隨著當(dāng)今越來越多的接收器以數(shù)字方式實現(xiàn)，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字域已成為實現(xiàn)通信系統(tǒng)最高動態(tài)性能的極其重要的因素。以下文章詳細(xì)介紹了在為通信系統(tǒng)選擇合適的信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換組件時需要考慮的重要參數(shù)。

介紹

通信系統(tǒng)設(shè)計人員長期以來一直設(shè)想“理想的”數(shù)字接收器信號處理鏈由天線、濾波器、低噪聲放大器（LNA）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）組成，然后是數(shù)字解調(diào)和信號處理電路。雖然這種理想的數(shù)字接收器可能還需要幾年時間，但通信接收器已經(jīng)逐步消除了頻率轉(zhuǎn)換階段，同時在前端架構(gòu)中更加重視ADC。雖然一些接收器級已被取消，但ADC之前的緩沖放大器級仍然是各種接收器中的重要元件，并且可以在ADC實現(xiàn)的性能中發(fā)揮重要作用。

添加到信號處理鏈中的緩沖放大器成為一組功能模塊的一部分，包括混頻器、濾波器和其他放大器，必須將其視為具有噪聲系數(shù)、增益和截點的單個元件。為給定ADC正確選擇緩沖放大器可以提高接收器的靈敏度，而不會犧牲整體無雜散動態(tài)范圍（SFDR）。

定義動態(tài)范圍

接收器靈敏度是系統(tǒng)動態(tài)范圍的一個組成部分，靈敏度定義了允許接收器成功恢復(fù)傳輸信息的最小信號電平。動態(tài)范圍的上限是可以處理的最大信號。這通常由三階交調(diào)截點（IP3）定義，這是一個虛數(shù)，標(biāo)志著接收器前端組件過載或飽和壓縮的點。當(dāng)然，動態(tài)范圍是一個折衷方案，因為高靈敏度需要低噪聲系數(shù)和高增益。遺憾的是，增益為3dB或更高、噪聲系數(shù)小于30dB的低噪聲放大器（LNA）在三階交調(diào)截點性能方面受到限制，通常為+2dBm至+3dBm。因此，這些放大器可以提高接收器靈敏度，但會成為接收器前端信號處理鏈中高級信號的“瓶頸”。

在接收器前端增加ADC會使動態(tài)范圍的權(quán)衡變得更加復(fù)雜。然而，具有數(shù)字控制的新型線性放大器（通常稱為緩沖放大器）有助于提高接收器的整體性能并擴展動態(tài)范圍。

要了解緩沖放大器如何與高速ADC配合使用，查看每個元件的基本性能參數(shù)以及它們?nèi)绾斡绊懡邮掌餍阅芸赡軙兴鶐椭?。傳統(tǒng)的接收機前端采用多個頻率轉(zhuǎn)換階段，將來自天線的高頻信號轉(zhuǎn)換為可以解調(diào)和進一步處理的較低中頻信號。典型的信號鏈可能會將RF輸入信號轉(zhuǎn)換為70MHz或140MHz的第一中頻、10MHz的第二中頻和455kHz的第三中頻。盡管這種多轉(zhuǎn)換超外差接收器方法仍然很普遍，但現(xiàn)代通信系統(tǒng)的成本和尺寸限制迫使設(shè)計人員盡可能多地消除頻率轉(zhuǎn)換級。長期以來，軍事設(shè)計人員一直在尋找真正的“全數(shù)字”接收器，其ADC能夠直接對來自天線和濾波器組的信號進行數(shù)字化處理。

ADC性能水平在過去幾年中得到了顯著提高，但還沒有達到支持全數(shù)字軍用接收器的程度。盡管如此，商用接收器設(shè)計已從三個或更多變頻級縮減為單級架構(gòu)。然而，頻率轉(zhuǎn)換級越少，ADC輸入端的IF就越高，因此需要一個帶寬較大的轉(zhuǎn)換器和緩沖放大器。

