CN0242

具有带通抗混叠滤波器的高性能、高IF、75 MHz带宽、14位、250 MSPS接收机前端
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电路功能与优势

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图1所示电路是基于 ADL5202 宽动态范围、高速、数字控制可变增益放大器(VGA)和14位、250 MSPS AD9643 数转换器(ADC)的75 MHz宽带接收机前端。

 

五阶巴特沃兹抗混叠滤波器基于放大器和ADC的性能与接口要求而优化。由滤波器网络和其它阻性元件引起的总插入损耗约为2.3dB。整体电路(集成带通滤波器)拥有75 MHz的1dB带宽(145 MHz至220 MHz)和110 MHz的3dB带宽(120MHz到230 MHz)。通带平坦度为1 dB。

 

该电路专为处理以182.5 MHz(第二奈奎斯特频率区域)为中心、采样速率为245.76 MSPS的75 MHz带宽IF信号而优化。在75 MHz频段内采用182.5 MHz模拟输入时,测得的信噪比(SNR)和无杂散动态范围(SFDR)分别为68.4 dBFS和80.7 dBc。





图1. 四通道IF接收机前端的单通道(原理示意图:未显示所有连接和去耦)增益、损耗和信号电平10MHz下测得值

电路描述

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图1所示电路接受单端输入并使用宽带宽(5 MHz至300 MHz)M/A-COM TC3-1T+ 1:3 (Z)变压器将其转换为差分输入信号。 ADL5202 6.0 GHz差分放大器具有150Ω的差分输入阻抗,并支持三种不同的增益设置:0 dB、10 dB和20 dB。

 

ADL5202 AD9643的理想驱动器,通过带通滤波器可在ADC中实现全差分架构,提供良好的高频共模抑制,同时将二阶失真产物降至最低。 ADL5202的可编程增益范围为−11.5 dB至20 dB,步长为0.5 dB。本电路中采用了三种增益 设置来说明 ADL5202 AD9643的高性能。

 

滤波器网络的插入损耗约为2.3 dB;给 ADL5202编程来提供2.3 dB以上的正增益值时可使用放大器的增益来补偿此损耗。增益还有助于将放大器的噪声影响降至最低。.

 

抗混叠滤波器是采用标准滤波器设计程序(本例中是来自Agilent的Advanced Design System [ADS])设计的五阶巴特沃兹带通滤波器。选择巴特沃兹滤波器是因为它具有平坦响应。其它滤波器设计程序可从Nuhertz Technologies或QuiteUniversal Circuit Simulator (Qucs) Simulation获得。

 

为了实现最佳性能, ADL5202 应载入150Ω的净差分负载。1μH电感为 ADL5202的输出级提供偏置,串联电容则将滤波器及ADC与放大器输出端的这种偏置电压隔开。 ADL5202的输出端具有约145Ω的阻抗负载,此阻抗来自滤波器输入和输出端的端接电阻,以及ADC电阻和ADC输入端的串联阻尼电阻。

 

20Ω电阻与ADC输入串联,将内部开关瞬变与滤波器和放大器隔离开。两个162Ω电阻与ADC并联,用于降低ADC的输入阻抗,使性能更具可预测性。

 

AD9643的差分输入阻抗与2.2 pF并联,约为3 kΩ。对于该类型的开关电容输入ADC,实部和虚部与输入频率成函数关系;详细分析请参见 应用笔记 AN-742

 

五阶巴特沃兹滤波器采用100Ω的源阻抗、293Ω的负载阻抗、75 MHz的1dB带宽以及110MHz的3 dB带宽设计而成。滤波器的最终电路值如图2所示。为滤波器无源元件选择的值是最接近程序生成值的标准值。ADC的内部2.2pF电容在滤波器设计中用作最终分流电容的一部分。ADC输入端的这种分流电容有助于减少ADC输入采样网络的反冲电荷 电流并优化滤波器性能。





图2. 五阶差分巴特沃兹滤波器的最终设计值, ZS = 100 Ω, ZL = 293 Ω, fC = 182.5 MHz

 


表1总结了系统的测量性能,其中3 dB带宽为110 MHz。网络的总插入损耗约为2.3 dB。
表1. 电路的测定性
 性能规格(1.75 V p-p FS)  最终结果
 截止频率 fLOW (-1 dB)  145 MHz
 截止频率 fHIGH (-1 dB)  220 MHz
 截止频率 fLOW (-3 dB)  120 MHz
 截止频率 fHIGH (-3 dB)  230 MHz
 通带平坦度 (10 MHz 至190 MHz)  1dB
 SNR FS (140 MHz)  68.4 dBFS
 SFDR ( 140 MHz)  80.7 dBc
 H2/H3 (140MHz)  80.7 dBc/ 84.5 dBc
 总增益(182.5 MHz , ADL5202 增益 = 20 dB)  21.8 dB
 输入驱动(182.5 MHz)  -13.0 dBm

 

 

图3所示为最终滤波器电路的带宽响应,图4和图5所示为SNR和SFDR性能。




图3. 通带平坦度性能与模拟输入频率的关系

 




图4. SFDR性能与模拟输入频率的关系 (0 dB 增益, 10 dB 增益, 和20 dB 增益)

