电子发烧友网 > 模拟技术 > 正文

为高速模数转换选择优秀的缓冲放大器

2011年01月23日 13:42 次阅读

现代通信系统创新设计主要表现在直接变频和高中频架构,全数字接收机的设计目标要求模数转换器(ADC)以更高的采样率提供更高的分辨率(扩大系统的动态范围)。在新兴的3G和4G数字无线通信系统中,无杂散动态范围(SFDR)和线性度都需要高性能的ADC来保证。幸运的是,在接收信号链路中,ADC的前级增益电路—缓冲放大器的性能在最近几年得到了极大提高,有助于ADC确保满足现代无线通信系统的带宽和失真要求。但是,缓冲放大器和ADC之间的匹配要求非常严格,深刻理解缓冲放大器对ADC性能指标的影响非常重要。

长期以来,得到无线通信系统设计工程师认可的理想数字接收机的信号链路是:天线、滤波器、低噪声放大器(LNA)、ADC、数字解调和信号处理电路。虽然实现这个理想的数字接收机架构还要若干年的时间,但用于射频前端的ADC的性能越来越高,通信接收机正逐渐消除频率变换电路。从发展趋势看,接收机的一些中间处理级会被逐步消除掉,但ADC前端的缓冲放大级却是接收机中相当重要的环节,它是保证ADC达到预期指标的关键。信号链路的缓冲放大器是包括混频器、滤波器及其它放大器的功能模块的一部分,它必须作为一个独立器件考察其噪声系数、增益和截点指标。给一个既定的ADC选择合适的缓冲放大器,可以在不牺牲总的无杂散动态范围的前提下改善接收机的灵敏度。

定义动态范围

接收灵敏度是系统动态范围的一部分,它定义为能够使接收机成功恢复发射信息的最小接收信号电平,动态范围的上限是系统可以处理的最大信号,通常由三阶截点(IP3)决定,对应于接收机前端出现过载或饱和而进入限幅状态的工作点。当然,动态范围也需要折衷考虑,较高的灵敏度要求低噪声系数和高增益。然而,具有30dB或者更高增益、噪声系数低于2dB的LNA其三阶截点会受到限制,常常只有+10到+15dBm。由此可见,高灵敏度的放大器有可能在接收前端信号处理链路中成为阻塞强信号的瓶颈。在接收机的前端加入ADC后,对动态范围的折衷处理变得更加复杂。引入具有数字控制的新型线性放大器作为缓冲器,能够在扩展动态范围的同时提高接收机的整体性能。

为了理解缓冲放大器在高速ADC中的作用,我们需要了解一下每个部件的基本参数及其对接收机性能的影响。传统的接收机前端一般采用多级变频,将来自天线的高频信号解调到中频,然后再作进一步处理。通常,信号链路会将射频输入转换到第一中频的70MHz或140MHz,然后再转换到第二中频的10MHz,甚至进一步转换至第三中频的455kHz。这种多级变频的超外差接收机架构的应用仍然很广泛,但考虑到现代通信系统所面临的降低成本、缩小尺寸的压力,设计工程师不得不尽一切可能去除中间变频电路。长期以来,军品设计工程师也一直都在探索实现全数字化接收机的解决方案,用ADC直接数字化来自天线和滤波器组的射频信号。

近几年,ADC的性能指标得到了飞速提高,但还没有达到可以支持全数字化军用接收机的水平。尽管如此,商用接收机的设计已经从三级或更多级的变频架构简化到一次变频架构。减少频率变换级意味着ADC输入将是较高中频的信号,需要ADC和缓冲放大器具有更宽的频带。对ADC分辨率的要求取决于具体的接收机,对于一些军用设备,例如有源接收机,10位分辨率即可满足要求。对于当前和正在兴起的商用通信接收机,比如3G、4G蜂窝系统,为了降低经过复杂的相位和幅度调制的波形的量化误差,需要ADC具有更高的分辨率。对于多载波接收机,通常需要14位甚至更高的分辨率,同时也要足够的带宽来处理整个中频频带的信号。

如果一个接收机架构已具备高速、高分辨率ADC,那么关系到灵敏度和动态范围的其它关键参数是什么呢?ADC常用SFDR作为其关键指标,SFDR定义为输入信号的基波幅度与指定频谱内最大失真分量均方根的比。如输入电压幅度超出了所允许的最大值,采样输出波形将出现削波和失真。当输入信号低于推荐的最小输入值时,则不能有效利用ADC的分辨率,一个14位的ADC可能仅仅表现出了10位或12位器件的性能。

