目錄

1. 術(shù)語(yǔ)

2. 概述

3. 構(gòu)架演變

3.1 正交混頻架構(gòu)

3.2 外差采樣架構(gòu)

3.3?RF采樣架構(gòu)

4. 直接RF采樣

5. 前端電路結(jié)構(gòu)

6.?巴倫

7. 模型及計(jì)算

8 典型電路

9. 前端網(wǎng)絡(luò)的衰減

10. 主要廠家?

11. PCB設(shè)計(jì)

1. 術(shù)語(yǔ)

????????XFMR：變壓器

????????Balun：平衡不平衡轉(zhuǎn)換器

2. 概述

????????轉(zhuǎn)換器技術(shù)每年都在發(fā)展。 主要半導(dǎo)體公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的采樣速率比十年前的產(chǎn)品快了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 例如，2005年，世界上速度最快的12位分辨率ADC采樣速率為250 MS/s；而到了2018年，12位ADC的采樣率已經(jīng)達(dá)到6.4 GS/s。 由于這些性能的提高，轉(zhuǎn)換器可以直接數(shù)字化RF頻率的信號(hào)，并為現(xiàn)代通信和雷達(dá)系統(tǒng)提供足夠的動(dòng)態(tài)范圍。

3. 構(gòu)架演變

????????圖1~圖3給出了隨著時(shí)代的發(fā)展，芯片制造水平的進(jìn)度，信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主要的三種架構(gòu)。

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圖 1 典型正交混頻架構(gòu)（Typical complex mixer architecture）

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圖 2 典型外差結(jié)構(gòu)（Typical heterodyne architecture）
?

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圖 3 典型射頻采樣架構(gòu)（Typical RF sampling architecture）

3.1 正交混頻架構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：

• 使用兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，每個(gè)轉(zhuǎn)換器的采樣率為標(biāo)準(zhǔn)實(shí)信號(hào)采樣率的一半；
• 很多設(shè)備可在較低頻率下工作，節(jié)省資源；
• 對(duì)于給定的采樣頻率Fs，可以得到更高帶寬的模擬信號(hào)；

缺點(diǎn)：

• 需要更多的器件完成功能；
• I、Q兩路信號(hào)的正交性很難保證
• 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。

3.2 外差采樣架構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：

• 可以有效降低采用率，對(duì)ADC要求較低；

缺點(diǎn)：

• 前端需要多級(jí)混頻、放大和濾波，體積大。

3.3?RF采樣架構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：

• 可簡(jiǎn)化前端電路設(shè)計(jì)，減小設(shè)備體積；

缺點(diǎn)：

• 需要更高的采樣率。

4. 直接RF采樣

????????在外差結(jié)構(gòu)中，接收器接收RF頻率的信號(hào)之后，將信號(hào)下變頻到較低的中頻（IF），并進(jìn)行數(shù)字化、濾波和解調(diào)。 圖4顯示的是外差接收器的原理框圖，可以看到，該儀器的RF前端包含了帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器和本地振蕩器（LO）。圖1.此外差接收器框圖顯示了一個(gè)帶有RF前端的儀器，該前端由帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器和本地振蕩器組成。而直接RF采樣接收器架構(gòu)僅由低噪聲放大器、適當(dāng)?shù)臑V波器和ADC組成，接收器不需要使用混頻器和LO；ADC直接數(shù)字化RF信號(hào)并將其發(fā)送到處理器?？梢允褂弥苯訑?shù)字轉(zhuǎn)換（DDC）來(lái)隔離目標(biāo)信號(hào)，而不需要使用混頻器。 此外，在大多數(shù)情況下，除了抗混疊或重建濾波器之外，可以使用數(shù)字濾波替換大部分模擬濾波。由于不需要模擬頻率轉(zhuǎn)換，直接RF采樣接收器的整體硬件設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單得多，從而允許更小的外形尺寸和更低的設(shè)計(jì)成本。

?圖 4 直接RF采樣的優(yōu)勢(shì)

5. 前端電路結(jié)構(gòu)

????????大多數(shù)應(yīng)用，采樣電路的前級(jí)電路（微波電路）已包含濾波器和增益放大器，因此，采集板卡ADC前端可不用添加這些功能電路。所以，設(shè)計(jì)前，應(yīng)該和相關(guān)人員溝通，避免重復(fù)或者遺漏。知道應(yīng)用寬帶和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器之后，下一步就是選擇前端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：放大器(有源)或變壓器(無(wú)源)。二者各自的利弊說(shuō)來(lái)話長(zhǎng)，同時(shí)取決于具體應(yīng)用。

