要針對高速類比數位轉換器（ADC）設計輸入介面，是一項富有挑戰性的工作，特別是在高頻下（> 100 MHz IF）。參考技術手冊或是應用筆記的設計是個不錯的起始點，但是這種方法會因為新設計的目標會因文件化的設計背離而受到限制。無論是在設計放大器耦合或是變壓器耦合的介面，你都必須在許多取捨中做一平衡，以便將看似簡單不複雜的電路予以最佳化。針對這項討論，我們將會以具有10 MSPS或是更高取樣速率的高速管線ADC的介面來做為考量。
前端設計的目標
設計廠商會依據取樣速率、全功率頻寬、失真度、功率消耗、數位輸出拓墣、通道數量、以及對於應用裝置有用的輔助特點來選用高速轉換器。輸入介面電路中有七項其它的參數特性：輸入阻抗、電壓駐波比（VSWR）、帶通平坦度、信號雜訊比（SNR）、無寄生動態範圍（SFDR）、以及輸入驅動位準。瞭解這些評量準則將可以讓你在做出最佳的取捨時有所指引。
輸入阻抗乃是輸入介面呈現在其信號源上的特性負載。在大部份的設計當中，其值為50歐姆。以變壓器為基礎的介面，其輸入阻抗為來自於一次側包含轉換器在內整個變壓器耦合網路的函數。針對主動式的緩衝介面，輸入阻抗也就是緩衝放大器輸入電路的阻抗。在放大器輸出與轉換器輸入之間的阻抗匹配是一項獨立的考量，然而其重要性並不因此而有所降低。適當的阻抗匹配，其重要性會隨著信號頻率提高。
電壓駐波比（VSWR）是一項無單位的參數，用以表現從所需頻寬中之負載反射回來的信號功率量。這項參數會影響輸入驅動位準，因為高VSWR （> 1.5）需要更多的增益或是驅動能力，這樣才能夠達成轉換器的全幅輸入。VSWR的重要性會隨著信號的頻寬而升高。
帶通平坦度乃是在特定頻寬上的振幅波動量。此參數在設計中要以dB設定。
頻寬就只是系統所處理信號頻率的範圍。頻寬可以只是基頻（DC ≤ fsignal ≤ fsample /2），或是涵蓋多重的轉換器耐奎斯特區域（Nyquist zone）。
信號對雜訊比（SNR）是依據系統總體雜訊位準的部份而定。一般來說，過度的前端頻寬會使SNR降級。介於變壓器或是放大器與轉換器之間的抗鋸齒濾波器（AAF）有助於使SNR最大化。
無寄生動態範圍（SFDR）需求來自於系統的動態範圍。通常二次與三次諧波失真會形成SFDR的限制。
輸入驅動位準結合前端性能能夠決定應用裝置所需要的系統增益。
因為要滿足如此多的需求，所以這些參數很自然的就會將整體設計帶往不同的方向。這樣就很難做具體的取捨。有一種可以利用雷達圖的方法（圖1）：在這種類型的圖表當中，每個參數都有其自身的軸線。
圖1 : 雷達圖的範例
第一步
在新設計當中要設定的第一項參數就是頻寬。此項動作有助於決定輸入介面的拓墣以及確認候選的轉換器。其中有三種類型的前端可供挑選：基頻、帶通或是超級耐奎斯特、以及寬頻（圖2）。放大器會促進DC的耦合。AC耦合的基頻介面可以選擇使用放大器或是變壓器。大部分的帶通設計會使用變壓器，但是假如SFDR性能合乎需求的話則可以使用放大器。寬頻的應用對於前端設計而言是最具挑戰性的，因為它們需要三種類型當中最大的頻寬。這些應用方式的執行可以從DC或是極低的MHz一直到1 GHz以上，而且通常會使用以變壓器為基礎的介面。
圖2：基頻 vs. 帶通 vs.寬頻頻譜
一但該設計的頻寬設定好之後，下一步就是選擇轉換器的類型：緩衝型或是非緩衝型。針對本文所討論的部份，我們將會考慮管線轉換器，因為它們具有高取樣速率、適當的解析度、以及合理的功率消耗。
圖3：非緩衝型 vs. 緩衝型ADC
非緩衝型ADC所消耗的功率比緩衝型轉換器少，但是需要將外部的前端直接連結至其內部的交換式電容器取樣保持（SAH）電路上。這將會出現兩個問題。第一，輸入阻抗會隨頻率與模式而改變，因為它會在取樣與保持之間切換。第二，從取樣保持電路注入電荷脈衝的轉換器會切換回前端介面的輸出，這可能會使連結至轉換器類比輸入電路部份發生穩定誤差（settling errors）。
非緩衝型轉換器的差動輸入阻抗在較低頻率下（< 100 MHz）會較高，並且在高於200 MHz時會轉降至大約200歐姆。輸入阻抗的電抗成份（reactive component）也會隨著頻率而改變。要設計一種介面電路能夠和轉換器中與頻率相關的輸入阻抗相匹配是一項挑戰。
緩衝型輸入的轉換器會比非緩衝型消耗更多的功率，這是因為高速緩衝的能源需求所致。生產廠商將緩衝型轉換器的輸入阻抗建立模型，使成為一個在輸入頻率範圍中具有微小變異的固定式差動RC網路。電晶體級為轉換器的切換節點提供了低阻抗源，降低切換暫態的影響。
