現(xiàn)代通信系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)在直接變頻和高中頻架構(gòu),，全數(shù)字接收機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)以更高的采樣率提供更高的分辨率(擴(kuò)大系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍),。在新興的3G和4G數(shù)字無線通信系統(tǒng)中，無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)和線性度都需要高性能的ADC來保證,。幸運(yùn)的是,，在接收信號(hào)鏈路中,，ADC的前級(jí)增益電路—緩沖放大器的性能在最近幾年得到了極大提高，有助于ADC確保滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的帶寬和失真要求,。但是,，緩沖放大器和ADC之間的匹配要求非常嚴(yán)格，深刻理解緩沖放大器對(duì)ADC性能指標(biāo)的影響非常重要,。
長(zhǎng)期以來,，得到無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師認(rèn)可的理想數(shù)字接收機(jī)的信號(hào)鏈路是：天線、濾波器,、低噪聲放大器(LNA),、ADC、數(shù)字解調(diào)和信號(hào)處理電路,。雖然實(shí)現(xiàn)這個(gè)理想的數(shù)字接收機(jī)架構(gòu)還要若干年的時(shí)間,，但用于射頻前端的ADC的性能越來越高，通信接收機(jī)正逐漸消除頻率變換電路,。從發(fā)展趨勢(shì)看,，接收機(jī)的一些中間處理級(jí)會(huì)被逐步消除掉，但ADC前端的緩沖放大級(jí)卻是接收機(jī)中相當(dāng)重要的環(huán)節(jié),，它是保證ADC達(dá)到預(yù)期指標(biāo)的關(guān)鍵,。信號(hào)鏈路的緩沖放大器是包括混頻器、濾波器及其它放大器的功能模塊的一部分,，它必須作為一個(gè)獨(dú)立器件考察其噪聲系數(shù),、增益和截點(diǎn)指標(biāo)。給一個(gè)既定的ADC選擇合適的緩沖放大器,，可以在不犧牲總的無雜散動(dòng)態(tài)范圍的前提下改善接收機(jī)的靈敏度,。
定義動(dòng)態(tài)范圍
接收靈敏度是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的一部分，它定義為能夠使接收機(jī)成功恢復(fù)發(fā)射信息的最小接收信號(hào)電平,，動(dòng)態(tài)范圍的上限是系統(tǒng)可以處理的最大信號(hào),，通常由三階截點(diǎn)(IP3)決定，對(duì)應(yīng)于接收機(jī)前端出現(xiàn)過載或飽和而進(jìn)入限幅狀態(tài)的工作點(diǎn),。當(dāng)然,，動(dòng)態(tài)范圍也需要折衷考慮，較高的靈敏度要求低噪聲系數(shù)和高增益,。然而,，具有30dB或者更高增益、噪聲系數(shù)低于2dB的LNA其三階截點(diǎn)會(huì)受到限制,，常常只有+10到+15dBm,。由此可見，高靈敏度的放大器有可能在接收前端信號(hào)處理鏈路中成為阻塞強(qiáng)信號(hào)的瓶頸。在接收機(jī)的前端加入ADC后,，對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的折衷處理變得更加復(fù)雜,。引入具有數(shù)字控制的新型線性放大器作為緩沖器，能夠在擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)提高接收機(jī)的整體性能,。
為了理解緩沖放大器在高速ADC中的作用,，我們需要了解一下每個(gè)部件的基本參數(shù)及其對(duì)接收機(jī)性能的影響。傳統(tǒng)的接收機(jī)前端一般采用多級(jí)變頻,，將來自天線的高頻信號(hào)解調(diào)到中頻,，然后再作進(jìn)一步處理。通常,，信號(hào)鏈路會(huì)將射頻輸入轉(zhuǎn)換到第一中頻的70MHz或140MHz,，然后再轉(zhuǎn)換到第二中頻的10MHz，甚至進(jìn)一步轉(zhuǎn)換至第三中頻的455kHz,。這種多級(jí)變頻的超外差接收機(jī)架構(gòu)的應(yīng)用仍然很廣泛,，但考慮到現(xiàn)代通信系統(tǒng)所面臨的降低成本、縮小尺寸的壓力,，設(shè)計(jì)工程師不得不盡一切可能去除中間變頻電路,。長(zhǎng)期以來，軍品設(shè)計(jì)工程師也一直都在探索實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化接收機(jī)的解決方案,，用ADC直接數(shù)字化來自天線和濾波器組的射頻信號(hào),。
