圖 1：典型的信號(hào)路徑
每當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)高速的混合信號(hào)系統(tǒng)時(shí)，我們最好先審視信號(hào)路徑的每一環(huán)節(jié)，詳細(xì)評(píng)估各區(qū)塊的信號(hào)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(cè)量系統(tǒng)由信號(hào)傳感器、模擬信號(hào)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(hào)部分。我們必須小心挑選信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)，并可為單端 200W 負(fù)載提供輸出。傳感器信號(hào)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(hào)也必須比系統(tǒng)噪音高 6dB 以上，才可進(jìn)行正常的信號(hào)處理，而且即使最強(qiáng)的信號(hào)其振幅峰值也不應(yīng)在信號(hào)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(cè)試及儀表測(cè)量解決方案示波器簡(jiǎn)化電路圖
圖 2：設(shè)有兩條信號(hào)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(hào)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(hào)的振幅介于 2mVpp 與 1Vpp 之間或 54dB，加上即使最微弱的信號(hào)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(hào)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)⒛M/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，確保有關(guān)信號(hào)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(hào)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(hào)的特性。這款芯片的整個(gè)差分信號(hào)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(hào)來說，無雜散信號(hào)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(hào)遠(yuǎn)比要接收的信號(hào)小。雙路模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的另一優(yōu)點(diǎn)是芯片內(nèi)的兩條通道可以產(chǎn)生互動(dòng)作用。換言之，ADC12DL065 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的兩條輸入通道可以互相抑制來自對(duì)方的信號(hào)干擾，而且兩者之間的信號(hào)抑制率高達(dá) 90dB，因此兩條通道的信號(hào)不會(huì)互相干擾。
圖 3：輸入“A”信號(hào)路徑接收器系統(tǒng)
模擬信號(hào)調(diào)節(jié)區(qū)塊
跟著我們便要為接收器系統(tǒng)設(shè)計(jì)模擬信號(hào)調(diào)節(jié)區(qū)塊，以便為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器提供支持，確保轉(zhuǎn)換器可以充分發(fā)揮其性能。這是重要的區(qū)塊，負(fù)責(zé)執(zhí)行多個(gè)不同的功能，其中包括濾波功能 (消除不受歡迎的高頻信號(hào))、傳感器輸出的阻抗匹配功能、信號(hào)轉(zhuǎn)換功能 (將傳感器的單端信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的差分信號(hào))、信號(hào)放大功能 (將信號(hào)電平提高至達(dá)到模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍) 以及電平轉(zhuǎn)移功能 (確保模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的共模輸入電平能夠相匹配)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)小心挑選這一區(qū)塊的元件，以便盡量將元件數(shù)目減至最少。 
通信系統(tǒng)信號(hào)路徑無線基站發(fā)送器
由于系統(tǒng)內(nèi)有部分高頻信號(hào)會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成干擾而必須加以消除，而且進(jìn)入模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的噪音也必須在帶寬上加以限制，因此這個(gè)電路設(shè)計(jì)必須采用設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的無源、單極性、低通濾波器，并將之置于放大器與模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器之間。基于以下兩個(gè)理由，我們?yōu)?nbsp;32 MHz 的信號(hào)選用 3dB 的帶寬：
· 盡量確保頻率較高的輸入信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)衰減
· 盡量確保頻率超出取樣率一半的噪音及不受歡迎信號(hào)不會(huì)與接收的頻率混淆或重疊一起
圖 4 所示的濾波器可以消除或減少信號(hào)混淆，因此一般都稱之為抑制混淆信號(hào)濾波器 (參看圖 4)。若有需要，例如不受歡迎交流電信號(hào)的振幅較大而頻率較高，我們可能需要采用斜度較高的多極性濾波器，但以這個(gè)接收器系統(tǒng)來說，單極性的濾波器已十分足夠。這是一款設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的阻容 (R-C) 濾波器，在電路圖中置于放大器之后，而阻容濾波器的參數(shù)可以留待放大器區(qū)塊的設(shè)計(jì)完成之后再加以確定。