介面拓墣
在主動與被動前端拓墣之間得做不少的取捨。放大器會對前端的設計增加雜訊與功率耗損。它們的優點包括有較小的輸入與輸出阻抗變異，以及相較於變壓器時，在增益與頻寬間重大的權衡取捨較少。
放大器的帶通平坦度也優於變壓器，一般為隨頻率範圍± 0.1 dB。相對的，變壓器的響應較為粗糙，而且當平坦度成為問題時偶而也需要調整。放大器也提供了優越的驅動能力，特別是在介面經由很長的印刷電路板走線連結至轉換器時。
假如你的應用裝置需要DC耦合信號，放大器比平衡/非平衡轉換器（baluns）更好。針對DC耦合介面考量的放大器包括有AD 8138以及ADA 4937。放大器也提供大約30至40 dB的反向隔離，藉以壓制來自於非緩衝型轉換器輸入的雜訊脈衝。在需要寬頻增益的設計當中，放大器在與ADC輸入匹配性上，比變壓器更好。對於在頻率超過150 MHz以上運作的設計而言，變壓器具有較佳的SNR以及SFDR。然而在第一或是第二耐奎斯特區域內，選用任一種都可以。
圖4：針對以變壓器為基礎之高速ADC介面的負載匹配模型
介面放大器
在挑選適用於高速轉換器輸入介面電路的放大器時，小心的檢查具有關鍵性的放大器參數。
頻寬：確保放大器具有適當的頻寬，能夠在取樣區間內穩定至轉換器解析度中。
輸出信號振幅：決定放大器能夠符合轉換器的全幅輸入範圍，同時符合你的應用對線性度的需求。一般來說，高速轉換器具有2 Vpp的差動輸入範圍。檢查轉換器的全幅輸入以及放大器的餘裕需求，使其符合既有的電源供應軌之內。
共模範圍：確保放大器的共模範圍滿足你的電路拓墣需求與運作條件。這點在驅動非緩衝型轉換器時特別重要。無法提供足夠的共模範圍將會導致SFDR降級。
雜訊以及失真度：為了要提供轉換器的技術手冊性能，放大器雜訊與失真度必須維持在轉換器所設定的基準以下。放大器的有效雜訊與失真度會隨著增益而提高，因此請管理你的信號處理電路，以便將介面的增益需求最小化。
輸入以及輸出阻抗：放大器在提供其技術手冊性能的同時，只能夠於其輸入或是輸出提供特定範圍的阻抗。
電壓供應範圍：確保你的放大器在你所選擇的供應電壓上具有適當的線性度。目前較新的放大器是鎖定較低而且單一的電源電壓。
介面變壓器
以變壓器進行設計並非都那麼簡單。舉例來說，變壓器的特性會隨著頻率而改變。某些變壓器也對接地、佈局、與中心接頭耦合十分的敏感。在挑選適用於高速轉換器輸入介面電路的變壓器時，小心的檢查具有關鍵性的變壓器參數。
信號增益：理想狀況下，變壓器的增益相當於其自身的匝數比（turns ratio）。當然，雖然變壓器與balun(平衡/非平衡轉換器)原本就是無雜訊的，但是在它們的頻寬之內，它們的電壓增益會加諸在源極雜訊以及源極信號上。變壓器屬於寬頻帶通元件，在頻寬與增益平坦度上需要較多的權衡以作為增益的函數。在使用1：4、1：8、以及1：16阻抗比的變壓器之前先檢查這些參數，以便改善雜訊係數，並且驗證其在實驗室內的性能。
插入損失：被動元件並非是完全無損失的。檢查變壓器的技術手冊，找出你所要使用頻寬中的插入損失。
回授損失：此參數會將變壓器與二次側終端電阻有效阻抗之間的不匹配表現出來，就如同在一次側中所見。舉例來說，當200歐姆終止於二次側時，一般認為應該會有50歐姆的阻抗反射回1：2變壓器一次側當中。然而，這個關係並非如此精確；一次側當中的反射阻抗會隨著頻率而改變，如以下的範例中所示：
首先，找出位於設計之中心頻率的回授損失，在此範例中為110 MHz下 -18.9 dB。其次，根據理想的Znom─此處為50歐姆之函數計算Zo：
接著，決定實際的二次側阻抗:
一般而言，回授損失的變異性會隨著阻抗比而增加。
振幅以及相位的不平衡：這些參數對於變壓器或是balun轉換器在將送入的信號轉換成差動對(振幅相同，而反相180度)時，能夠有多好的表現提供了指標。堅持採用那些有具體指明定這些適用於高頻應用參數的變壓器或是balun轉換器。隨著頻率的提高，變壓器的非線性度也會增加，這通常會受到相位不平衡的支配，而後會在信號到達轉換器之前轉變成較差的偶次諧波失真。隨著阻抗比的增加，在較低頻率下的此項參數也會變得更差。RAR：或許會想要將此比值參照為阻抗。因為所有其它變壓器/balun轉換器比值的實例都是被參照為阻抗比。關於高頻率相位與振幅的不平衡會對變壓器或是balun轉換器產生何種影響，若需要更多的相關資訊請參考「參考資料6」
參考資料
