本文還將比較各種有源接收器前端設計方法，包括低噪聲放大器 （LNA）、全差分放大器 （FDA） 和經典的無源寬帶巴倫。

比較 AC 性能權衡

在將巴倫、LNA 和 FDA 與TRF1208等單端轉差分 （S2D） 放大器進行比較時，重要的是要回顧設計寬帶、高性能模數轉換器 （ADC） 接口時所涉及的指標。如果提前考慮，以下五個指標可以幫助保持設計的重點和正軌：

輸入阻抗或電壓駐波比 （VSWR） 是一個無單位參數，它顯示在感興趣的帶寬內有多少功率反射到負載中。網絡的輸入阻抗是負載的規定值，通常為 50 Ω。

帶寬只是系統中使用的開始和結束頻率，通常距某個參考點 –3 dB。

通帶平坦度通常定義為在指定帶寬內可容忍的波動量或紋波量：例如，1.0 dB 或+ 5 dB。這些水平可以或多或少地用斜率定義。

在 AC 性能中，對于單音，信噪比 （SNR） 和無雜散動態范圍 （SFDR） 很重要，而三階互調失真 （IMD3） 在雙音設置中很重要。

輸入驅動電平是帶寬、輸入阻抗和 VSWR 規格的函數。該電平設置轉換器滿量程輸入信號所需的增益或幅度。它高度依賴于前端組件——巴倫、放大器和抗混疊濾波器——并且可能是最難實現的參數之一。

需要明確的是，這些指標封裝了整個前端接口設計，而不僅僅是 ADC。首先考慮這些指標可能會幫助您在主動或被動前端之間做出決定。

本質上，您只需執行由前端帶寬、輸入驅動和交流性能（SNR 和 SFDR）組成的頻率掃描，即可快速評估整體前端設計的差異。

讓我們看一下五種不同的前端設計，以比較這些指標的權衡，如圖 1 所示。

圖 1五個前端包括僅基于巴倫、一個 LNA、一個巴倫加 FDA、一個單端 FDA 和 TRF1208 的設計。資料來源：德州儀器

接下來，圖 2顯示了在高達 10 GHz 的頻率上的輸入帶寬和輸入驅動電平的權衡。每個設計的前端帶寬指示在 1.4 GHz 時達到 –6 dBFS 所需的 –3-dB 帶寬和輸入驅動電平。例如，查看 TRF1208，只需 –16-dBm 輸入信號即可達到 ADC 滿量程值的 –6 dBFS。相反，使用寬帶巴倫大約需要 +1 dBm 才能達到相同的水平。兩者之間，信號強度相差 17 dBm。巴倫和寬帶接口網絡會產生損耗，因此會提高整個信號鏈的噪聲系數。底線是巴倫會產生損耗，LNA 和 FDA 前端設計也是如此，其中包括用于 S2D 信號轉換的巴倫。

圖 2以下是五種前端設計中的頻率響應。資料來源：德州儀器

圖 2 說明了從大約 DC 到 8 GHz 的通帶平坦度。盡管所有前端設計都可以達到 8 GHz，但每個設計都有不同的峰值和谷值需要應對。平心而論，可以根據輸入網絡值的變化以及設計的最終要求來微調這些峰值和谷值。

巴倫有損耗，因此寬帶巴倫接口需要更高的信號驅動強度，巴倫初級端的信號電平為 +1-dBm，以在 ADC 輸出上實現 –6 dBFS。由于所有其他比較都使用有源放大器設備（所有這些設備都具有固有的各種增益），因此所需的輸入驅動電平將大大降低：從 –5 dBm 到 –16 dBm。您可以進行進一步的分析和前端工作，以“平衡”收益和輸入網絡損失。與此同時，這些信息確實讓您對深入了解交流性能之前的預期有所了解。

SNR 和 SFDR 排名

在相同帶寬上進行頻率掃描可捕獲 SNR、SFDR 和 IMD3 性能。這些是典型的標準測試，用于在設計高速轉換器時進行比較權衡。

圖 3顯示了各種配置之間的 SNR 權衡。

圖 3顯示了五種前端設計的 SNR 值。資料來源：德州儀器

將紫色曲線視為基線性能，您可以看到寬帶巴倫接口在轉換器的整個帶寬內提供了最佳的 SNR 性能。代表 LNA 方法的綠色曲線排在第二位，因為這些類型的有源器件通常具有非常低的噪聲系數，增加了大約 1 dB 到 2 dB 的噪聲。FDA 排在第三位，因為它的寬帶噪聲比 LNA 高，但比 TRF1208 低。在單端輸入配置中使用 FDA 時，共模噪聲消除存在一個小問題，因為其在輸入上的固有設計預期全差分信號。使用這種類型的配置會稍微影響 SNR。