 




图5. SNR性能与模拟输入频率的关系(0 dB 增益, 10 dB 增益, and 20 dB 增益)

 


滤波器和接口设计程序

本节介绍放大器/ADC与滤波器接口设计的常用方法。为实现最佳性能(带宽、SNR和SFDR),放大器和ADC应对一般电路形成一定设计限制,例如:



  • 放大器必须参考数据手册推荐的正确直流负载,以获得最佳性能。
  • 必须在放大器和电源之间使用直流偏置电感,以便正确地偏置放大器输出。
  • ADC的输入阻抗必须通过外部并联电阻降低,并且必须使用正确的串联电阻将ADC与滤波器隔离开。此串联电阻也会减少信号尖峰。

此设计方法倾向于利用大多数高速ADC相对较高的输入阻抗和驱动源相对较低的阻抗,将滤波器的插入损耗降至最低。

 

有关设计程序的详情,请参见电路笔记 CN-0227 , CN-0238 CN-0279

 

电路优化技术和权衡

本接口电路内的参数具有高互动性;因此优化电路的所有关键规格(带宽、带宽平坦度、SNR、SFDR和增益)几乎不可能。不过,通过变更驱动放大器输出串联电阻(用于低阻 抗输出)和/或与ADC输入端串联的电阻(在图1所示电路中为20Ω),可以最大程度地减少通常发生于带宽响应内的信号尖峰。

 

选择ADC输入端的串联电阻,以尽量减少任何残余电荷注入(从ADC内部采样电容)造成的失真。增加此电阻也倾向减少带内的信号尖峰。

 

不过,增加ADC输入串联电阻也会增加信号衰减,因此放大器必须驱动更大信号才能填充ADC的输入范围。

 

优化通带平坦度的另一方法是略微变更滤波器分流电容。

 

ADC输入端接电阻(图1所示电路中为364Ω)通常应该选择为使净ADC输入阻抗介于200Ω和400Ω之间。使该电阻位于此范围内可减少ADC输入电容的影响,并且可能稳定滤波器设计;但是,这样会增加电路的插入损耗。提高该值也会减少信号尖峰。

 

上述因素的权衡可能有些困难。本设计中,每个参数权重相等;因此所选值代表了所有设计特征的接口性能。某些设计中,根据系统要求,可能会选择不同的值,以便优化 SFDR、SNR或输入驱动电平。

 

本设计的SFDR性能取决于两个因素:放大器和ADC接口元件值,如图1所示。表1和图4所示的最终SFDR性能数字是在优化滤波器设计后获得的,考虑了用于滤波器设计的 板寄生电容和非理想元件。

 

该特定设计中可以权衡的另一因素是ADC满量程范围设置。对于采用本设计获得的数据,满量程ADC差分输入电压设置为1.75 V p-p,它可以优化SFDR。将满量程输入范围 更改为2.0 V p-p可稍稍改善SNR,但SFDR性能会略微降低。沿相反方向将满量程输入范围更改为1.5 V p-p可稍稍改善SFDR,但SNR性能会略微降低。

 

本设计中的信号与0.1μF电容进行交流耦合,以阻挡放大器、其端接电阻和ADC输入之间的共模电压。有关共模电压的更多详情,请参见 AD9643 数据手册。

无源组件和PCB寄生效应考虑

该电路或任何高速电路的性能都高度依赖于适当的印刷电路板(PCB)布局,包括但不限于电源旁路、受控阻抗线路(如需要)、元件布局、信号布线以及电源层和接地层。有 关高速ADC和放大器PCB布局的更多详情,请参见指南 MT-031 MT-101

 

对于滤波器内的无源元件,使用低寄生表面贴装电容、电感和电阻。所选电感来自Coilcra0603CS系列。滤波器使用的表贴电容为5%、C0G、0402型,以确保稳定性和精度。

 

有关系统的完整文档,包括原理图、物料清单及PCB布局,请参见 CN-0242 设计支持包。



常见变化

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针对需要更少带宽和更低功耗的应用,可使用 ADL5562差分放大器。 ADL5562的带宽为3.3 GHz。如需更低的功耗和带宽,还可使用 ADA4950-1。该器件的带宽为1 GHz,仅使用10 mA的电流。

电路评估与测试

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本电路使用修改的 AD9643-250EBZ电路板和基于 HSC-ADC-EVALCZFPGA的数据采集板。这两片板具有对接高速连接器,可以快速完成设置并评估电路性能。修改的 AD9643-250EBZ 板包括本电路笔记所述的评估电路, HSC-ADC-EVALCZ 数据采集板与VisualAnalog评估软件一起使用,此外还使用SPI控制器软件来适当控制ADC并采集数据。有关修改的AD9643-250EBZ板的原理图、BOM和布局文件,请参见 UG-293 用户指南。CN-0242设计支持包中的readme.txt文件说明了对标准 AD9643-250EBZ 板做出的修改。 应用笔记 AN-835详细说明了如何设置硬件和软件,以运行本电路笔记所述的测试。

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ADL5202 31.5 dB增益范围、0.5 dB阶跃信号幅度、可编程VGA

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AD9643 14位、170/210/250 MSPS、1.8 V双通道模数转换器(ADC)

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