????????放大器和變壓器根本區(qū)別是什么？

答：放大器是有源器件，而變壓器是無(wú)源器件。放大器和其它所有的有源器件一樣，消耗功率并且產(chǎn)生噪聲；變壓器不消耗功率并且產(chǎn)生的噪聲可以忽略不計(jì)。兩者都涉及到動(dòng)態(tài)效應(yīng)問題。

????????為什么選擇放大器

答：放大器的性能限制比變壓器少。如果必須保持直流（DC）電平，就必須使用放大器，因?yàn)樽儔浩魇枪逃械慕涣鳎ˋC）器件。另外，如果需要，變壓器可以提供電流隔離。放大器提供增益比較容易，因?yàn)榉糯笃鞯妮敵鲎杩箤?shí)質(zhì)上與增益無(wú)關(guān)。另一方面，變壓器的輸出阻抗與電壓增益呈平方關(guān)系增加——電壓增益取決于匝數(shù)比。放大器在通帶范圍內(nèi)提供平坦的響應(yīng)，而沒有由于變壓器寄生交互作用引起的紋波

????????在什么情況下需要使用變壓器

答：當(dāng)信號(hào)的頻率很高而且ADC的輸入端不允許很大的附加噪聲時(shí)，變壓器具有超越放大器的最大性能優(yōu)勢(shì)。

????????變壓器和放大器在增益方面有何不同

答：主要的區(qū)別在于ADC的輸入阻抗，它直接影響系統(tǒng)的帶寬。變壓器的輸入阻抗和輸出阻抗與匝數(shù)比的平方有關(guān)，而放大器的輸入阻抗和輸出阻抗與增益（G）根本無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)。

????????究竟選擇變壓器還是放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)ADC時(shí)，要考慮哪些因素

答：我們可以把這些因素歸結(jié)為6個(gè)參數(shù)，如下表所示：

6.?巴倫

????????巴倫?（英語(yǔ)為“balun”，由balanced（平衡）”的前三個(gè)字母“bal”與“unbalanced（不平衡）”的兩個(gè)字母“un”組合而成）。

?圖 5 巴倫變壓器

????????巴倫為一種三端口器件，或者說(shuō)是一種通過(guò)將匹配輸入轉(zhuǎn)換為差分輸出而實(shí)現(xiàn)平衡傳輸線電路與不平衡傳輸線電路之間的連接的寬帶射頻傳輸線變壓器。巴倫的功能在于使系統(tǒng)具有不同阻抗或與差分/單端兼容功能。

巴倫具有如下三項(xiàng)基本功能：?

1. 將電流或電壓從不平衡轉(zhuǎn)換至平衡；
2. 通過(guò)某些構(gòu)造進(jìn)行共模電流抑制；
3. 通過(guò)某些構(gòu)造進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換（阻抗比不等于1:1）。

????????巴倫分為多種類型，其中的某些用于阻抗轉(zhuǎn)換，還有某些用于連接具有不同阻抗的傳輸線。阻抗轉(zhuǎn)換巴倫可實(shí)現(xiàn)阻抗匹配、直流隔離以及將平衡端口與單端端口匹配。共模扼流圈因?yàn)榭上材Ｐ盘?hào)，因此在某種意義上說(shuō)也是一種巴倫。巴倫用于推挽放大器、寬帶天線、平衡混頻器、平衡倍頻器及調(diào)制器、移相器以及任何需要在兩條線路上傳輸幅度相等且相位相差180度的電路設(shè)計(jì)。

巴倫的兩個(gè)輸出幅度相等，相位相反：

• 在頻域中，這表示兩個(gè)輸出之間具有180°的相位偏移；
• 在時(shí)域中，這表示一個(gè)平衡輸出的電壓為另一平衡輸出的負(fù)值。

6.1 關(guān)鍵參數(shù)