TRF1208 排在最后。但是，它具有更多的輸出噪聲，因為它具有比 FDA 更高的增益。請記住，較高的有源增益將傾向于獲得設備自身產生的噪聲。例如，對于 2 GHz 模擬輸入信號，TRF1208 在 –166.7 dBm/Hz 時具有等于 16 dB 的增益和等于 8 dB 的噪聲系數，產生 150.7 dBm/Hz 的輸出噪聲。FDA 在 –163.3 dBm/Hz 時具有等于 10 dB （S2D） 的增益和等于 11 dB 的噪聲系數，產生 –153.3 dBm/Hz 的輸出噪聲。

所有設計都配置為盡可能寬的帶寬，如圖 2 所示。在任何有源設計中，通過在放大器輸出和 ADC 輸入之間使用抗混疊濾波器來降低帶寬將有助于降低感興趣頻帶之外的寬帶噪聲。它還有助于降低轉換器“看到”的噪聲，從而將 SNR 推回到基線性能，如圖 1 所示（WB Balun + 5200RF ADC）。

圖 4從線性角度顯示了各種前端配置之間 10 GHz 頻率掃描的 SFDR 動態范圍。SFDR 是一種單音測量，可以很好地觀察目標頻率內的任何限制諧波（二次諧波、三次諧波、四次諧波）。

圖 4顯示了五種前端設計的 SFDR 值。資料來源：德州儀器

再次查看作為基線性能的紫色曲線，您可以看到寬帶巴倫接口將在轉換器的整個帶寬內產生可能的最佳 SFDR。代表 LNA 的綠色曲線顯示性能非常下降，尤其是在高達 5 GHz 的較低頻段，因為鑒于 LNA 的單端特性，偶次失真 （HD2） 將始終占主導地位。HD2 最終會超出 ADC 的帶寬。

當使用差分前端方法時，FDA 似乎在 0.5 至 3.5 GHz 領域擁有一定的三階優勢。使用單端方法時，在 0.5 至 5 GHz 范圍內，更偶數階的劣化優勢明顯。

TRF1208 一直與無源基線前端保持一致，這說明了為什么該放大器是需要有源器件的寬帶前端的首選。

雙音測量

另一種常見的轉換器測試指標，雙音測量會產生 IMD3 結果或三階互調失真，并快速模擬現實世界的系統應用信號。簡而言之，雙音測量主動評估同時注入前端接口的兩個信號。這兩個信號通常相互偏移 10 MHz，并被驅動到相同的電平，或分別為 –7 dBFS。圖 5顯示了 IMD3+（2 × F1 + F2 或 2 × F2 + F1）結果。捕獲時，該圖不包括 IMD3–（2 × F1 – F2 或 2 × F2 – F1），以便于說明性能差異。

圖 5這是 IMD3+ 在五種前端設計中的樣子。資料來源：德州儀器

紫色曲線再次說明了基線性能，您可以看到寬帶巴倫接口將在轉換器的整個帶寬內產生可能的最佳 IMD3 性能。代表 LNA 的綠色曲線顯示了相對于寬帶巴倫接口的性能下降。代表 FDA 接口的藍色和黑色曲線的性能也相對于基線有所下降，最高可達 5 GHz。對于整個頻率掃描，TRF1208 與無源基線前端保持一致。同樣，它說明了為什么該放大器在寬帶前端需求方面是首選。

此外，經過評估的 FDA 有兩個電源，一個負電源，并消耗高達 1.8 W 的功率以保持低噪聲。這是降低噪聲并增加放大器的動態余量并在設計中投入更多功率的經典方法。LNA 耗散的功率最少；僅 0.275 W，采用單 5 V 電源。TRF1208 采用 5V 單電源供電，功耗僅為 0.675 W。

本文的目的是為 ADC 模擬前端接口設計的缺陷提供快速入門指南，并提供一些有用且熟悉的設計比較，并介紹新型 TRF1208 差分放大器。對于任何新的寬帶前端設計，建議評估指標權衡并提前仔細計劃。注意相位不平衡，因為如果應用程序的頻率計劃中有偶數階失真，它可能會造成嚴重破壞。鑒于巴倫和放大器的特性及其優缺點，重要的是要權衡取舍并做出明智的選擇。

德州儀器 （TI） 高速轉換器應用經理 Rob Reeder 是 Planet Analog 的 Signal Chain Basics 博客 #174 的作者。

　　審核編輯：湯梓紅