明德?lián)P(MDY)在2022年承擔(dān)了多個高速ADC研發(fā)項目，今天給大家分享AD采樣電路中巴倫匝數(shù)比的選擇。
1、AD信號采樣電路分析
AD信號前端采樣電路如圖1所示：
圖1 AD信號前端采樣電路
其中L13與C202為射頻信道故障檢測信號，不影響信號采集部分。只看信號采集電路，巴倫后端的阻容配置都是可以根據(jù)手冊來選擇的，但是巴倫的匝數(shù)比，手冊里一般不會給出。
2、巴倫匝數(shù)比、參考電壓與AD滿幅之間的關(guān)系
首先我們做一組測試。分別使用AD9650和AD9653兩種芯片，巴倫匝數(shù)比為1:2，改變參考電壓，觀察AD達(dá)到滿幅度時信號源輸出的功率。其結(jié)果如表1所示：
表1 AD滿幅時信號源輸出功率及峰峰值
參考電壓 | 信號源輸出功率 | 信號源輸出峰峰值 | |
AD9653 | 內(nèi)部1.0V | 7.8dBm | 1.552V |
內(nèi)部1.3V | 10.3dBm | 1.978V | |
外部1.0V | 7.8dBm | 1.552V | |
外部1.25V | 9.8dBm | 1.954V | |
AD9650 | 內(nèi)部1.35V | 10.5dBm | 2.118V |
外部1.0V | 7.9dBm | 1.570V |
根據(jù)理想情況，設(shè)參考電壓為Vref，則AD的滿量程為峰峰值2xVref。若Vref=1.0V，那么AD的滿量程應(yīng)該為峰峰值2V，即信號源輸出功率為10dBm。但是根據(jù)上表給出的實驗數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)并不滿足該情況。實際情況是，若想讓AD達(dá)到滿幅時，信號源輸出功率為10dBm，則需要將參考電壓設(shè)置為1.3V左右。通過實驗條件，很容易猜到是巴倫的匝數(shù)比為1:2才導(dǎo)致的這個現(xiàn)象。
接下來使用AD9650做另一組測試。將巴倫的匝數(shù)比改為1:1，同樣使用兩種參考電壓，察AD達(dá)到滿幅度時信號源輸出的功率。其結(jié)果如表2所示：
表2 AD滿幅時信號源輸出功率及峰峰值
參考電壓 | 信號源輸出功率 | 信號源輸出峰峰值 | |
AD9650 | 內(nèi)部1.35V | 13.4dBm | 2.958V |
外部1.0V | 10.7dBm | 2.168V |
通過比對兩表中的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)巴倫的匝數(shù)比確實可以影響AD滿幅時信號源輸出的功率大小。匝數(shù)比為1:1的巴倫，信號源輸出在傳輸中損失0.7dB，最終到達(dá)AD使AD滿幅，此時滿幅值正好為10dBm。
3、巴倫匝數(shù)比與AD噪聲系數(shù)之間的關(guān)系
圖2為AD信號采集電路的等效電路：
圖2 AD信號采集等效電路
上圖中，R為源的內(nèi)阻，一般為50Ω。R’為差分傳輸線路中的阻抗。RIN為ADC的差分輸入阻抗，R0為匹配電阻。
在一般的應(yīng)用中，為保證巴倫能夠最大效率的傳輸能量，要對其原副邊做阻抗匹配。以AD9653采樣電路為例：
巴倫原邊輸入阻抗為50Ω，設(shè)理想巴倫匝數(shù)比為N，原副邊功率相等，則副邊阻抗應(yīng)為：
也就是說，如果使用1:1的巴倫，副邊阻抗也要為50Ω。根據(jù)手冊，AD9653的差分輸入阻抗為2.6kΩ，因此R0=50.98Ω。如果使用1:2的巴倫，副邊阻抗為200Ω，因此R0=216.67Ω。