????????就巴倫而言， 幅度不平衡和相位不平衡是最關(guān)鍵的性能特征。這些參數(shù)衡量各單端信號(hào)與理想值的偏差，幅度相等，相位相差180°。當(dāng)設(shè)計(jì)要求高中頻(1000 MHz以上)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)這兩項(xiàng)技術(shù)規(guī)格，了解向轉(zhuǎn)換器提供的信號(hào)線性度。一般而言，偏差越大，則性能下降幅度越大。起步時(shí)，一定要選擇那些將此信息公布在數(shù)據(jù)手冊(cè)中的變壓器或巴倫。如果數(shù)據(jù)手冊(cè)中不存在此信息，則很可能說(shuō)明它不適合高頻應(yīng)用。記住： 隨著頻率增加，巴倫的非線性也同時(shí)增長(zhǎng)，通常以相位不平衡為主，相位不平衡會(huì)轉(zhuǎn)化為高速轉(zhuǎn)換器的偶次失真(主要是二次諧波失真H2)。即使是3度的相位不平衡也會(huì)導(dǎo)致無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍或SFDR性能的大幅下降。如果離數(shù)據(jù)手冊(cè)預(yù)期雜散特性差得遠(yuǎn)，尤其是H2，不要急著責(zé)怪轉(zhuǎn)換器，應(yīng)先檢查前端設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵參數(shù)

• 相位不平衡性

????????變壓器用于信號(hào)隔離，并且將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)。當(dāng)在高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)前端電路中使用變壓器時(shí)常常忽略的一個(gè)問題是變壓器絕非理想器件。任何由變壓器引起的輸入失衡都會(huì)使輸入的正弦信號(hào)變成非理想的正弦信號(hào)波形傳送給ADC的輸入端二次諧波和偶次階失真就會(huì)增大。而造成模擬輸入相位不平衡的原因通常是設(shè)計(jì)過(guò)程中忽略了元件容差或PCB布局的對(duì)稱性要求。

????????當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣的兩個(gè)差分模擬輸入信號(hào)不是恰好180°反相時(shí)，就會(huì)發(fā)生相位不平衡現(xiàn)象。最簡(jiǎn)單的情形，可以認(rèn)為這兩個(gè)信號(hào)是兩個(gè)正弦波。當(dāng)這兩個(gè)正弦波離開“理想”相位時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生失真。失真隨著系統(tǒng)頻率升高而增大，偶次階失真性能下降得更快。

????????相位的不匹配會(huì)引起ADC不平衡。轉(zhuǎn)換器能夠承受一定程度的相位不匹配，但保持4°或更低的不匹配時(shí)，性能最佳。轉(zhuǎn)換器具有一定的內(nèi)部不平衡，設(shè)計(jì)師應(yīng)努力確保IC內(nèi)部精確平衡。

• 幅度不平衡性
• 帶寬
• 插入損耗
• 回波損耗

7. 模型及計(jì)算

二次諧波與幅度k1和k2的平方之差成正比，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)即

試驗(yàn)分析

結(jié)論：

HD2失真對(duì)信號(hào)鏈中的不平衡敏感；

HD3失真對(duì)信號(hào)鏈中的不平衡不太敏感。???????

8 典型電路

???????

?雙變壓器架構(gòu)-減小二次諧波失真HD2

?ADI通用前端網(wǎng)絡(luò)-提供寬帶匹配至巴倫輸出

?AD9680/9689/9208前端網(wǎng)絡(luò)

AD9681（125M采樣）的雙變壓器

?AD9643前端網(wǎng)絡(luò)-雙變壓器

?TI的前端網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單

9. ???????前端網(wǎng)絡(luò)的衰減

?Balun的插入損耗

1. 前端網(wǎng)絡(luò)
2. RL=25+Radc+25 = 50 +（50 || 420）=95Ω
3. Radc / RL ≈ 0.5 =-6dB

10. 主要廠家?

• Anaren?????? ——適合小型化，0805封裝
• Marki Microwave??? ——性能最好，價(jià)格最貴
• Mini-Circuits???????? ——價(jià)格便宜，性價(jià)比高
• Picosecond
• Hyperlabs

11. PCB設(shè)計(jì)

????????使用單巴倫或多巴倫拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，最后需要注意的一點(diǎn)是，布局對(duì)相位不平衡也起著重要作用。為在高頻下保持最佳性能，布局應(yīng)盡可能對(duì)稱。否則，走線輕微失配可能使采用巴倫的前端設(shè)計(jì)變得毫無(wú)用處(即動(dòng)態(tài)范圍受限)。

PCB設(shè)計(jì)應(yīng)參考并遵循開發(fā)板的設(shè)計(jì)。

文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-483710.html

到了這里，關(guān)于巴倫變壓器的選型和設(shè)計(jì)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！