作者：Rob Reeder

在新的信號鏈和模數轉換器 (ADC)前端設計中，系統設計人員需要考慮許多前端拓撲結構和設計權衡因素。

這些權衡因素包括帶寬、輸入驅動、阻抗和性能。拓撲結構也很重要，即選用放大器耦合輸入還是變壓器耦合輸入，還有 ADC架構是否采用緩沖。眾多論文都在探討如何權衡利弊，做出正確的選擇。

使用何種拓撲結構，以及優先考慮哪些因素來構建所需的信號鏈和 ADC前端，應當由系統設計規格決定。即使設計選定以后，也不要把所有的努力白白扔掉。想一想，如果信號稍微不平衡，哪些因素會因此受到限制？不錯，一個主要的影響是動態范圍會受限。

偶數階失真的產生或增大通常由一個或許多信號鏈不平衡因素決定。理想情況下，只要整個信號鏈和所用的器件保持完美對稱，根本不會存在偶數階失真（二次、四次、六次諧波等）。

奇數階失真（三次、五次、七次諧波等）表現為各器件的非線性、裕量或所施加的偏置。如果不了解這些限制源于何處，即使您的設計仍然有效，但其性能水平如何就難說了。

共模不平衡

接口之間的共模電壓問題是引起偶數階失真的一些最常見因素。即使最后一級達到完美平衡，信號鏈更下游的共模電壓不平衡也會引起失真，最終影響到轉換器。

設計是直流耦合還是交流耦合并不重要。為了讓對稱的差分信號進入 ADC輸入端，每個接口級都需要穩定可靠的共模電壓。否則，轉換器的輸出頻譜就會超量程、欠量程或者看起來嘈雜不堪（這里假設您使用的是雙極性信號和單電源）。

元件不平衡

無源元件的容差也可能成為性能殺手。放大器反饋環路的求和節點以及放大器與轉換器之間的多極點抗混疊濾波器中可以看到這種現象。從下面的數學方程式就可以看出這種不匹配情況。

圖 1. RG和 RF容差不嚴密將導致共模電壓不匹配

如果 RG和 RF的元件容差不夠嚴密，那么就可能產生共模電壓不匹配（圖 1）。此處的任何不匹配都會導致求和節點 VACM稍微不同，因為這些電阻會隨著自身的容差、溫度變化和使用時間的增加而漂移。 VACM的不同將導致 VIP和 VIN在放大器的輸出端不同，從而產生二階失真。

為解決這個問題，應確保元件容差非常低 (1%)。如果精度很重要，可以使用某些具有低 ppm漂移和嚴密漏電容差的專用電阻包。這是 ADI公司將匹配電阻增益網絡內置于高速放大器的原因之一。

元件保持低容差至關重要；當同時設計抗混疊濾波器時，可以看到偶數階失真的變化。在大多數通信應用中， ADC有一個窄帶寬(20 - 40 MHz)的多極點級聯濾波器，您可以想象構建這樣一個濾波器可能需要多少元件（差分濾波器需要 10個元件）。

顯然，元件越多，元件之間的容差變化和不匹配誤差就越大。電感是眾所周知的元兇，因此保持低容差非常重要。如果組裝車間的溫控技術不合適，電感還可能存在可焊性問題。即使焊接接頭看起來很漂亮，平滑光亮，接觸不良有時也是罪魁禍首之一。

布局不平衡

如果在布局階段不小心，您的所有努力仍有可能化為烏有。整個信號鏈的布局都應保持嚴密和對稱。如若不然，就會產生二階失真。例如，在用于幫助改善相位不平衡問題的典型前端巴倫配置中，即使很微小的不匹配也可能導致性能明顯下降。

其它情況則是濾波器走線以及信號鏈相鄰元件間其它接口的不匹配。采用高中頻頻率時，布局應保持對稱，但不要強迫 CAD操作員將所有都匹配到最精確的程度。

此外還應注意布局階段做出的任何取舍。否則，只要路徑不對稱，無論是長度不同還是寄生效應不同，都可能導致兩個差分信號在到達轉換器模擬輸入端時出現相位偏差。

ADC不平衡

轉換器本身對不平衡的耐受能力如何？整個信號鏈不可能做到完美平衡，因此轉換器能夠容忍多大的不平衡呢？確實，不可能將一切問題都推給前端信號鏈元件來解決。一定會有某種程度的不平衡，無論它是源于元件容差、布局限制還是其它因素。但是，轉換器遇到這些不平衡時有多大的韌性？這種韌性對于失真是否意義重大？

我們在最近的測試中發現：通過聯鎖兩個獨立的信號源，我們可以使相位偏移若干度，以便測試 ADC對不平衡信號的耐受度。首先，執行這種測試的初衷不僅是要證明轉換器在整個頻率范圍內的表現，而且要了解 IC本身的布局能在多大程度上控制平衡。

隨著頻率提高，一般趨勢是任何兩個信號都會不可避免地發生相位不平衡。因此，我們預期這種趨勢隨著頻率提高會變得更差。其次，隨著相位不平衡變得越來越大，偶數階失真會自動增大。如果我們在測試中同時觀察這兩種趨勢，我們應當能看到一個斜坡狀曲線（圖 2）。

圖 2. 隨著頻率升高，兩個 ADC信號間的相位不平衡會增大，且偶次諧波也增大

這說明，在對轉換器性能有嚴重影響之前（ 5 dB）,任何信號不平衡對頻率范圍內的不匹配都有約 3°的耐受度但更高的不平衡會使性能迅速下降。此外，三階失真隨著頻率增加而相對平坦，相位不平衡表現為強烈的不匹配。這再次印證了上述觀點：不平衡信號是偶數階失真的主要原因，但不是奇數階失真的主要原因。

總結

注意信號鏈設計的不平衡和對稱有助于實現系統的最高性能。如果不仔細考慮布局布線、元件選擇并將共模電壓不匹配保持最低，系統性能就會受損，至少偶數階失真會增大。這時，轉換器可能仍然正常工作，不過只能發揮某種程度的效用。