1. AN-827, A Resonant Approach to Interfacing Amplifiers to Switch-Capacitor ADCs
2. AN-742, Frequency Domain Response of Switched-Capacitor ADCs
3. AN-935, Designing an ADC Transformer-Coupled Front End
4. Webinar, Designing Transformer Coupled Front-Ends for High Performance A/D Converters
5. Transformer-Coupled Front-End for Wideband A/D Converters – Analog Dialogue, April 2005
6. Wideband A/D Converter Front-End Design Considerations – When to Use a Double Transformer Configuration– Analog Dialogue, July 2006
7. Wideband A/D Converter Front-End Design Considerations II - Amplifier- or Transformer Drive for the ADC? – Analog Dialogue, February 2007
8. Switched-Capacitor Converter Input Impedance, S-parameter data: Go to AD9204/12/15/19/22/26/28/31/33/35/36/37/44/45/46/48/51/52/58/59/68/87 webpage at www.analog.com
9. “Rules of the Road” for High-Speed Differential ADC Drivers, By John Ardizzoni and Jonathan Pearson, Analog Dialogue 43-05, May (2009)
10. Which ADC Architecture Is Right for Your Application?, By Walt Kester, Analog Dialogue 39-06, June (2005)
前端設計的目標
設計廠商會依據取樣速率、全功率頻寬、失真度、功率消耗、數位輸出拓墣、通道數量、以及對於應用裝置有用的輔助特點來選用高速轉換器。輸入介面電路中有七項其它的參數特性：輸入阻抗、電壓駐波比（VSWR）、帶通平坦度、信號雜訊比（SNR）、無寄生動態範圍（SFDR）、以及輸入驅動位準。瞭解這些評量準則將可以讓你在做出最佳的取捨時有所指引。
輸入阻抗乃是輸入介面呈現在其信號源上的特性負載。在大部份的設計當中，其值為50歐姆。以變壓器為基礎的介面，其輸入阻抗為來自於一次側包含轉換器在內整個變壓器耦合網路的函數。針對主動式的緩衝介面，輸入阻抗也就是緩衝放大器輸入電路的阻抗。在放大器輸出與轉換器輸入之間的阻抗匹配是一項獨立的考量，然而其重要性並不因此而有所降低。適當的阻抗匹配，其重要性會隨著信號頻率提高。
電壓駐波比（VSWR）是一項無單位的參數，用以表現從所需頻寬中之負載反射回來的信號功率量。這項參數會影響輸入驅動位準，因為高VSWR （> 1.5）需要更多的增益或是驅動能力，這樣才能夠達成轉換器的全幅輸入。VSWR的重要性會隨著信號的頻寬而升高。
帶通平坦度乃是在特定頻寬上的振幅波動量。此參數在設計中要以dB設定。
頻寬就只是系統所處理信號頻率的範圍。頻寬可以只是基頻（DC ≤ fsignal ≤ fsample /2），或是涵蓋多重的轉換器耐奎斯特區域（Nyquist zone）。
信號對雜訊比（SNR）是依據系統總體雜訊位準的部份而定。一般來說，過度的前端頻寬會使SNR降級。介於變壓器或是放大器與轉換器之間的抗鋸齒濾波器（AAF）有助於使SNR最大化。
無寄生動態範圍（SFDR）需求來自於系統的動態範圍。通常二次與三次諧波失真會形成SFDR的限制。
輸入驅動位準結合前端性能能夠決定應用裝置所需要的系統增益。
因為要滿足如此多的需求，所以這些參數很自然的就會將整體設計帶往不同的方向。這樣就很難做具體的取捨。有一種可以利用雷達圖的方法（圖1）：在這種類型的圖表當中，每個參數都有其自身的軸線。