近幾年，ADC的性能指標(biāo)得到了飛速提高,，但還沒有達(dá)到可以支持全數(shù)字化軍用接收機(jī)的水平,。盡管如此，商用接收機(jī)的設(shè)計(jì)已經(jīng)從三級(jí)或更多級(jí)的變頻架構(gòu)簡(jiǎn)化到一次變頻架構(gòu),。減少頻率變換級(jí)意味著ADC輸入將是較高中頻的信號(hào),，需要ADC和緩沖放大器具有更寬的頻帶。對(duì)ADC分辨率的要求取決于具體的接收機(jī),，對(duì)于一些軍用設(shè)備,，例如有源接收機(jī)，10位分辨率即可滿足要求,。對(duì)于當(dāng)前和正在興起的商用通信接收機(jī),，比如3G、4G蜂窩系統(tǒng),，為了降低經(jīng)過復(fù)雜的相位和幅度調(diào)制的波形的量化誤差,，需要ADC具有更高的分辨率。對(duì)于多載波接收機(jī),，通常需要14位甚至更高的分辨率,，同時(shí)也要足夠的帶寬來處理整個(gè)中頻頻帶的信號(hào),。
如果一個(gè)接收機(jī)架構(gòu)已具備高速、高分辨率ADC,，那么關(guān)系到靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍的其它關(guān)鍵參數(shù)是什么呢？ADC常用SFDR作為其關(guān)鍵指標(biāo),，SFDR定義為輸入信號(hào)的基波幅度與指定頻譜內(nèi)最大失真分量均方根的比,。如輸入電壓幅度超出了所允許的最大值，采樣輸出波形將出現(xiàn)削波和失真,。當(dāng)輸入信號(hào)低于推薦的最小輸入值時(shí),，則不能有效利用ADC的分辨率，一個(gè)14位的ADC可能僅僅表現(xiàn)出了10位或12位器件的性能,。
對(duì)于一個(gè)既定ADC,，正弦波的最大輸入電壓(Vmax)可以由下式計(jì)算：
2Vmax = 2bQ 或 Vmax= 2b-1 Q
其中，b是ADC的分辨率,，Q是每位量化電平的電壓,。
對(duì)應(yīng)于最大電壓的正弦波功率是：
Pmax = V2max/2 = [22(b-1)Q2]/2 = 22bQ2/8
最小電壓是對(duì)應(yīng)1 LSB的幅度，可以由下式計(jì)算：
2Vmin=Q
對(duì)應(yīng)功率為：
Pmin= V2min/2= Q2/8
動(dòng)態(tài)范圍(DR)可以簡(jiǎn)單地由下式計(jì)算：
DR = Pmax/Pmin= 22b
或采用對(duì)數(shù)形式表示：
DR = 20log(Pmax/Pmin) = 20blog(2) = 6b(dB)
或者每位6dB,。
要得到一個(gè)ADC的SFDR,，可以測(cè)量ADC的滿量程正弦信號(hào)，利用一個(gè)高精度DAC和頻譜分析儀測(cè)試ADC的輸出,，并且比較輸出信號(hào)的最大基波成分與最大失真信號(hào)的電平,。需要注意DAC的動(dòng)態(tài)范圍一定要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ADC的動(dòng)態(tài)范圍，否則DAC的動(dòng)態(tài)范圍會(huì)制約ADC SFDR指標(biāo)的測(cè)試,。目前,，高速ADC的SFDR指標(biāo)可以達(dá)到80到90dBc，通過給ADC輸入一個(gè)單音或雙音信號(hào)可以測(cè)得該項(xiàng)指標(biāo),。對(duì)于雙音信號(hào)的性能分析,，雙音信號(hào)可以在共同中頻中心頻率兩側(cè)選擇，頻率間隔1MHz,，比如對(duì)于140MHz的中頻,，雙音頻點(diǎn)選擇為139.5MHz和140.5MHz。
包括ADC在內(nèi)的接收靈敏度是噪聲的函數(shù),，而噪聲電平本身又是帶寬的函數(shù),。降低噪聲可以提高接收機(jī)的靈敏度。而有些噪聲是不可避免的,，如熱噪聲,。ADC的背景噪聲由熱噪聲和量化噪聲決定，這些噪聲限制了ADC的靈敏度,。量化噪聲本質(zhì)上講是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的LSB的不確定性,。一般來說,，ADC的背景噪聲就是所允許的最低輸入信號(hào)。作為接收機(jī),，不僅僅通過SFDR來表現(xiàn)ADC的特性,，滿量程噪聲比和信噪比(SNR)也很重要，ADC的最大SNR是其分辨率的函數(shù):
SNR = (1.76 + 6.02b) dB
實(shí)際上,，它是滿量程模擬輸入的均方根與量化噪聲均方值的比,。將ADC的采樣速率增加一倍，噪聲將分布到兩倍于前期帶寬的頻段內(nèi),，有效噪聲系數(shù)會(huì)降低3dB,。確定ADC的SNR的最好方法是用一個(gè)精確的接收機(jī)和經(jīng)過校準(zhǔn)的噪聲源進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量須考慮時(shí)鐘抖動(dòng)和其它噪聲源,，從而獲得實(shí)際的SNR值,。
總諧波失真(THD)是在信號(hào)傅立葉頻譜上的所有諧波的均方根之和，前三項(xiàng)諧波集中了絕大部分的信號(hào)能量,，對(duì)于通信系統(tǒng)來說,，THD通常比靜態(tài)下的直流線性度更重要。大多數(shù)廠商給出的器件參數(shù)中包含了前4次,，甚至前9次諧波的數(shù)據(jù),。
MAX12599是一款Maxim推出的新型ADC，它在單一芯片上集成了2路14位ADC,，每路ADC的采樣速率可以達(dá)到96Msps,，可以采集中頻和基帶信號(hào)。這款雙通道ADC具有內(nèi)部采樣/保持放大器和差分輸入,，對(duì)于175MHz的輸入,，它可以獲得79.8dBc的SFDR、71.9dB的典型信噪比和70.9dB的信噪失真比(SINAD)(圖1),，總諧波失真為-77.9dBc,。這款A(yù)DC工作在3.3V，僅消耗980mW的模擬電源功耗,。