ADC所需的位分辨率取決于接收器應(yīng)用。對于某些軍事應(yīng)用，例如活動接收器，10位量化可提供足夠的分辨率。對于當(dāng)前和新興的商用通信接收器，例如3G和4G蜂窩系統(tǒng)，需要更好的分辨率，以最大限度地減少具有復(fù)雜、相位和幅度調(diào)制格式的波形的量化誤差。通常，多載波接收器需要14位或更高的分辨率，以及足夠的帶寬來接受完整的IF頻段。

假設(shè)給定的接收器IF架構(gòu)可以使用高速、高分辨率ADC，那么影響靈敏度和動態(tài)范圍的其他關(guān)鍵性能參數(shù)是什么？ADC根據(jù)其SFDR進行表征，SFDR描述了基頻輸入信號的幅度與指定頻譜中最大失真分量的均方根（RMS）值之比。當(dāng)輸入電壓幅度超過最大允許范圍時，采樣的輸出波形會出現(xiàn)削波和失真。低于建議的最低輸入電平時，ADC的所有位都不能用于表示波形，14位ADC基本上可以用作10位或12位元件。

給定ADC的正弦波的最大輸入電壓（VMAX）可從1中找到：

2VMAX = 2bQ 或 VMAX = 2b-1Q

其中b是ADC的位數(shù)，Q是每個量化電平的電壓。

與最大電壓匹配的正弦波的最大功率電平為1：

PMAX = V2MAX/2 = [22（b-1）Q2]/2 = 22bQ2/8

最小電壓是影響 1 LSB 所需的幅度，計算如下：

2VMIN = Q

相應(yīng)的功率水平為：

PMIN = V2MIN/2 = Q2/8

動態(tài)范圍（DR）簡單源自：

DR = 最大/PMIN = 22b

或?qū)?shù)格式：

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

或者，基本上每比特6dB。

通過使用ADC測量FS正弦波信號，使用精密數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和頻譜分析儀組合評估ADC的輸出，并將基頻輸出電平與最高雜散信號進行比較，可以找到ADC的SFDR。請注意，DAC的動態(tài)范圍必須遠(yuǎn)高于ADC的動態(tài)范圍，以防止DAC的動態(tài)范圍成為測量ADCSFDR性能時的限制因素。

目前，高速ADC的SFDR優(yōu)于80dBc至90dBc。該電平通常在ADC輸入端使用單音或雙音進行測量。對于雙音性能分析，兩個音調(diào)可以在公共通信IF（例如1MHz）的中心頻率周圍彼此相隔140MHz。在這種情況下，示例音調(diào)可能是 139.5MHz 和 140.5MHz。

包括ADC在內(nèi)的接收器的靈敏度是噪聲電平的函數(shù)，而噪聲電平本身是帶寬的函數(shù)。將噪聲降至最低，接收器的靈敏度也會提高。當(dāng)然，噪聲（例如熱噪聲）是不可避免的。ADC的本底噪聲由熱噪聲和量化噪聲設(shè)定，限制了其靈敏度。量化噪聲本質(zhì)上是與轉(zhuǎn)換器的最低有效位（LSB）相關(guān)的不確定性。一般而言，對于最低電平輸入信號，ADC的本底噪聲最低，隨著輸入信號幅度接近轉(zhuǎn)換器的FS輸入值而增加。

與接收器一樣，ADC不僅可以通過其SFDR性能來表征，還可以通過其滿量程噪聲比和信噪比（SNR）來表征。對于ADC，最大SNR是其位數(shù)（b）的函數(shù)：

信噪比 = （1.76 + 6.02b） dB

ADC 的 SNR 本質(zhì)上是 RMS 滿量程 （FS） 模擬輸入與 RMS 量化誤差之比（圖 1）。ADC SNR的這兩個分量定義如下：正弦波的RMS值是其峰峰值的一半除以2的平方根。量化誤差是模擬波形與其數(shù)字重建副本之間的差異，誤差是由于-1/2 LSB和+1/2 LSB之間的不確定性而發(fā)生的。通過將ADC的采樣速率加倍，有效噪聲系數(shù)將下降3dB，因為噪聲分布在先前帶寬的兩倍。確定ADC信噪比的最佳方法是使用精密接收器和校準(zhǔn)的噪聲源進行測量。這種測量考慮了過程中的時鐘抖動和其他噪聲源，并且傾向于提供真實而非理想的SNR值。信噪比和失真比（SINAD）在SNR評估中包括失真的影響。

