AD采样电路中巴伦匝数比的选择

  发布时间:2023-11-07  |    作者:管理员  |  浏览量:265

明德扬(MDY)在2022年承担了多个高速ADC研发项目,今天给大家分享AD采样电路中巴伦匝数比的选择。



1、AD信号采样电路分析

AD信号前端采样电路如图1所示:

图片1.png 

图1 AD信号前端采样电路

其中L13与C202为射频信道故障检测信号,不影响信号采集部分。只看信号采集电路,巴伦后端的阻容配置都是可以根据手册来选择的,但是巴伦的匝数比,手册里一般不会给出。


2、巴伦匝数比、参考电压AD满幅之间的关系

首先我们做一组测试。分别使用AD9650和AD9653两种芯片,巴伦匝数比为1:2,改变参考电压,观察AD达到满幅度时信号源输出的功率。其结果如表1所示:

1  AD满幅信号源输出功率峰峰值



参考电压

信号源输出功率

信号源输出峰峰值

AD9653

内部1.0V

7.8dBm

1.552V

内部1.3V

10.3dBm

1.978V

外部1.0V

7.8dBm

1.552V

外部1.25V

9.8dBm

1.954V

AD9650

内部1.35V

10.5dBm

2.118V

外部1.0V

7.9dBm

1.570V


根据理想情况,设参考电压为Vref,则AD的满量程为峰峰值2xVref。若Vref=1.0V,那么AD的满量程应该为峰峰值2V,即信号源输出功率为10dBm。但是根据上表给出的实验数据,可以发现并不满足该情况。实际情况是,若想让AD达到满幅时,信号源输出功率为10dBm,则需要将参考电压设置为1.3V左右。通过实验条件,很容易猜到是巴伦的匝数比为1:2才导致的这个现象。

接下来使用AD9650做另一组测试。将巴伦的匝数比改为1:1,同样使用两种参考电压,察AD达到满幅度时信号源输出的功率。其结果如表2所示:

2  AD满幅信号源输出功率峰峰值


参考电压

信号源输出功率

信号源输出峰峰值

AD9650

内部1.35V

13.4dBm

2.958V

外部1.0V

10.7dBm

2.168V

通过比对两表中的数据,可以发现巴伦的匝数比确实可以影响AD满幅时信号源输出的功率大小。匝数比为1:1的巴伦,信号源输出在传输中损失0.7dB,最终到达AD使AD满幅,此时满幅值正好为10dBm。



3、巴伦匝数比与AD噪声系数之间的关系

图2为AD信号采集电路的等效电路:

图片2.png 

2  AD信号采集等效电路

上图中,R为源的内阻,一般为50Ω。R’为差分传输线路中的阻抗。RIN为ADC的差分输入阻抗,R0为匹配电阻。

在一般的应用中,为保证巴伦能够最大效率的传输能量,要对其原副边做阻抗匹配。以AD9653采样电路为例:

巴伦原边输入阻抗为50Ω,设理想巴伦匝数比N,原副边功率相等,则副边阻抗应为:

image.png

也就是说,如果使用1:1的巴伦,副边阻抗也要为50Ω。根据手册,AD9653的差分输入阻抗为2.6kΩ,因此R0=50.98Ω。如果使用1:2的巴伦,副边阻抗为200Ω,因此R0=216.67Ω。

但是在实际应用中,其实不需要做阻抗匹配。其原因有两点:

现在大部分高速AD都为电压驱动型,其差分输入阻抗均在kΩ级,AD9650的差分输入阻抗有26kΩ,因此不需要做阻抗匹配来驱动后级。在不做匹配的情况下,巴伦的副边可以看做开路,因此AD也能够采到正确的值。

通过增加R0进行阻抗匹配,实际上也是增加了副边的热噪声。因此匹配之后的AD噪声系数要高于不做匹配的。在使用AD9650时做了实际测试,也验证了这一点。实验数据如3所示:

3 阻抗匹配与否的级联噪声系数

Vref=1.25V  TURNS RATIO=1:2  RF_NF=1.8~1.9dB  GAIN=36dB

R0

200Ω

10kΩ

Open

NFIG

2.2~2.3

2.1~2.2

1.8~1.9

GAIN

31.559

32.656

35.388

巴伦可以为电路提供无噪声增益,匝数比为1:2的巴伦可以提供6dB增益。根据噪声系数的定义,噪声系数可以表示为输入端信噪比与输出端信噪比的比值(用dB表示)。使用1:2的巴伦可以减少6dB的噪声系数。

那么为了在使用1:2的巴伦是AD不会过早的达到满幅度,就需要根据最开始所说的要选好参考电压。对于AD9650可以用外部1.25V参考或内部1.35V参考,对于AD9653可以用外部1.25V参考或内部自定义参考。从而保证信号源输出功率为10dBm时AD刚好达到满幅。但是提高参考电压后,相当于减少增益,因此在实际应用中,使用1:2的巴伦仅能降低4dB左右的噪声系数。

不难看出,如果使用1:1的巴伦,然后降低参考电压,也是能提高6dB增益的。但是巴伦引入的是无噪声增益,而使用降低参考电压的方式,在带来增益的同时也会引入更多的开关噪声。所以使用1:1的巴伦,AD的噪声系数要比1:2的巴伦要高。通过对AD9653的测试可以验证这一点。测试数据如表4所示:

4 巴伦匝数比与级联噪声系数的关系

匝数比

1:1

1:2

参考电压

外部1.0V

外部1.25V

级联噪声

2.6dB

2.4dB

级联增益

33.5dB

33.8dB

但是,一味的增加巴伦的匝数比并不能为系统带来更好的效果。首先,增加匝数比就要提高AD的参考电压,而我们目前使用的AD芯片的参考电压最高仅到1.35V,使用更高匝数比的巴伦反而会增加噪声系数,而且动态范围会降低。其次,匝数更多的巴伦其频率响应曲线更加不平坦,因此在使用时还会降低输出平坦度。因此在实际选用时,要根据实际情况来进行选择。






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