雙通道模數轉換器AD9268的變壓器耦合設計

王 麗，楊士義

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

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雙通道模數轉換器AD9268的變壓器耦合設計

王 麗，楊士義

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

ADC前端是確定模數轉換器接收和采樣的信號質量的關鍵部分，基于對雙通道模數轉換器AD9268前端調理電路的設計、參考時鐘的考慮，利用變壓器進行匹配耦合設計，得到一個高性能的模擬前端ADC。

變壓器；阻抗；差分模式；耦合

0 引言

在高速中頻信號預處理電路系統設計中，根據需求不斷追求高速模數轉換器ADC的各個電路環節的優化設計來取得較高的指標；而任何一個環節的設計都應有一個恰當的目標，ADC前端耦合設計也不例外。概括來說，ADC的前端要實現以下幾大目標：帶寬、VSWR電壓駐波比、通帶平坦度、SNR信噪比、SFDR無雜散動態范圍和輸入驅動電平[1]。AD9268是一款雙通道ADC，內核采用多級、差分流水線架構，并集成了輸出糾錯邏輯；每個ADC均具有寬帶寬、差分采樣保持模擬輸入放大器；適用于高性能、低成本、小尺寸且具有多功能性的信號處理系統。

1 設計要求及器件指標

硬件系統設計從器件選型開始，選擇正確的器件可以大大減少重復次數，并快速實現所需性能。AD9268是一款雙通道、16位、80/105/125 MS/s模數轉換器(ADC)，主要性能指標如表1所示[2]，有三種型號供選擇，因此可以根據設計要求的采樣率靈活選用。本設計中需要6路中心頻率為75 MHz的中頻輸入，采樣率為100 MHz，帶寬為20 MHz，要求無雜散動態范圍大于80 dBc，50 Ω輸入阻抗匹配。故選用三片105 MS/s的AD9268，并且采用差分輸入配置，確保高采樣率條件下的高性能，同時能帶來非常高的可用輸入帶寬，這一點對于某些中頻采樣或欠采樣應用尤為重要，同時也有效抑制共模干擾。

表1 AD9268主要性能指標

2 差分輸入考慮

AD9268架構由一個雙前端采樣保持電路和其后的流水線型開關電容ADC組成，這就意味著輸入阻抗是時變的，而且會隨著模擬輸入信號的頻率發生變化，要匹配這樣的輸入阻抗是一個十分具有挑戰性的設計問題。

根據拓撲結構形式的不同[3]，ADC的前端設計主要有兩類：一類是放大器形式的拓撲結構；另一類是變壓器方式的拓撲結構。當信號的頻率很高而且ADC的輸入端不允許很大的附加噪聲時，變壓器在保持SNR和SFDR等方面表現出相當大的優勢。

變壓器作為一種無源器件，可以實現阻抗匹配、隔直及單端和差分信號之間的轉換等功能，因此，具有很好互阻性能的變壓器是一種非常不錯的選擇。設計中用變壓器耦合的方式代替傳統的電感、電容諧振網絡來實現輸入、輸出端的阻抗匹配和單端信號差分信號之間的轉換。在輸入匹配中，變壓器將驅動級的輸入阻抗匹配到50 Ω源阻抗，同時還可以實現單端輸入到差分輸出的轉換。采用變壓器耦合可以降低版圖設計難度，實現了低成本、高效率設計。

如圖1所示，在設計中，AD9268的輸入配置采用差分變壓器耦合，充分平衡系統的總負載；為實現模擬輸入偏置，將VCM電壓連接到變壓器次級繞組的中心抽頭處。為了保證共模電平的低噪聲，阻抗匹配電路在變壓器的次級端進行信號的阻抗匹配及濾波，有效地提高增益平坦度和優良的采樣動態范圍。