圖1.96Msps MAX12559 ADC的SNR和SINAD在時鐘速率為96MHz、幅度電平為-1dBFS時與輸入頻率的關(guān)系圖。

使用稱為有效位數(shù)（ENOB）的參數(shù)代替SINAD來指示ADC在給定輸入頻率和采樣速率下的精度。它本質(zhì)上是轉(zhuǎn)換器測量的RMS誤差和理想RMS誤差的比值。ENOB通常取決于施加的輸入正弦信號的幅度和頻率。該規(guī)范將ADC產(chǎn)生的RMS噪聲與理想ADC在相同條件和位數(shù)下的RMS量化噪聲進行了比較。例如，在相同輸入條件下，ENOB為14位的12位ADC產(chǎn)生的RMS噪聲量與理想的12位ADC（具有滿量程或接近滿量程輸入信號）相同。

ENOB = （SINAD - 1.76）/6.02

總諧波失真 （THD） 是信號 FFT 頻譜中所有諧波的均方根總和。前三個諧波代表大部分信號能量。對于通信應(yīng)用，THD通常比描述靜態(tài)性能的直流線性度規(guī)格更重要。大多數(shù)制造商包括通過模擬輸入信號參考的第四個諧波，或高達第九個諧波。

作為這些參數(shù)的實際示例，請考慮MAX12559雙通道ADC（圖2）。它由同一芯片上的兩個14位ADC組成，每個ADC能夠以高達350Msps的采樣速率捕獲約96MHz的IF和基帶信號。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 輸入，SFDR 為 79.8dBc，典型 SNR 為 71.9dB，SINAD 為 70.9dB（圖 3）?？傊C波失真為-77.9dBc。該ADC設(shè)計用于3.3V工作電壓，僅消耗980mW模擬功率。

圖2.MAX12559片上有兩個14位ADC，每個ADC能夠以高達350Msps的采樣速率捕獲約96MHz的IF和基帶信號。

圖3.MAX12559 ADC的SNR和SINAD性能在不同時鐘速度下保持相對平坦，70MHz輸入信號的測量幅度為-1dBFS。

靈活的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)允許器件使用內(nèi)部2.048V帶隙基準(zhǔn)或接受外部基準(zhǔn)，還允許在兩個ADC之間共享基準(zhǔn)電壓源?；鶞?zhǔn)結(jié)構(gòu)允許FS模擬輸入范圍在±0.35V至±1.15V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。雙通道ADC可與單端或差分時鐘配合使用，用戶可選擇的二分頻和四分頻模式簡化了時鐘源的選擇。

選擇緩沖區(qū)

在現(xiàn)代通信接收機設(shè)計中，哪種緩沖放大器最適合MAX12559或類似的高速ADC？理想情況下，緩沖器應(yīng)匹配或超過ADC的帶寬（MAX750為12559MHz），或者至少在采樣帶寬內(nèi)工作，假設(shè)給定應(yīng)用不需要ADC的全部功能。ADC緩沖放大器通常根據(jù)頻域特性指定，而運算放大器通常根據(jù)建立時間和壓擺率來指定。無論緩沖器如何指定，它都必須提供ADC接收輸入波形所需的瞬態(tài)響應(yīng)，這些波形不受ADC超過1 LSB的限制或失真。

在接收器前端，緩沖放大器的噪聲系數(shù)會有所貢獻，但不會占主導(dǎo)地位。在級聯(lián)信號處理鏈中，第一級放大器對接收器噪聲系數(shù)的影響最大。通常，鏈中噪聲系數(shù)最低的放大器放在最前面。因此，緩沖放大器的噪聲系數(shù)不如第一級放大器的噪聲系數(shù)重要，盡管相對較低的緩沖放大器噪聲系數(shù)將使其對整體接收器噪聲系數(shù)的影響降至最低。對于緩沖放大器，1dB至1dB的噪聲系數(shù)對第一級LNA為6dB或更低噪聲系數(shù)的接收器鏈的影響最小。