对于一个既定ADC,正弦波的最大输入电压(Vmax)可以由下式计算:

2Vmax = 2bQ 或 Vmax= 2b-1 Q

其中,b是ADC的分辨率,Q是每位量化电平的电压。

对应于最大电压的正弦波功率是:

Pmax = V2max/2 = [22(b-1)Q2]/2 = 22bQ2/8

最小电压是对应1 LSB的幅度,可以由下式计算:

2Vmin=Q

对应功率为:

Pmin= V2min/2= Q2/8

动态范围(DR)可以简单地由下式计算:

DR = Pmax/Pmin= 22b

或采用对数形式表示:

DR = 20log(Pmax/Pmin) = 20blog(2) = 6b(dB)

或者每位6dB。

要得到一个ADC的SFDR,可以测量ADC的满量程正弦信号,利用一个高精度DAC和频谱分析仪测试ADC的输出,并且比较输出信号的最大基波成分与最大失真信号的电平。需要注意DAC的动态范围一定要远远高于ADC的动态范围,否则DAC的动态范围会制约ADC SFDR指标的测试。目前,高速ADC的SFDR指标可以达到80到90dBc,通过给ADC输入一个单音或双音信号可以测得该项指标。对于双音信号的性能分析,双音信号可以在共同中频中心频率两侧选择,频率间隔1MHz,比如对于140MHz的中频,双音频点选择为139.5MHz和140.5MHz。

包括ADC在内的接收灵敏度是噪声的函数,而噪声电平本身又是带宽的函数。降低噪声可以提高接收机的灵敏度。而有些噪声是不可避免的,如热噪声。ADC的背景噪声由热噪声和量化噪声决定,这些噪声限制了ADC的灵敏度。量化噪声本质上讲是模数转换器的LSB的不确定性。一般来说,ADC的背景噪声就是所允许的最低输入信号。作为接收机,不仅仅通过SFDR来表现ADC的特性,满量程噪声比和信噪比(SNR)也很重要,ADC的最大SNR是其分辨率的函数:

SNR = (1.76 + 6.02b) dB

实际上,它是满量程模拟输入的均方根与量化噪声均方值的比。将ADC的采样速率增加一倍,噪声将分布到两倍于前期带宽的频段内,有效噪声系数会降低3dB。确定ADC的SNR的最好方法是用一个精确的接收机和经过校准的噪声源进行测量,测量须考虑时钟抖动和其它噪声源,从而获得实际的SNR值。

总谐波失真(THD)是在信号傅立叶频谱上的所有谐波的均方根之和,前三项谐波集中了绝大部分的信号能量,对于通信系统来说,THD通常比静态下的直流线性度更重要。大多数厂商给出的器件参数中包含了前4次,甚至前9次谐波的数据。

技术专区

关注电子发烧友微信

有趣有料的资讯及技术干货

下载发烧友APP

打造属于您的人脉电子圈

关注发烧友课堂

锁定最新课程活动及技术直播
收藏 人收藏
分享:

评论

相关推荐

模数转换(A/D)与数模转换(D/A)

本文对模数转换(A/D)与数模转换(D/A)的基本概念和性能指标做了详细介绍。

发表于 2018-01-05 15:50 702次阅读
模数转换(A/D)与数模转换(D/A)

AD转换中参考电压的作用

AD转换就是模数转换。顾名思义,就是把模拟信号转换成数字信号。主要包括积分型、逐次逼近型、并行比较型...

发表于 2017-12-26 09:09 856次阅读
AD转换中参考电压的作用

AD574在心电采集系统中的应用

介绍了AD574在心电采集系统中的应用,该心电模拟信号由模拟输入端送入A/D转换电路,最后在单片机的...

发表于 2017-12-20 11:38 371次阅读
AD574在心电采集系统中的应用

模数转换芯片adc0832的使用方法

介绍了模数转换芯片adc0832的使用方法,ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片,其内部电源输入...

发表于 2017-12-19 14:04 864次阅读
模数转换芯片adc0832的使用方法

tlc549中文资料汇总_tlc549引脚图及功...

主要介绍了tlc549中文资料汇总_tlc549引脚图及功能_工作原理_特性参数及典型应用电路程序。...

发表于 2017-12-19 09:08 1188次阅读
tlc549中文资料汇总_tlc549引脚图及功...