圖1 : 雷達圖的範例
第一步
在新設計當中要設定的第一項參數就是頻寬。此項動作有助於決定輸入介面的拓墣以及確認候選的轉換器。其中有三種類型的前端可供挑選：基頻、帶通或是超級耐奎斯特、以及寬頻（圖2）。放大器會促進DC的耦合。AC耦合的基頻介面可以選擇使用放大器或是變壓器。大部分的帶通設計會使用變壓器，但是假如SFDR性能合乎需求的話則可以使用放大器。寬頻的應用對於前端設計而言是最具挑戰性的，因為它們需要三種類型當中最大的頻寬。這些應用方式的執行可以從DC或是極低的MHz一直到1 GHz以上，而且通常會使用以變壓器為基礎的介面。
圖2：基頻 vs. 帶通 vs.寬頻頻譜
一但該設計的頻寬設定好之後，下一步就是選擇轉換器的類型：緩衝型或是非緩衝型。針對本文所討論的部份，我們將會考慮管線轉換器，因為它們具有高取樣速率、適當的解析度、以及合理的功率消耗。
圖3：非緩衝型 vs. 緩衝型ADC
非緩衝型ADC所消耗的功率比緩衝型轉換器少，但是需要將外部的前端直接連結至其內部的交換式電容器取樣保持（SAH）電路上。這將會出現兩個問題。第一，輸入阻抗會隨頻率與模式而改變，因為它會在取樣與保持之間切換。第二，從取樣保持電路注入電荷脈衝的轉換器會切換回前端介面的輸出，這可能會使連結至轉換器類比輸入電路部份發生穩定誤差（settling errors）。
非緩衝型轉換器的差動輸入阻抗在較低頻率下（< 100 MHz）會較高，並且在高於200 MHz時會轉降至大約200歐姆。輸入阻抗的電抗成份（reactive component）也會隨著頻率而改變。要設計一種介面電路能夠和轉換器中與頻率相關的輸入阻抗相匹配是一項挑戰。
緩衝型輸入的轉換器會比非緩衝型消耗更多的功率，這是因為高速緩衝的能源需求所致。生產廠商將緩衝型轉換器的輸入阻抗建立模型，使成為一個在輸入頻率範圍中具有微小變異的固定式差動RC網路。電晶體級為轉換器的切換節點提供了低阻抗源，降低切換暫態的影響。
介面拓墣
在主動與被動前端拓墣之間得做不少的取捨。放大器會對前端的設計增加雜訊與功率耗損。它們的優點包括有較小的輸入與輸出阻抗變異，以及相較於變壓器時，在增益與頻寬間重大的權衡取捨較少。
放大器的帶通平坦度也優於變壓器，一般為隨頻率範圍± 0.1 dB。相對的，變壓器的響應較為粗糙，而且當平坦度成為問題時偶而也需要調整。放大器也提供了優越的驅動能力，特別是在介面經由很長的印刷電路板走線連結至轉換器時。
假如你的應用裝置需要DC耦合信號，放大器比平衡/非平衡轉換器（baluns）更好。針對DC耦合介面考量的放大器包括有AD 8138以及ADA 4937。放大器也提供大約30至40 dB的反向隔離，藉以壓制來自於非緩衝型轉換器輸入的雜訊脈衝。在需要寬頻增益的設計當中，放大器在與ADC輸入匹配性上，比變壓器更好。對於在頻率超過150 MHz以上運作的設計而言，變壓器具有較佳的SNR以及SFDR。然而在第一或是第二耐奎斯特區域內，選用任一種都可以。
圖4：針對以變壓器為基礎之高速ADC介面的負載匹配模型
介面放大器
在挑選適用於高速轉換器輸入介面電路的放大器時，小心的檢查具有關鍵性的放大器參數。
頻寬：確保放大器具有適當的頻寬，能夠在取樣區間內穩定至轉換器解析度中。
輸出信號振幅：決定放大器能夠符合轉換器的全幅輸入範圍，同時符合你的應用對線性度的需求。一般來說，高速轉換器具有2 Vpp的差動輸入範圍。檢查轉換器的全幅輸入以及放大器的餘裕需求，使其符合既有的電源供應軌之內。
共模範圍：確保放大器的共模範圍滿足你的電路拓墣需求與運作條件。這點在驅動非緩衝型轉換器時特別重要。無法提供足夠的共模範圍將會導致SFDR降級。
雜訊以及失真度：為了要提供轉換器的技術手冊性能，放大器雜訊與失真度必須維持在轉換器所設定的基準以下。放大器的有效雜訊與失真度會隨著增益而提高，因此請管理你的信號處理電路，以便將介面的增益需求最小化。
輸入以及輸出阻抗：放大器在提供其技術手冊性能的同時，只能夠於其輸入或是輸出提供特定範圍的阻抗。
電壓供應範圍：確保你的放大器在你所選擇的供應電壓上具有適當的線性度。目前較新的放大器是鎖定較低而且單一的電源電壓。
介面變壓器
以變壓器進行設計並非都那麼簡單。舉例來說，變壓器的特性會隨著頻率而改變。某些變壓器也對接地、佈局、與中心接頭耦合十分的敏感。在挑選適用於高速轉換器輸入介面電路的變壓器時，小心的檢查具有關鍵性的變壓器參數。
