圖 1：典型的信號路徑

        每當(dāng)我們設(shè)計(jì)高速的混合信號系統(tǒng)時(shí)，我們最好先審視信號路徑的每一環(huán)節(jié)，詳細(xì)評估各區(qū)塊的信號失真程度。本文主要介紹輸入或接收器路徑的設(shè)計(jì)。發(fā)送器或輸出路徑的設(shè)計(jì)將會(huì)留待以后再詳細(xì)介紹。典型的接收器或儀表測量系統(tǒng)由信號傳感器、模擬信號處理區(qū)塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口及數(shù)字處理區(qū)塊等多個(gè)不同環(huán)節(jié)組成 (參看圖 1)。但本文只集中討論輸入路徑設(shè)計(jì)的模擬及混合信號部分。我們必須小心挑選信號路徑的各個(gè)區(qū)塊，才可取得預(yù)期的成效。

        規(guī)范系統(tǒng)性能的技術(shù)規(guī)格

        若要系統(tǒng)能充分發(fā)揮其性能，系統(tǒng)便必須符合一定的技術(shù)規(guī)格，例如信號路徑所采用的主要元件必須符合有關(guān)要求，以便系統(tǒng)可以在性能、功耗、體積及是否容易使用等方面取得最理想的平衡。下文將會(huì)分析典型的雙信號路徑接收器設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié) (參看圖 2)。接收器的兩條信號路徑都以傳感器為起點(diǎn)，接收器可以接受頻率高達(dá) 27 MHz 的直流電信號，并可為單端 200W 負(fù)載提供輸出。傳感器信號振幅介于 2mVpp 與 1Vpp 之間，而且兩條通道都無可避免有高頻干擾。按照系統(tǒng)規(guī)格的規(guī)定，即使最微弱的信號也必須比系統(tǒng)噪音高 6dB 以上，才可進(jìn)行正常的信號處理，而且即使最強(qiáng)的信號其振幅峰值也不應(yīng)在信號路徑內(nèi)被削平。在任何正常的應(yīng)用情況下，這一電路設(shè)計(jì)的功耗都應(yīng)盡量減至最少。

        高效的測試及儀表測量解決方案示波器簡化電路圖

圖 2：設(shè)有兩條信號路徑的接收器系統(tǒng)

        選擇模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器

        系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師確定了系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格之后，便可著手挑選輸入信號路徑的核心元件 --  模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。高速模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)：即以位計(jì)的分辨度及采樣率。由于信號的振幅介于 2mVpp 與 1Vpp 之間或 54dB，加上即使最微弱的信號也必須比模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的噪音高 6dB 以上，因此模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信噪比 (SNR) 必須不可低于 60dB (54dB + 6dB)。理論上，10 位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信噪比可以高達(dá) 62dB，應(yīng)該符合規(guī)定要求。但實(shí)際上，10 位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的信噪比根本無法達(dá)到這個(gè)理論上的最高水平。此外，信號路徑上的其他元件也會(huì)為系統(tǒng)添加噪音。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師也希望能夠?qū)⒛M/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入信號加以抑制，確保振幅無法達(dá)到其峰峰值的范圍，因?yàn)檫@樣可以避免出現(xiàn)過驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)象。按照以上的分析，信噪比高達(dá) 68-70dB 的12 位轉(zhuǎn)換器應(yīng)該是明智的選擇。

        模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨度確定為 12 位之后，跟著便要確定取樣率。以頻率高達(dá) 27 MHz 的直流電輸入信號為例來說，取樣率必須不可低于 54 MSPS，因?yàn)橹挥羞@樣，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器才可將整個(gè)頻率范圍內(nèi)的信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，確保有關(guān)信號不會(huì)與其他頻率混淆或重疊，以致出現(xiàn)錯(cuò)誤解譯。許多有關(guān)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器及取樣率的課本及應(yīng)用技術(shù)資料匯編都有討論頻率重疊或混淆的問題。

        此外，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器還要符合另外兩個(gè)系統(tǒng)規(guī)定。由于這里討論的是雙通道的接收器系統(tǒng)，因此選用雙路模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器較為理想，而且功耗最好能夠減至最少。以下是最適用的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的技術(shù)規(guī)格：12 位的分辨度、54 MSPS 以上的取樣率、極低的功耗以及雙通道的格式。ADC12DL065 是其中一款符合這些標(biāo)準(zhǔn)的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片。這款 12 位的雙路模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以支持高達(dá) 65 MSPS 的取樣率，信噪比高達(dá) 69dB，而且功耗低至只有 360mW。

        ADC12DL065 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器還有其他的優(yōu)點(diǎn)，工程師設(shè)計(jì)信號路徑的其他環(huán)節(jié)時(shí)，應(yīng)該詳細(xì)考慮這些重要的技術(shù)參數(shù)。這里首先要介紹的是這款模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入信號的特性。這款芯片的整個(gè)差分信號輸入范圍是 2 Vpp，共模輸入電壓是 1.5 伏 (V)，而輸入電容是 8pF (參看圖 3)。此外，ADC12DL065 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的交流電特性也絕不遜色，不但信噪比極高，而且以 30MHz 的輸入信號來說，無雜散信號動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 可達(dá) 85dB，確保模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的假信號遠(yuǎn)比要接收的信號小。雙路模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的另一優(yōu)點(diǎn)是芯片內(nèi)