改善无源宽带ADC前端网络的设计

变压器数据手册中最常见的测量规格。从原边端接中可见，回波损耗是指变压器二次端接的有源阻抗不匹配。举例来说，如果副边匝数与原边匝数之比的平方为1:2，当副边端接阻抗为200Ω时，应该有50Ω的阻抗将会反射到原边端接。然而，这种关系并不准确。

　　例如，原边的反射阻抗随频率发生变化。首先，找出前端设计的中心频率回波损耗。此例中频率为110MHz。若假设为理想变压器，Zo值并非50Ω。从公式3可看出，Zo值要低些:

　　回波损耗(RL) =–18.9 dB @ 110 MHz = –20*log((50–Zo)/(50 + Zo)) (1)

　　10^(18.9/20) = ((50 – Zo)/(50 + Zo)) (2)

　　Zo = 39.8 Ω (3)

　　该例中，公式3中为原边端接阻抗Zo，副边理想阻抗为200Ω。同样，原边理想阻抗（50Ω），求解实际副边阻抗：

　　Z(原边反射阻抗)/Z(副边理想阻抗) = Z(原边理想阻抗)/ Z(副边反射阻抗) (4)

　　39.8/200 = 50/X (5)

　　求解X：

　　X = 251 Ω (6)

　　变压器的匝数比为1:2时，副边端接阻抗应为251Ω。因此，使用更高端接考虑了变压器内的核心损耗，不仅得到更好的匹配，而且改进变压器原边端接的输入驱动能力。

　　输入驱动能力提高后，只需较少的电力就可达到转换器的满量程输入。一般来说，随着阻抗比率的上升，回波损耗的变异也随之提高。采用任何变压器匹配前一级的前端设计时，都应当考虑这一点。

　　就变压器或巴伦而言，幅度和相位不平衡是两个最关键的性能特征。当电路设计要求高中频（100MHz以上）时，设计人员可根据此两项技术规格，考虑合适的线性度。随着频率的增加，变压器的非线性也同时增长，通常由相位不平衡控制，转化为转换器的偶次失真（主要是二次谐波失真）。但不要马上把原因归咎于转换器。如果预期杂散特性差得远，应先查看前端设计或变压器。

图3. 根据这个简单的ADC模型进行数学分析，有助于解释变压器非线性度随不平衡上升的原因。

　　不平衡（如图3）因素很关键。须考虑变压器输入x(t)。输入x(t)转换成一对信号x1(t)和x2(t)。如果x(t)为正弦曲线，差分输出信号x1(t)和x2(t)如下：

模数转换器（ADC）建模为一个对称三阶传递函数：

　　则

　　理想情况：完全平衡

　　当x1(t) 和x2(t) 完全平衡时，该两组信号为同一幅度（k1 = k2= k），恰好是180°错相(Φ = 0°)。因为：

　　运用三角恒等式，收集频率等信息，如：

　　出现差分电路的常见结果。理想信号的偶次谐波抵消，而奇次谐波没有抵消。

　　幅度不平衡

　　现在假设两个输入信号的幅度不平衡，但没有相位不平衡。此例中，K1≠K2，Φ= 0：

　　把公式7代入公式3，并再次运用公式14的三角恒等式。我们看到公式8中，此时二次谐波与幅度K1和K2的平方之差成正比，即：

　　相位不平衡

　　假设现在两个输入信号之间相位不平衡，没有幅度不平衡。则k1 = k2，Φ≠0 :

　　把公式10代入公式3，简化得到公式17。从公式17我们看到，二次谐波幅值与幅度K的平方成正比:

　　比较公式15和公式18可看出，二次谐波幅值受相位不平衡的影响比受幅度不平衡的影响更严重。相位不平衡状态下，二次谐波与k1的平方成正比。幅度不平衡状态下，二次谐波与K1和K2的平方之差成正比。由于K1和K2值大约相等，此差值较小。

高阶匝数比或阻抗比变压器的耐不平衡性较差。如果无法找到“合适的”变压器，应用的线性也有问题的话，请尝试使用多个级联变压器或巴伦。增加一个变压器后，二次谐波失真通常会减少，因为第二个变压器会发挥作用，重新平衡之前第一个变压器从单端转换为差分的信号。

　　某些情况下，可用两三个变压器，协助在高频率下更充分地将单端信号转换为差分信号（图4）。该方法的缺点是电路板空间增加、成本提高、插入损耗（即高投入驱动能力）增大。新款高频变压器现已上市。安伦公司（Anaren）的专利设计采用无核心拓扑结构，允许只采用单一设备的千兆区域带宽扩展。

图4. 对于单端转差分应用，可在各种配置中采用多个变压器。　

并非所有的变压器制造商会使用同样的方法，即使数据手册规格明显类似，相同情况下变压器的运行情况可能也会不同。为前端设计选择变压器的最佳途径是收集并了解考虑范围内变压器的所有规格，并索取制造商数据手册中没有说明的其它主要数据项。或者，也可使用网络分析仪来衡量变压器的性能。

　　宽频带的考虑因素

了解变压器及其技术规格，对弄清前端电路究竟如何运行很有帮助。本质上讲，设计宽频带网络时，其他三个指标也需要加以考虑：带宽、匹配情况和PCB（印刷电路板）布局本身。每个指标都很重要，对实现前端电路所需的最佳性能都有举足轻重的作