通信接收器與頻譜分析儀內(nèi)部信號鏈路的架構(gòu)之間存在著相似性。利用功能強(qiáng)大的數(shù)字信號處理器 （DSP），先進(jìn)的數(shù)字接收器可在數(shù)字域中 （而不象過去的產(chǎn)品那樣在模擬域中） 進(jìn)行同相和正交 （I-Q） 信息的解調(diào)。雖然通信接收器連續(xù)執(zhí)行載頻和符號時鐘恢復(fù)，但頻譜分析儀則以“字組” 的形式來捕獲該信息，并以時點(diǎn)的方式進(jìn)行存儲，以實(shí)施進(jìn)一步的處理和圖形顯示 （見圖1）。所以，在數(shù)字域中，通信接收器和頻譜分析儀之間存在著顯著的差異。而在模擬域中則存在著較多的相似性。因此，面向通信市場的高性能組件的開發(fā)成果令頻譜分析儀從中獲益。不過。由于頻譜分析儀是一種測量接收器，故而其性能要求高于大多數(shù)通信系統(tǒng)。

最近，人們開發(fā)了用于高靈敏度通信接收器的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）。凌力爾特公司推出的LTC2208便是一例，該器件可在130Msps的采樣速率條件下提供16位分辨率。在高中頻 （IF） 范圍內(nèi)，這具有適合頻譜分析儀的足夠線性度和動態(tài)范圍。這樣的一款器件可用于在進(jìn)行數(shù)字處理之前完成模擬IF至數(shù)字IF的轉(zhuǎn)換。然而，如果想利用IF數(shù)字化的可用性能，就需要對RF和混合信號學(xué)科的專門知識有一定程度的了解和掌握。特別要指出的是，少數(shù)關(guān)鍵設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)π阅芫哂兄卮蟮挠绊懀?/p>

·驅(qū)動CMOS采樣及保持輸入

·電源旁路電容器的緊密耦合

·高頻布局方法

對于這種高性能ADC而言，另一個問題是美國政府頒布的出口許可要求。下面討論的簡化IF數(shù)字轉(zhuǎn)換器同時解決了技術(shù)和商業(yè)方面的問題。

驅(qū)動CMOS采樣及保持輸入

在許多ADC中都采用了一個CMOS采樣及保持 （S/H） 前端，旨在實(shí)現(xiàn)比采用一個雙極S/H前端時更低的功耗。由于轉(zhuǎn)換電流受限的原因，雙極S/H將導(dǎo)致動態(tài)范圍隨著輸入頻率的提高而較快地減小。為了獲得相當(dāng)?shù)男阅埽p極S/H將需要消耗較多的功率。有限輸入電阻和偏置電流會造成驅(qū)動電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜化。此外，雙極S/H的下降速度比CMOS S/H快，因而限制了低采樣速率操作。盡管擁有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但CMOS S/H通常需要低于雙極S/H的驅(qū)動阻抗。在采樣速率 FS 條件下，在輸入端上將有可能發(fā)生采樣干擾。不穩(wěn)定的輸入會在ADC中引起非線性和增益誤差。而對非線性和低驅(qū)動阻抗進(jìn)行補(bǔ)償需要采用一個復(fù)雜的驅(qū)動電路。

針對該設(shè)計(jì)問題的傳統(tǒng)解決方案很耗時，而且往往需要不停地與供應(yīng)商的應(yīng)用支持工程師進(jìn)行對話。然而，系統(tǒng)級封裝 （SiP） 技術(shù)的應(yīng)用造就了一種簡化的IF數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

SiP技術(shù)通常在消費(fèi)類應(yīng)用中使用，例如：USB記憶棒和無線頭戴式耳機(jī)中的RF模塊。最近，它被成功地應(yīng)用于DC/DC轉(zhuǎn)換器，旨在幫助設(shè)計(jì)師攻克眾多電源應(yīng)用的設(shè)計(jì)難題。目前，凌力爾特公司將該技術(shù)運(yùn)用在高速16位接收器上。該公司將多年的應(yīng)用專長與其業(yè)界領(lǐng)先的高速ADC和最新的放大器結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)具節(jié)省空間之外形尺寸和極高性能的解決方案。LTM9001便是一款頻譜分析儀應(yīng)用的SiP接收器產(chǎn)品實(shí)例。