但是在實際應(yīng)用中，其實不需要做阻抗匹配。其原因有兩點：
① 現(xiàn)在大部分高速AD都為電壓驅(qū)動型，其差分輸入阻抗均在kΩ級，像AD9650的差分輸入阻抗有26kΩ，因此不需要做阻抗匹配來驅(qū)動后級。在不做匹配的情況下，巴倫的副邊可以看做開路，因此AD也能夠采到正確的值。
② 通過增加R0進(jìn)行阻抗匹配，實際上也是增加了副邊的熱噪聲。因此匹配之后的AD噪聲系數(shù)要高于不做匹配的。在使用AD9650時做了實際測試，也驗證了這一點。實驗數(shù)據(jù)如表3所示：
表3 阻抗匹配與否的級聯(lián)噪聲系數(shù)
Vref=1.25V TURNS RATIO=1:2 RF_NF=1.8~1.9dB GAIN=36dB | |||
R0 | 200Ω | 10kΩ | Open |
NFIG | 2.2~2.3 | 2.1~2.2 | 1.8~1.9 |
GAIN | 31.559 | 32.656 | 35.388 |
巴倫可以為電路提供無噪聲增益，匝數(shù)比為1:2的巴倫可以提供6dB增益。根據(jù)噪聲系數(shù)的定義，噪聲系數(shù)可以表示為輸入端信噪比與輸出端信噪比的比值（用dB表示）。使用1:2的巴倫可以減少6dB的噪聲系數(shù)。
那么為了在使用1:2的巴倫是AD不會過早的達(dá)到滿幅度，就需要根據(jù)最開始所說的要選好參考電壓。對于AD9650可以用外部1.25V參考或內(nèi)部1.35V參考，對于AD9653可以用外部1.25V參考或內(nèi)部自定義參考。從而保證信號源輸出功率為10dBm時，AD剛好達(dá)到滿幅。但是提高參考電壓后，相當(dāng)于減少增益，因此在實際應(yīng)用中，使用1:2的巴倫僅能降低4dB左右的噪聲系數(shù)。
不難看出，如果使用1:1的巴倫，然后降低參考電壓，也是能提高6dB增益的。但是巴倫引入的是無噪聲增益，而使用降低參考電壓的方式，在帶來增益的同時也會引入更多的開關(guān)噪聲。所以使用1:1的巴倫，AD的噪聲系數(shù)要比1:2的巴倫要高。通過對AD9653的測試可以驗證這一點。測試數(shù)據(jù)如表4所示：
表4 巴倫匝數(shù)比與級聯(lián)噪聲系數(shù)的關(guān)系
匝數(shù)比 | 1:1 | 1:2 |
參考電壓 | 外部1.0V | 外部1.25V |
級聯(lián)噪聲 | 2.6dB | 2.4dB |
級聯(lián)增益 | 33.5dB | 33.8dB |
但是，一味的增加巴倫的匝數(shù)比并不能為系統(tǒng)帶來更好的效果。首先，增加匝數(shù)比就要提高AD的參考電壓，而我們目前使用的AD芯片的參考電壓最高僅到1.35V，使用更高匝數(shù)比的巴倫反而會增加噪聲系數(shù)，而且動態(tài)范圍會降低。其次，匝數(shù)更多的巴倫其頻率響應(yīng)曲線更加不平坦，因此在使用時還會降低輸出平坦度。因此在實際選用時，要根據(jù)實際情況來進(jìn)行選擇。
溫馨提示：明德?lián)P擅長的項目主要包括的方向有以下幾個方面：
1. MIPI視頻拼接
2. SLVS-EC轉(zhuǎn)MIPI接口(IMX472 IMX492)
3. PCIE采集系統(tǒng)
4. 圖像項目
5. 高速多通道ADDA系統(tǒng)
6. 基于FPGA板卡研發(fā)
7. 前端模擬采集、射頻、電荷靈敏前置放大器
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