信號增益：理想狀況下，變壓器的增益相當於其自身的匝數比（turns ratio）。當然，雖然變壓器與balun(平衡/非平衡轉換器)原本就是無雜訊的，但是在它們的頻寬之內，它們的電壓增益會加諸在源極雜訊以及源極信號上。變壓器屬於寬頻帶通元件，在頻寬與增益平坦度上需要較多的權衡以作為增益的函數。在使用1：4、1：8、以及1：16阻抗比的變壓器之前先檢查這些參數，以便改善雜訊係數，並且驗證其在實驗室內的性能。
插入損失：被動元件並非是完全無損失的。檢查變壓器的技術手冊，找出你所要使用頻寬中的插入損失。
回授損失：此參數會將變壓器與二次側終端電阻有效阻抗之間的不匹配表現出來，就如同在一次側中所見。舉例來說，當200歐姆終止於二次側時，一般認為應該會有50歐姆的阻抗反射回1：2變壓器一次側當中。然而，這個關係並非如此精確；一次側當中的反射阻抗會隨著頻率而改變，如以下的範例中所示：
首先，找出位於設計之中心頻率的回授損失，在此範例中為110 MHz下 -18.9 dB。其次，根據理想的Znom─此處為50歐姆之函數計算Zo：
接著，決定實際的二次側阻抗:
一般而言，回授損失的變異性會隨著阻抗比而增加。
振幅以及相位的不平衡：這些參數對於變壓器或是balun轉換器在將送入的信號轉換成差動對(振幅相同，而反相180度)時，能夠有多好的表現提供了指標。堅持採用那些有具體指明定這些適用於高頻應用參數的變壓器或是balun轉換器。隨著頻率的提高，變壓器的非線性度也會增加，這通常會受到相位不平衡的支配，而後會在信號到達轉換器之前轉變成較差的偶次諧波失真。隨著阻抗比的增加，在較低頻率下的此項參數也會變得更差。RAR：或許會想要將此比值參照為阻抗。因為所有其它變壓器/balun轉換器比值的實例都是被參照為阻抗比。關於高頻率相位與振幅的不平衡會對變壓器或是balun轉換器產生何種影響，若需要更多的相關資訊請參考「參考資料6」
參考資料
1. AN-827, A Resonant Approach to Interfacing Amplifiers to Switch-Capacitor ADCs
2. AN-742, Frequency Domain Response of Switched-Capacitor ADCs
3. AN-935, Designing an ADC Transformer-Coupled Front End
4. Webinar, Designing Transformer Coupled Front-Ends for High Performance A/D Converters
5. Transformer-Coupled Front-End for Wideband A/D Converters – Analog Dialogue, April 2005
6. Wideband A/D Converter Front-End Design Considerations – When to Use a Double Transformer Configuration– Analog Dialogue, July 2006
7. Wideband A/D Converter Front-End Design Considerations II - Amplifier- or Transformer Drive for the ADC? – Analog Dialogue, February 2007
8. Switched-Capacitor Converter Input Impedance, S-parameter data: Go to AD9204/12/15/19/22/26/28/31/33/35/36/37/44/45/46/48/51/52/58/59/68/87 webpage at www.analog.com
9. “Rules of the Road” for High-Speed Differential ADC Drivers, By John Ardizzoni and Jonathan Pearson, Analog Dialogue 43-05, May (2009)
10. Which ADC Architecture Is Right for Your Application?, By Walt Kester, Analog Dialogue 39-06, June (2005)
