號的幅度和頻率。這個(gè)指標(biāo)用來比較ADC所產(chǎn)生的均方根噪聲和同樣條件下理想ADC的均方根量化噪聲，舉例來說， ENOB為12位的14位ADC所產(chǎn)生的均方根噪聲，與一個(gè)同樣條件下理想的12位ADC (具有滿量程或接近滿量程的輸入信號)所產(chǎn)生的均方根噪聲一樣.

　　ENOB = (SINAD - 1.76)/6.02

　　總諧波失真(THD)是在信號傅立葉頻譜上的所有諧波的均方根之和，前三項(xiàng)諧波集中了絕大部分的信號能量，對于通信系統(tǒng)來說， THD通常比靜態(tài)下的直流線性度更重要。大多數(shù)廠商給出的器件參數(shù)中包含了前4次，甚至前9次諧波的數(shù)據(jù)。

　　MAX12599是一款Maxim推出的新型雙通道ADC (圖2)，它在單一芯片上集成了2路14位ADC， 每路ADC的采樣速率可以達(dá)到96Msps，可以采集中頻和350MHz基帶信號。這款雙通道ADC具有內(nèi)部采樣/保持放大器和差分輸入，對于175MHz的輸入， 它可以獲得79.8dBc的無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)、71.9dB的典型信噪比(SNR)和70.9dB的SINAD (圖3)，總諧波失真(THD)為-77.9dBc。這款A(yù)DC工作在3.3V，僅消耗980mW的模擬電源功耗。

　　圖2. MAX12559包含兩路14位ADC，每路轉(zhuǎn)換器能夠以96Msps的采樣率采集MAX350MHz的IF和基帶信號。

　　圖3. MAX12559 ADC的SNR和SINAD在不同的時(shí)鐘速率下非常平坦，70MHz輸入信號下測試得到的電平幅度為-1dBFS。

　　靈活的基準(zhǔn)架構(gòu)允許器件采用內(nèi)置2.048V帶隙基準(zhǔn)或外部基準(zhǔn)， 并且允許兩個(gè)ADC共用同一基準(zhǔn)?？衫没鶞?zhǔn)電路在±0.35V到±1.15V范圍內(nèi)調(diào)整滿量程輸入，MAX12599支持單端或差分時(shí)鐘輸入， 用戶可選擇2分頻和4分頻模式，簡化了時(shí)鐘源的選擇。

　　緩沖器的選擇

　　在為MAX12559或類似的在現(xiàn)代通信接收機(jī)中的高速ADC選擇緩沖放大器時(shí)，需要考慮一個(gè)因素。理想情況下， 緩沖放大器需要具有與ADC相同的帶寬或更寬的帶寬，MAX12559的帶寬是750MHz， 至少需要滿足被采樣信號的帶寬要求。ADC緩沖放大器一般按照頻域特性定義指標(biāo)， 而普通的運(yùn)算放大器規(guī)定建立時(shí)間和擺率指標(biāo)。無論緩沖放大器如何定義指標(biāo)， 它必須具備ADC輸入所需要的瞬態(tài)響應(yīng)能力， 使輸入波形的削波或失真不會(huì)大于ADC的1 LSB。

　　在接收機(jī)前端， 緩沖放大器的噪聲系數(shù)也有影響，但不占主導(dǎo)地位。在信號鏈路中， 級放大器對接收機(jī)噪聲系數(shù)影響; 通常， 具有噪聲系數(shù)的放大器放在信號鏈路的前端。因此， 低噪聲系數(shù)的緩沖放大器有助于改善整個(gè)接收機(jī)的噪聲系數(shù)指標(biāo)， 但對緩沖器的噪聲系數(shù)要求不像級放大器那樣嚴(yán)格。如果接收機(jī)級低噪聲放大器具有2dB或更低的噪聲系數(shù)， 對于緩沖放大器來說， 6dB到7dB的噪聲系數(shù)將會(huì)對接收機(jī)鏈路產(chǎn)生的影響。

