何时使用双变压器配置成为宽带A / D转换器前端设计的重要注意事项

背景

变压器用于隔离并将信号从单端转换为差分。在高速A / D转换器的前端电路中使用变压器时经常被忽视的一个因素是它们永远不是理想的。对于正弦输入信号，变压器引入的任何不平衡都会向ADC输入提供不完美的正弦波，从而导致整体数据转换性能低于ADC可能提供的性能。我们在此考虑输入不平衡对ADC性能的影响，并提供实现改善结果的电路示例。

关于变压器

许多制造商提供的各种可用型号可以选择变压器一个令人困惑的过程。供应商在指定绩效时采取的不同方法使问题更加复杂;它们通常在选择和定义的参数方面有所不同。

选择变压器驱动特定ADC时要考虑的一些关键参数是插入损耗，回波损耗，幅度不平衡和相位不平衡。 插入损耗是变压器带宽能力的指南。 回波损耗，也很有用，允许用户设计终端以匹配变压器在特定频率或频段的响应 - 当使用大于1匝数比的变压器时尤其重要。我们将重点关注幅度 - 和相位不平衡，以及它们如何影响ADC在高带宽应用中的性能。

理论分析

即使具有较宽的带宽额定值，变压器的单端初级和差分次级之间的耦合虽然是线性的，但会引入幅度和相位不平衡。当应用于转换器（或其他差分输入设备）时，这些不平衡会恶化转换（或处理）信号的偶数阶失真。虽然在低频时通常可以忽略不计，但高速转换器中增加的失真在大约100 MHz时变得非常显着。让我们首先研究差分输入信号的幅度和相位不平衡，特别是二次谐波失真如何影响ADC的性能。

考虑输入， x （ t ），到变压器。它被转换为一对信号， x 1 （ t ）和 x 2 （吨）。如果 x （ t ）是正弦曲线，则差分输出信号 x 1 （ t ）和 x 2 （ t ），形式为

（1）

 

ADC被建模为对称的三阶传递函数：

（2）

 

然后

（3）

 

理想情况 - 没有不平衡

当 x 1 （ t < / em>）和 x 2 （ t ）完全平衡，它们具有相同的幅度（ k < sub> 1 = k 2 = k ）并且正好相差180°（φ= 0°）。由于

（4）

（5）

 

为权力应用三角函数并收集类似频率的术语，

（6）< / td>

 

这是差分电路的常见结果：偶数谐波取消理想信号，而奇次谐波不取消。

幅度不平衡

现在假设两个输入信号具有幅度不平衡，但没有相位不平衡。在这种情况下， k 1 ≠ k 2 ，并且φ= 0.

（7）

 

用等式3中的等式7代替并再次应用三角函数的身份，

< / td>

（8）

 

我们从等式8可以看出，在这种情况下，二次谐波与幅度项的平方差成正比， k 1 和 k 2 ，即

（9）

 

阶段不平衡

现在假设两个输入信号之间存在相位不平衡，没有幅度不平衡。

然后， k 1 = k 2 ，且φ≠0。

（10）

用公式3中的公式10代替并简化，

< tr>

（11）

 

从公式11中，我们看到二次谐波幅度与幅度项的平方成正比， k 。

（12）

 

观察

等式9和等式12的比较显示第二个 - 相位不平衡对谐波幅度的影响比对幅度不平衡的影响更严重。对于相位不平衡，二次谐波与 k 1 的平方成正比，而对于幅度不平衡，二次谐波与 k 1 和 k 2 的平方差成正比。由于 k 1 和 k 2 大致相等，这个差异很小。

作为这些计算有效性的测试，为上述模型编写了MATLAB代码，以量化和说明幅度和相位不平衡对带有变压器输入的高性能ADC的谐波失真的影响（附录A） ）。该模型包括加性高斯白噪声。

MATLAB模型中使用的系数 a i 适用于高性能的AD9445位，125 MSPS ADC。 AD9445采用图2所示的前端配置，用于生成图3所示的FFT，从中得出系数。

本底噪声这里，二次谐波和三次谐波反映了转换器和前端电路的复合性能。使用这些测量结果计算转换器失真系数（ a 2 和 a 3 ）和噪声，并结合对于标准的1：1阻抗比变压器，规定了170 MHz时0.0607 dB的幅度不平衡和148相位不平衡。

这些系数用于公式8和公式11来计算 y < / em>（ t ），而幅度和相位不平衡分别在0 V到1 V和0到50度的范围内变化（1中典型变压器的不平衡范围） -MHz至1000MHz范围），并观察对二次谐波的影响。模拟结果如图4和图5所示。

图4和图5显示（a）三次谐波对幅度和谐波都相对不敏感相位不平衡，以及（b）二次谐波随着相位不平衡而比幅度不平衡更快地恶化。因此，为了从ADC获得更好的性能，需要具有改善的相位不平衡的变压器配置。两种可行的配置，第一种涉及双巴伦，第二种是双变压器，如图6和图7所示。

使用这些配置的不平衡进行了比较专门设计的特征板上的矢量网络分析仪。图8和图9比较了这些配置的幅度和相位不平衡与单个变压器的不平衡。

上图清楚地表明双重配置具有更好的相位不平衡以略微退化的幅度不平衡为代价。因此，使用上述分析的结果，似乎可以使用双变压器配置来实现更好的性能。使用单个变压器输入（图10）和双巴伦输入（图11）的AD9445的FFT曲线表明情况确实如此; 300 MHz的IF信号可以使SFDR提高+ 10 dB。

这是否意味着为了获得良好的性能，必须将两个变压器或两个平衡 - 不平衡转换器连接到一起ADC的前端？不必要。分析表明，使用相位不平衡很小的变压器至关重要。在以下示例中（图12和图13），使用两个不同的单个变压器来驱动具有170 MHz IF信号的AD9238。这些例子表明，当ADC由变压器驱动时，二次谐波有29 dB的改善，该变压器在高频时具有改善的相位不平衡。

结论

当变压器用作具有高IF输入的过程（例如A / D转换，D / A转换和放大）的前端时，变压器的相位不平衡会使二次谐波失真恶化（> 100 MHz）。然而，通过使用一对变压器或平衡 - 不平衡变压器，可以轻松实现显着改进，但需要额外的变压器和额外的PC板空间。

如果设计带宽很小并且选择了合适的变压器，单变压器设计可以获得足够的性能。但是，它们确实需要有限的带宽匹配，并且它们可能很昂贵或物理上很大。

在任何一种情况下，为任何给定的应用选择最好的变压器都需要详细了解变压器的规格。相位不平衡对于高IF输入（> 100 MHz）尤为重要。即使数据手册中没有规定，大多数变压器制造商也会根据要求提供相位不平衡信息。网络分析仪可用于检查变压器的不平衡情况，或者如果信息不易获得。