基于AD574模数转换的数据处理程序设计

本文主要介绍了基于AD574模数转换的数据处理程序设计。通过AD574与单片机的接口电路设计以及AD...

发表于 2017-12-18 17:20 323次阅读
基于AD574模数转换的数据处理程序设计

ADC0809用法详解_引脚图及功能_工作原理_...

本文主要介绍了ADC0809用法详解_引脚图及功能_工作原理_内部结构及应用电路。ADC0809是采...

发表于 2017-12-13 09:32 1392次阅读
ADC0809用法详解_引脚图及功能_工作原理_...

关于使用单片机片内ADC采集信号失真的问题

发表于 2017-12-06 18:46 387次阅读
关于使用单片机片内ADC采集信号失真的问题

多通道大容量的采集存储器的设计与实现

数据采集存储是信号处理过程的一个重要环节, 已经广泛应用于雷达、声纳、瞬态信号测试、无线探伤等领域。...

发表于 2017-11-23 14:53 243次阅读
多通道大容量的采集存储器的设计与实现

模数转换器时钟优化:测试工程观点

系统时钟优化可以提升系统的性能,但也颇具挑战性。为模数转换器设计抖动为350飞秒(fs)的编码电路是...

发表于 2017-11-16 17:42 332次阅读
模数转换器时钟优化:测试工程观点

单片机和ADC0832的AD模数转换

 模拟信号只有通过A/D转化为数字信号后才能用软件进行处理,这一切都是通过A/D转换器(ADC)来实...

发表于 2017-11-15 10:48 958次阅读
单片机和ADC0832的AD模数转换

关于HX711 AD转换问题

发表于 2017-10-02 20:39 652次阅读
关于HX711 AD转换问题

如何测定传感器输出电压信号频率

发表于 2017-09-29 10:54 491次阅读
如何测定传感器输出电压信号频率

由AD7712(24位)模数转换到AT89S52中,串口助手显示AD_SDATA脚输出一直为1,求大侠探讨

发表于 2017-08-05 10:28 551次阅读
由AD7712(24位)模数转换到AT89S52中,串口助手显示AD_SDATA脚输出一直为1,求大侠探讨

小白必看:模数转换器应用典型电路设计详细解析

模数转换器即A/D转换器,或简称ADC,通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转...

发表于 2017-04-27 17:33 1557次阅读
小白必看:模数转换器应用典型电路设计详细解析

CC2530的最高ADC是12位吗?有效位是多少?

发表于 2017-02-22 19:41 2135次阅读
CC2530的最高ADC是12位吗?有效位是多少?

采集模拟电压做模数转换,该电压可能达到10v,用什么adc比较好?

发表于 2016-10-13 09:55 1397次阅读
采集模拟电压做模数转换,该电压可能达到10v,用什么adc比较好?

盘点国内手机摄像头模组厂商TOP20

中国作为全球手机产业中心,据统计目前全球有超过40%的手机来自于中国,目前智能手机全球出货量中,中国...

发表于 2016-09-05 09:40 6084次阅读
盘点国内手机摄像头模组厂商TOP20

LED可见光通信交流

发表于 2016-06-19 22:20 2672次阅读
LED可见光通信交流

常用的Σ-Δ ADC数字滤波器类型

您有没有想过Σ-Δ模数转换器(ADC)如何才能在不同带宽下获得如此高的分辨率?秘诀就在于数字滤波器。...

发表于 2016-06-09 03:37 2687次阅读
常用的Σ-Δ ADC数字滤波器类型

关于MSP430F169的ADC模数转换

发表于 2016-06-02 09:38 1230次阅读
关于MSP430F169的ADC模数转换

AD1674无法工作,STS不置低

发表于 2016-05-15 15:25 841次阅读
AD1674无法工作,STS不置低

如果板子上面不使用ad转换芯片,需不需要区分agnd和mgnd??

发表于 2016-04-13 20:50 1436次阅读
如果板子上面不使用ad转换芯片,需不需要区分agnd和mgnd??

高速模数转换器的转换误码率解密

就像很多其他半导体器件一样,高速模数转换器(ADC)并不能始终像我们期望那样完美运行。它们存在一些固...

发表于 2015-03-01 15:37 1213次阅读
高速模数转换器的转换误码率解密

如何合理构建DAC 1ppm模数转换精密仪器设计...

为了提高仪器仪表系统的精度,数模转换器的性能已经突破16位,而以前必须采用笨重、昂贵、慢速的Kelv...