圖1 差分變壓器耦合配置

其次，每個輸入端都串聯一個小電阻，可以降低驅動源輸出級所需的峰值瞬態電流。在兩個輸入端之間可配置一個并聯電容，以提供動態充電電流。為得到最佳動態性能，必須保證驅動VIN+的源阻抗與驅動VIN+的源阻抗相匹配，并且使兩輸入保持差分平衡。設計中對器件進行設置，使得VCM=0.5×AVDD；芯片通過VCM引腳提供板上共模基準電壓。通過VCM引腳提供模擬輸入共模電壓時，用一個0.1 μF電容對VCM引腳去耦到地。

本設計中采用阻抗比為1∶1，且具備獨立金屬殼地的RF變壓器，從而在空間上有效地阻止了通道間的信號耦合。此外，選擇變壓器和R與L的元件值以匹配負載[4-5]，在ADC與變壓器次級之間建立一個能實現所需整體性能的抗混疊濾波器，表2列出了設置RC網絡的參考值，在設計電路時可以參考。

表2 RC網絡參考值

3 差分時鐘考慮

為了充分發揮AD9268芯片的性能，利用差分信號作為采樣時鐘輸入端(CLK+和CLK_)的時鐘信號。如圖2所示，設計中使用一個變壓器將單端時鐘信號轉為差分信號，通過LVPECL電平的時鐘分配器，分成多路LVPECL電平的差分時鐘信號供給多片ADC芯片，這樣可有效降低時鐘電路產生環節，抑制共模干擾，降低時鐘抖動，LVPECL電平為發射極耦合邏輯電路(差分結構)輸出，具備速度快、驅動能力強、噪聲小等優點，很容易滿足幾百兆赫茲的應用需要。

圖2 時鐘電路

4 測試結果及分析

通過FPGA Chipscope觀測ADC采樣后的輸出數據并導出，可以使用軟件工具MATLAB或者VisualAnalog對數據進行分析。結合總體項目，在MATLAB中對圖3所示信號頻譜圖做信號頻譜分析，測得信噪比為72 dBFS，無雜散動態范圍滿足大于80 dBc的要求。

圖3 信號頻譜圖

ADC模塊單元的大動態范圍、高信噪比等性能將直接影響到后續的信號處理和檢測，而前端設計更是確定模數轉換器接收和采樣的信號質量的關鍵部分，對該環節的設計必須予以重視。

[1] 袁光德,李文林.電子技術及應用基礎[M].北京:北京國防工業出版社,2007.

[2] Analog Devices.80MSPS/105MSPS/125MSPS,16-bit,1.8V,switched-capacitor AD9268 data sheet[EB/OL].(2009-09-xx)[2017-01-15]http://www.analog.com.

[3] NEWMAN E, REEDER R. AN-827, a resonant approach to interfacing amplifiers to switched-capacitorADCs[EB/OL].(2006-01-xx) [2017-01-15]http://www.analog.com/media/cn/technical-documentation/technical-articles/AN-827_cn.pdf.

[4] REEDER R.AN-935,Designing an ADC transformer-coupled front end[EB/OL].(2007-09-xx)[2017-01-15]http://www.analog.com/media/cn/technical-documentation/technical-articles/ AN-935 cn.pdf.

[5] 謝宏,李亞男,夏斌,等.基于ADSl299的可穿戴式腦電信號采集系統前端設計[J].電子技術應用，2014,40(3): 86-89.

Transformer coupling design of dual-channel analog-to-digital converter AD9268

Wang Li, Yang Shiyi

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 71009, China)

ADC is the key part in signal receiving and sampling circuit of analog-to-digital converter. This article introduces how to produce a high performance ADC circuit using AD9268 with properly designed pretreatment, reference clock and transformer-mach-coupling circuit.

transformer; impedance; ddifferential mode; coupling

V19; TN79+2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.14.009

王麗，楊士義.雙通道模數轉換器AD9268的變壓器耦合設計[J].微型機與應用，2017,36(14)：26-27.

2017-01-17)

王麗(1983-)，女，碩士研究生，主要研究方向：雷達導引頭信號處理研究。