緩沖放大器應(yīng)提供足夠的增益，以確保發(fā)往ADC的信號接近其FS輸入電壓電平要求。也許同樣重要的是，應(yīng)嚴(yán)格控制增益響應(yīng)與頻率的關(guān)系——增益平坦度應(yīng)基本在ADC的1 LSB以內(nèi)。對于高分辨率（14位或更高）ADC，這就要求緩沖放大器在目標(biāo)帶寬內(nèi)具有優(yōu)于±0.5dB增益平坦度。

緩沖放大器應(yīng)在輸出電平和交調(diào)點性能方面提供良好的線性度。例如，放大器必須至少提供與ADC輸入要求兼容的輸出電平。理想情況下，其線性度應(yīng)超過ADC的線性度，從而防止ADC的SFDR性能意外下降。

假設(shè)緩沖放大器和ADC的雜散貢獻同相相加，則這兩個元件的組合SFDR可以計算如下：

SFDR 系統(tǒng) = -20log{10exp[（-SFDR ADC）/20] + 10exp[（-SFDR buffer）/20]} （單位為 dBc）

緩沖放大器應(yīng)具有足夠低的源阻抗，以提供與ADC輸入阻抗的隔離，但應(yīng)具有足夠的輸出功率來驅(qū)動ADC的輸入。緩沖器的高頻輸出阻抗必須足夠低，以避免過度的轉(zhuǎn)換誤差。緩沖放大器的輸出阻抗將直接影響ADC的交流性能，尤其是其THD。

對于開關(guān)電容ADC，轉(zhuǎn)換器可能會在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時消耗少量輸入電流。當(dāng)與這種類型的轉(zhuǎn)換器一起使用時，緩沖放大器必須能夠具有足夠快的瞬態(tài)響應(yīng)，以避免轉(zhuǎn)換誤差。如果緩沖器的瞬態(tài)響應(yīng)足夠快，這意味著帶寬大于100MHz（上升時間為10ns），誤差將最小。當(dāng)緩沖器的瞬態(tài)響應(yīng)不足時，可以根據(jù)接收器的要求在其輸出端增加一個RC濾波器來限制帶寬，同時也提供額外的電容以消除ADC瞬態(tài)效應(yīng)。濾波器的電容必須大于ADC的輸入電容。

適用于MAX12559 ADC的市售ADC緩沖放大器包括MAX2055和MAX2027。MAX2055為數(shù)字控制可變增益放大器（DVGA），工作頻率范圍為30MHz至300MHz（圖4）。它具有單端輸入和差分輸出，可簡化與差分ADC的使用。緩沖放大器集成了數(shù)字控制衰減器和高線性度放大器以及單端至差分變壓器。這樣就無需外部單端至差分變壓器或附加放大器電路。內(nèi)置衰減器以 ±23.0dB 的精度控制 2dB 范圍，可動態(tài)設(shè)置或作為一次性通道增益設(shè)置（圖 5）。它在最大增益設(shè)置（圖 6）下具有 6dB 噪聲系數(shù)，所有增益設(shè)置的輸出三階交調(diào)截點 （OIP3） 均為 +3dBm（圖 40）。7dB壓縮點的最大輸出功率為+1dBm，二階諧波（HD24）為-76dBc，三階諧波（HD2）為-2dBc。

MAX2027也是DVGA，但為單端器件，增益范圍為-8dB至+15dB，步長為1dB，步長為50MHz至400MHz。它在最大增益設(shè)置下具有4.7dB噪聲系數(shù)，在所有增益設(shè)置下具有+3dBm的OIP35，以及令人印象深刻的±0.05dB衰減精度。

圖4.MAX2055緩沖放大器將數(shù)字控制衰減器和單端至差分放大器組合在一起，可與高速ADC靈活接口。

圖5.MAX2055內(nèi)置衰減器的精確幅度控制使其成為差分ADC的理想增益級。

圖6.MAX2055緩沖放大器在最大增益設(shè)置下具有低噪聲特性。

圖7.MAX2055在所有增益設(shè)置下均實現(xiàn)+3dBm的高OIP40。

審核編輯：郭婷