電源旁路電容器的緊密耦合

另一項(xiàng)直接影響高速ADC性能的任務(wù)是電源旁路電容器的布局。傳統(tǒng)ADC電路板布局的一個常見問題是噪聲過大，這是由從旁路電容器至ADC的長印制線所造成的。上佳的慣例是把電容器布設(shè)在盡可能靠近器件電源引腳的地方。在分立型設(shè)計(jì)中，采用導(dǎo)線壓焊法將芯片焊接至IC封裝的引線框架。這樣，在最好的情況下，旁路電容器的距離將稍遠(yuǎn)一點(diǎn)。傳統(tǒng)的封裝尺寸是由其邊界上的引腳數(shù)目規(guī)定的，也有可能是以充分耗散器件的功率為目的而選擇。因此，鍵合導(dǎo)線的長度比 μModuleTM 接收器中的鍵合導(dǎo)線長得多，前者達(dá)到了3.5mm （圖2中的左圖），而后者則僅為0.8mm （圖2中的右圖）。所以，與采用傳統(tǒng)封裝時相比，LTM9001中的內(nèi)部旁路電容器與芯片的距離可以近得多。

高頻布局方法

如欲獲得16位、高速ADC的完整性能，則必需進(jìn)行謹(jǐn)慎的布局和上佳的電路設(shè)計(jì)。印刷電路板 （PCB） 布局對性能具有重大的影響，即使電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組件參數(shù)值都正確，也不能忽視該問題。一個常見的錯誤是認(rèn)為：如果IF為162MHz，則不需要采用高頻布局方法。但是，對于諸如LTM9001中的高性能ADC而言，采樣及保持帶寬超過了700MHz。高頻噪聲會被采樣及保持電路所撿拾，從而導(dǎo)致SNR下降。這是一個需要大量經(jīng)驗(yàn)的領(lǐng)域。

LTM9001的襯墊設(shè)計(jì)融入了許多只能從多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)中獲得的思想。此外，還把眾多謹(jǐn)慎的布局、正確的電路設(shè)計(jì)和高性能組件作為一個單元進(jìn)行了全面的特性分析和測試。結(jié)果形成了一個所需外部組件非常之少的子系統(tǒng)，見圖3。采用無源濾波和旁路電容器傳統(tǒng)封裝器件的占板面積約為22mm x 13mm，而采用SiP時的占板面積則僅為11.25mm x 11.25mm。

IF數(shù)字轉(zhuǎn)換器分塊

圖4中示出的LTM9001 μModule 接收器子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個16位、130Msps ADC與一個固定增益放大器、抗混疊濾波器和旁路電容的集成，所需占用的面積不到采用傳統(tǒng)封裝時的一半。μModule接收器由安裝在一個高性能、四層襯墊上的引線鍵合芯片、封裝組件和無源組件所組成。LTM9001-AA被配置為具有20dB增益、一個200Ω的輸入阻抗和一個 ±250mV 的輸入范圍。該匹配網(wǎng)絡(luò)專為在這些條件下優(yōu)化放大器輸出與ADC輸入之間的接口而設(shè)計(jì)。此外，還有一個專為162.5MHz、±25MHz （第三奈奎斯特區(qū)的中心） 而設(shè)計(jì)的兩極點(diǎn)帶通濾波器。LTM9001準(zhǔn)備放置在位于最終降頻轉(zhuǎn)換混頻器級之后的高階、高選擇性濾波器的后面。

出口限制

美國政府對高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的出口限制制約了在中國的通信、測試和儀表設(shè)備制造商。為了面對這些限制規(guī)定，ADC供應(yīng)商推出了具集成數(shù)字降頻轉(zhuǎn)換器 （DDC）、分辨率為11位和14位的ADC，但是，這些器件通常并不適合于頻譜分析儀。然而，LTM9001則被美國政府歸類為“接收器子系統(tǒng)” （出口控制分類編號：ECCN 5A991），因此無需申請出口許可證。

結(jié)論

通過運(yùn)用SiP技術(shù)以及來自通信行業(yè)的最新組件，一款簡化的IF數(shù)字轉(zhuǎn)換器解決了頻譜分析儀接收器設(shè)計(jì)的某些關(guān)鍵難題。采用CMOS采樣及保持前端的ADC提供了遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雙極前端的功耗和更加優(yōu)越的高頻性能，但是其驅(qū)動方案則較為復(fù)雜。通過在μModule接收器中集成驅(qū)動器和抗混疊濾波器，該難題得以解決。通過采用內(nèi)置緊密耦合旁路電容器的裸芯片，消除了另一個潛在的噪聲源。再加上一種優(yōu)化的高頻布局，這些因素增加了贏得一次性成功的概率，并提供了始終如一的高性能。出口分類使得該接收器子系統(tǒng)能夠不受限制地輸入中國。