　　緩沖放大器應(yīng)該提供足夠的增益， 以確保送到ADC的信號接近于滿量程輸入電壓，同時(shí)，還要很好地控制頻率響應(yīng)特性，增益平坦度應(yīng)該保持在ADC的一個(gè)LSB之內(nèi)。對于高分辨率(14位或更高) ADC， 要求緩沖放大器在整個(gè)有效帶寬內(nèi)具有±0.5dB的增益平坦度。緩沖放大器應(yīng)該按照輸出電壓和截點(diǎn)指標(biāo)提供良好的線性度，例如， 緩沖放大器必須至少提供和ADC的輸入要求一致出輸出，線性度應(yīng)優(yōu)于ADC的線性度， 以避免降低ADC的SFDR指標(biāo)。

　　考慮緩沖放大器和ADC相位誤差對雜散特性的影響時(shí)， 可以由下式計(jì)算：

　　SFDR系統(tǒng) = -20log{10exp[(-SFDR ADC)/20] + 10exp[(-SFDR緩沖器)/20]} (dBc)

　　緩沖放大器的源阻抗要足夠低， 以保證與ADC輸入阻抗的隔離， 并為ADC輸入驅(qū)動(dòng)提供足夠的功率。為了避免額外的轉(zhuǎn)換誤差，還要求緩沖器的高頻輸出阻抗盡可能低，總之，緩沖放大器的輸出阻抗會(huì)對ADC的交流特性， 特別是總的諧波失真(THD)產(chǎn)生直接影響。

　　對于開關(guān)電容ADC， 轉(zhuǎn)換器可能會(huì)在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)吸收少量輸入電流。采用這類ADC時(shí)， 緩沖放大器還要有足夠快的瞬態(tài)響應(yīng)能力，以避免轉(zhuǎn)換誤差。倘若緩沖器的瞬態(tài)響應(yīng)足夠快， 帶寬高于100MHz (10ns的上升時(shí)間)， 誤差會(huì)。當(dāng)緩沖器的瞬態(tài)響應(yīng)不夠快時(shí)， 可以根據(jù)接收機(jī)的要求在其輸出加一個(gè)RC濾波器來限制輸入帶寬， 同時(shí)提供額外的電容以消除ADC的瞬態(tài)影響，濾波電容要大于ADC的輸入電容。

　　Maxim的MAX2055、MAX2027可用作MAX12559的緩沖放大器，MAX2055是一個(gè)帶寬在30MHz至300MHz的數(shù)控可變增益放大器(圖4)。它具有單端輸入和差分輸出， 便于配合差分輸入ADC使用，緩沖放大器內(nèi)部集成了數(shù)控衰減器和高線性度放大器以及單端至差分轉(zhuǎn)換器， 不需要外部轉(zhuǎn)換或額外的放大電路。MAX2055的內(nèi)置衰減器提供23dB的衰減范圍，為±0.2dB， 可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)增益調(diào)節(jié)或通道增益設(shè)定(圖5)。設(shè)置在增益時(shí)，具有6dB的噪聲系數(shù)(圖6)， 并且在所有增益設(shè)置下都具有+40dBm的輸出三階截點(diǎn)(OIP3) (圖7)。1dB壓縮點(diǎn)的輸出功率是+24dBm， 具有-76dBc的二次諧波(HD2)和-69dBc的三次諧波(HD3)。

　　MAX2027還具備DVGA功能，但為單端器件，可調(diào)節(jié)增益范圍：-8dB至+15dB，調(diào)節(jié)級差為1dB，信號帶寬為50MHz至400MHz。增益設(shè)置時(shí)噪聲系數(shù)為4.7dB，在任何增益設(shè)置點(diǎn)具有+35dBm的OIP3，衰減保持在±0.05dB。

　　圖4. MAX2055緩沖放大器包括數(shù)控衰減器、單端至差分放大器，為高速ADC提供靈活的接口。

　　圖5. MAX2055內(nèi)部衰減器的幅度控制非常適合用于差分ADC的增益級電路。

　　圖6. MAX2055緩沖放大器在其增益處具有噪聲。

　　圖7. MAX2055對于所有增益設(shè)置可以將 OIP3提高+40dBm。

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