采用抗混叠滤波器的高性能、12位、500 MSPS宽带接收机

电路功能与优势

图1所示电路是基于超低噪声差分放大器驱动器ADA4960-1和12位、500 MSPS模数转换器AD9434的宽带接收机前端。

三阶巴特沃兹抗混叠滤波器基于放大器和ADC的性能和接口要求而优化。由滤波器网络、变压器和其他阻性元件引起的总插入损耗仅为1.2 dB。

整体电路带宽为290 MHz，通带平坦度为1 dB。在140 MHz模拟输入下测得的SNR和SFDR分别为64.1 dBFS和70.4 dBc。

图1. 12位、500 MSPS宽带接收机前端（原理示意图：未显示所有连接和去耦）增益、损耗和信号电平10 MHz下测得值

电路描述

该电路接受单端输入并使用宽带宽(3 GHz) M/A-COM ECT1- 1-13M 1:1变压器将其转换为差分信号。5 GHzADA4960-1差分放大器的差分输入阻抗为10 kΩ。通过选择外部增益设置电阻RG，增益可在0 dB至18 dB范围内调整。差分输出阻抗为150 Ω。

ADA4960-1是AD9434的理想驱动器，通过低通滤波器可在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。ADA4960-1根据外部增益电阻提供0 dB至18 dB的增益。此电路中，使用3.4 dB增益补偿滤波器网络(1.1 dB)和变压器(0.1 dB)的插入损耗，从而提供2.3 dB的总信号增益。约5.4 dBm的输入信号在ADC输入端产生满量程1.5 V p-p差分信号。

抗混叠滤波器是采用标准滤波器设计程序设计出的三阶巴特沃兹滤波器。选择巴特沃兹滤波器是因为它在通带内具有平坦响应。三阶滤波器产生1.05的交流噪声带宽比，可借助多种免费滤波器程序进行设计，例如Nuhertz Technologies Filter Free (hwww.nuhertz/filter)或Quite Universal Circuit Simulator (Qucs) Free Simulation (www.qucs.sourceforge.net)。

为了实现最佳性能，ADA4960-1应载入100 Ω的净差分负载。5 Ω串联电阻将滤波器电容与放大器输出隔离开，62 Ω电阻与下游阻抗并联，当加入10 Ω串联电阻时可产生101 Ω的净负载阻抗。

5 Ω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。511 Ω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。

三阶巴特沃兹滤波器采用70 Ω的源阻抗、338 Ω的负载阻抗和360 MHz的3 dB带宽设计而成。程序计算出的值如图2所示。

图2. 三阶差分巴特沃兹滤波器设计，ZS = 70 Ω，ZL = 338 Ω，FC = 360 MHz

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。

将ADC的内部1.3 pF电容从第二分流电容值(10.01 pF)减去，获得值8.71 pF。本电路中，该电容使用两个18 pF接地电容来实现，如图1所示。这样既能提供相同的滤波效应，又能得到一定的交流共模抑制。

表1总结了系统的测量性能，其中3 dB带宽为290 MHz。网络的总插入损耗约为1.1 dB。图3所示为带宽响应；图4所示为SNR和SFDR性能。

图3. 通带平坦度性能与频率的关系

图4. SNR/SFDR性能与频率的关系

滤波器和接口设计程序

为实现最佳性能（带宽、SNR、SFDR等），放大器和ADC应对一般电路形成一定设计限制：

放大器应参考数据手册推荐的正确直流负载，以获得最佳性能。

放大器与滤波器的负载间必须使用正确数量的串联电阻。这是为了防止通带内的不需要的峰值。

ADC的输入应通过外部并联电阻降低，并使用正确串联电阻将ADC与滤波器隔离开。此串联电阻也会减少峰值。

图5所示的一般电路适用于大多数高速差分放大器/ADC接口，将作为本文的讨论基础。此设计方法倾向于利用大多数高速ADC的相对较高输入阻抗和驱动源（放大器）的相对较低阻抗，将滤波器的插入损耗降至最低。

图5. 采用低通滤波器的一般差分放大器/ADC接口

基本设计流程如下：

选择外部ADC端接电阻RTADC，使得RTADC与RADC的并联组合介于200 Ω和400 Ω之间

根据经验和/或ADC数据手册建议选择RKB，通常介于5 Ω和36 Ω之间。

使用下式计算滤波器负载阻抗：

ZAAFL= RTADC|| (RADC+ 2RKB)

S选择放大器外部串联电阻RA。如果放大器差分输出阻抗在100 Ω至200 Ω范围内，RA应小于10 Ω。如果放大器输出阻抗为12 Ω或更低，RA应介于5 Ω和36 Ω之间。

选择RTAMP，使放大器获得的总负载ZAL最适合通过以下公式选择的特定差分放大器：

ZAL= 2RA+ (ZAAFL|| 2RTAMP)

计算滤波器源阻抗

ZAAFS= 2RTAMP|| (ZO+ 2RA)

使用滤波器设计程序或表，利用源阻抗、负载阻抗、ZAAFS和ZAAFL、滤波器类型、带宽、阶次等设计滤波器。带宽比采样速率的一半高出约40%，以确保直流至fs/2频率范围内的平坦度。

内部ADC电容CADC应从程序生成的最终分流电容值减去。程序将给出差分分流电容值CSHUNT2。最终共模分流电容为：

CAAF2= 2(CSHUNT2– CADC)

经过上述初步计算，应了解电路的下列项