发表于 2013-01-10 11:59 679次阅读
如何合理构建DAC 1ppm模数转换精密仪器设计...

凌力尔特推出全差分缓冲放大器 LTC6417

凌力尔特公司 (Linear Technology Corporation) 推出全差分缓冲放大器 ...

发表于 2012-08-17 09:49 353次阅读
凌力尔特推出全差分缓冲放大器 LTC6417

模数转换及稳压电路图

D/A 转换主要是利用MAX522 芯片来实现的。 MAX522芯片内有2路8位电压缓冲输出D/A ...

发表于 2012-07-17 14:07 2080次阅读
模数转换及稳压电路图

成功进行模数信号转换的七个步骤

振动、温度、压力和光等现实世界的信号需要精确的信号调理和信号转换,然后才能在数字域中进行进一步数据处...

发表于 2012-06-14 15:26 2789次阅读
成功进行模数信号转换的七个步骤

谈谈如何提高单片机的模数转换精度

单片机应用于工业控制等方面时,经常要将电流、电压、温度、位移、转速等模拟量转换成数字量,然后在单片机...

发表于 2012-05-17 15:42 1949次阅读
谈谈如何提高单片机的模数转换精度

基于CY7C68013芯片的高速数据采集系统的设...

在图像处理、瞬态信号测量等一些高速、高精度的应用中,需要进行高速数据采集。USB 2.0接口以其高速...

发表于 2012-05-15 10:34 1077次阅读
基于CY7C68013芯片的高速数据采集系统的设...

高速高输入阻抗稳定缓冲放大器电路

该电路图的增益为1,电路中Q1和Q2构成简单的高速场效应晶体管输入缓冲放大器。Q1起源跟随器的作用,...

发表于 2011-10-18 10:58 1565次阅读
高速高输入阻抗稳定缓冲放大器电路

消除模数转换中的数字反馈

消除模数转换链路中的数字反馈可能是一个挑战。在把数字输出与模拟信号链路及编码时钟隔离开来的板级设计过...

发表于 2011-08-31 12:07 360次阅读
消除模数转换中的数字反馈

十速推出TM57PA10A模数转换型微控制器

TM57PA10A采用1Kx14一次性烧录(OTP) 程序内存、64字节的数据存储器(SRAM)、有...

发表于 2011-04-25 10:00 518次阅读
十速推出TM57PA10A模数转换型微控制器

几种模数转换技术的分析比较

引言    模数转换是将模拟输入信号转换为N位二进制数字输出信号的技术...

发表于 2010-12-01 12:02 959次阅读
几种模数转换技术的分析比较

通过缓冲放大器输出10V基准的应用线路图

图中所示给出了通过缓冲放大器输出10V基准的应用线路.SW399输出接运算放大器的同相端,选配一定的...

发表于 2010-10-18 16:28 356次阅读
通过缓冲放大器输出10V基准的应用线路图

模数转换芯片AD7810的原理及应用

AD7810是美国模拟器件公司(Analog Devices)生产的一种低功耗10位高速串行A/D转...

发表于 2010-09-15 11:28 6808次阅读
模数转换芯片AD7810的原理及应用

模数转换技术原理及发展

模数转换技术原理及发展 随着电子技术的迅速发展以及计算机在自动检测和自动控制系统中的广泛应用,利用...

发表于 2010-03-11 14:41 1797次阅读
模数转换技术原理及发展

用开关电源给高速AD转换器供电的优缺点

采用开关电源为高速模数转换器供电 系统设计工程师常被要求降低总体功耗,以减少对我们环境的影响,同时...

发表于 2009-09-03 11:08 953次阅读
用开关电源给高速AD转换器供电的优缺点

高精度串行模数转换器MAX1032的应用

高精度串行模数转换器MAX1032的应用 MAX1032是Maxim公司最新推出的一种多通道、多量...

发表于 2009-05-13 00:33 239次阅读
高精度串行模数转换器MAX1032的应用

并行模数转换实验

并行模数转换实验 一、实验目的熟悉A/D 转换的工作原理,学习使用并行

发表于 2008-09-26 17:00 892次阅读
并行模数转换实验

串行模数转换实验

串行模数转换实验 一. 实验目的熟悉A/D 转换的工作原理,学习使用串行模数转换芯片TLC549 ...

发表于 2008-09-26 15:58 873次阅读
串行模数转换实验