数模转换(ADC)的应用笔记

数模转换（ADC）的应用笔记

2015/4/17 enrich_you@

智能时代，数字信号已体现在我们生活的方方面面，A/D,D/A是重要的基础。智能手机触摸信号需要转换为数字信号才能分辨触摸位置、数字去抖；打电话或者麦克风需要将模拟声信号转换为数字信号以便存储回放、语音识别；移动通信到4G时代，速率已经达到了300Mbps，手机和基站之间的通信是模拟电磁信号，同样需要高性能的ADC将其转化为数字信号，才能变成各位看到的电影、微博（当然没这么简单）。上述三个例子是典型的三种应用场景，对应ADC的不同指标。其中速度（采样率）和精度（bit位）是选取ADC的基础指标。各种监测可能需要实时性不高，能转换就行了；大部分医疗电子可能要求精度高，动态高，能分辨大信号下隐藏的小信号，同时速度较快；对于移动通信，您可能要求速度快，同时信号好，那对速度和精度就都有要求了，速度可能几百Msps，精度可能12、14位；更高大上的，针对卫星通讯、软件无线电（SDR），带宽可达数GHz，同时灵敏度要求更高，这种ADC就是核心科技了，只有为数不多的几家美国厂商掌握。

关键词：ADC SDR 抗混叠滤波器无线通讯高精度采样

本文主要介绍ADC的模拟前端匹配技术，并分享笔者的几个设计作业，随着认识的不断深入，也会不断更新。关于ADC的互连、中频方案选择等在系列文档中细说。

ADC的前端匹配其实是抗混叠滤波器（anti-aliasing filter）的设计问题，为什么叫抗混叠滤波器，那得从ADC的采样原理说起。ADC的采样遵循Nyquist定理，假设被采样信号的最高频率为Fh，则要使在数字域能完全恢复该信号的最小采样频率为2*Fh；另外还有一个Nyquist带通采样原理，也称为欠采样。即对于带通信号而言，如TDD-LTE的2575MHz—2615MHz，通带50M，需要最小的采样频率为2*BW(50M) = 100Msps。

Fig 1 Nyquist采样混叠原理

在Fig1中，fa为被采样信号，I为其采样后的镜像，fs为采样频率。0.5fs为一个nyqusit 区。Fig1中上图表示选择信号中频在1st Nyquist区，那么这个信号会在其他高阶Nyquist 区有镜像信号；下图表示选择感兴趣的信号在2nd Nyquist区，采样后，会镜像到1st Nyquist区和其他高阶Nyquist区。同理，在ADC采样时，非感兴趣Nyquist区的噪声信号都会镜像到1st Nyquist区，而1st Nyquist区正式数字域中频处理需要信号。为了抑制噪声，需要在ADC前端加入低通（1st）或者带通(upper )滤波器，该滤波器也称为抗混叠滤波器。

ADC的硬件系统一般都是数模混合系统，板级噪声较复杂，采用差分模拟输入能有效提高共模噪声抑制比。对几十MHz以下的模拟信号一般是直接采样，如医疗中的超声、生物阻抗测量等。这种模拟信号需要将单端转为差分，采用运放可以方便的转换，同时保证ADC需要的偏置电压，如fig2。但要注意运放的直流匹配、共模偏置电压、压摆率、CMRR、频率等参数，这部分有专门的应用笔记可以参考。转为差分信号后，再设计需要的匹配滤波器，与ADC对接，下面会讲到。对于采用1st Nyquist Zone的使用场景，还可以用放大器本身来完成低通滤波。比较典型的有源滤波器是sallen-key 结构。

Fig2利用运放实现单端转差分

无线通信的频率较高，经常使用变频器（解调器）+AGC+匹配滤波+ADC的架构。存在变频器，如果采用非零中频设计，必然在射频有镜频抑制要求。为了降低镜频抑制滤波器的设计难度，结合混频杂散分析，一般采用较高的中频，多在5fs/4或者更高。在这种场景下，匹配滤波器为带通滤波器，设计复杂度要高的多。下变频器直接为差分中频输出，ADC 也是差分输入，滤波器需要考虑的是阻抗匹配。变频器如AD5801的输出阻抗为200ohm，如果采用4：1的transformer，输出阻抗为50ohm。当然也可以直接采用1:1的transformer，输出阻抗为200ohm。如果采用中频放大器，可根据放大器的直流负载特性，选择合适的负载阻抗，如fig3所示源阻抗为70ohm。ADC的输入阻抗一般较大，如AD9248的输入阻抗为7kohm，输入电容7pF；AD9230的输入阻抗4.3kohm，4pF。如此大的输入阻抗对滤波器来说是极难匹配的，一般在ADC的输入并联电阻到地，使得总输入电阻为几百ohm，作为匹配滤波器的负载电阻。

Fig3 抗混叠滤波器阻抗匹配示意图

根据输入阻抗、负载阻抗、ADC的采样率、其他NyquistZone的抑制要求，即可确定滤波器的详细参数。本人习惯采用射频设计软件ADS来仿真滤波器，最好采用murata的电容模型，采用coilcraft的绕线电感模型。如果想一步仿真成功，上板免调试，将PCB布板模型等寄生参数带入ADS进行仿真，比较精确，但实现过程比较复杂。考虑到电容等器件的精度，电容值不能太小，电感值也不要太大。还有一个问题，设计滤波器的负载阻抗是采用纯电阻模型，没有考虑ADC的输入电容，可以将滤波器仿真出来的最后一个并联电容C1减去ADC的输入电容，作为最后的电容值。考虑到对共模干扰的抑制，可以将C1改为两个到地电容，其值为2(C1-Cadc)。

在ADC输入还需要考虑到模拟信号的共模电平Vcom，Vpp。为了达到ADC的最大SNR，输入信号尽量能达到满功率（高峰均比需要回退），有的ADC提供片内偏置，有的ADC需要外部偏置。Vpp影响ADC的动态范围，注意前端放大器的压摆率与Vpp匹配，并留一定余量。

参考资料Analog Devices application note cn-0238