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信号路径设计 每当我们设计高速的混合信号系统时，我们最好先审视信号路径的每一环节，详细评估各区块的信号失真程度。本文主要介绍输入或接收器路径的设计。发送器或 输出路径的设计将会留待以后再详细介绍。典型的接收器或仪表测量系统由信号传感器、模拟信号处理区块、数据转换器、接口及数字处理区块等多个不同环节组成 (参看图 1)。但本文只集中讨论输入路径设计的模拟及混合信号部分。我们必须小心挑选信号路径的各个区块，才可取得预期的成效。　 　图 1 典型的信号路径　　规范系统性能的技术规格 　 　若要系统能充分发挥其性能，系统便必须符合一定的技术规格，例如信号路径所采用的主要元件必须符合有关要求，以便系统可以在性能、功耗、体积及是否容易 使用等方面取得最理想的平衡。下文将会分析典型的双信号路径接收器设计的每一个环节 (参看图 2)。接收器的两条信号路径都以传感器为起点，接收器可以接受频率高达 27 MHz 的直流电信号，并可为单端 200( 负载提供输出。传感器信号振幅介于 2mVpp 与 1Vpp 之间，而且两条通道都无可避免有高频干扰。按照系统规格的规定，即使最微弱的信号也必须比系统噪音高 6dB 以上，才可进行正常的信号处理，而且即使最强的信号其振幅峰值也不应在信号路径内被削平。在任何正常的应用情况下，这一电路设计的功耗都应尽量减至最少。 　　图2　设有两条信号路径的接收器系统 选择模拟/数字转换器 　　系统设计工程师确定了系统的技术规格之后，便可着手挑选输入信号路径的核心元件—模/数转换器。高速模/数 转换器有两个重要的技术参数：即以位计的分辨度及采样率。由于信号的振幅介于 2mVpp 与 1Vpp 之间或 54dB，加上即使最微弱的信号也必须比模/数转换器的噪音高 6dB 以上，因此模/数转换器的信噪比 (SNR) 必须不可低于 60dB (54dB + 6dB)。理论上，10 位模/数转换器的信噪比可以高达 62dB，应该符合规定要求。但实际上，10 位模/数转换器的信噪比根本无法达到这个理论上的最高水平。此外，信号路径上的其他元件也会为系统添加噪音。系统设计工程师也希望能够将模/数转换器的输 入信号加以抑制，确保振幅无法达到其峰峰值的范围，因为这样可以避免出现过驱动的现象。按照以上的分析，信噪比高达 68-70dB 的12 位转换器应该是明智的选择。 　　模/数转换器的分辨度确定为 12 位之后，跟着便要确定取样率。以频率高达 27 MHz 的直流电输入信号为例来说，取样率必须不可低于 54 MSPS，因为只有这样，模/数转换器才可将整个频率范围内的信号转为数字信号，确保有关信号不会与其他频率混淆或重叠，以致出现错误解译。许多有关模 /数转换器及取样率的课本及应用技术资料都有讨论频率重叠或混淆的问题。 　　此外，模/数转换器还要符合另外两个系统规定。由于这里讨论的 是双通道的接收器系统，因此选用双路模/数转换器较为理想，而且功耗最好能够减至最少。以下是最适用的模/数转换器的技术规格：12 位的分辨度、54 MSPS 以上的取样率、极低的功耗以及双通道的格式。ADC12DL065 是其中一款符合这些标准的模/数转换器芯片。这款 12 位的双路模/数转换器可以支持高达 65 MSPS 的取样率，信噪比高达 69dB，而且功耗低至只有 360mW。 ADC12DL065模/数转换器还有其他的优点，工程师设计信号路径的其他环节时，应该详细考虑这些 重要的技术参数。这里首先要介绍的是这款模/数转换器的输入信号的特性。这款芯片的整个差分信号输入范围是 2 Vpp，共模输入电压是 1.5 伏 (V)，而输入电容是 8pF (参看图 3)。此外，ADC12DL065 模/数转换器的交流电特性也绝不逊色，不但信噪比极高，而且以 30MHz 的输入信号来说，无杂散信号动态范围 (SFDR) 可达 85dB，确保模/数转换器所产生的假信号远比要接收的信号小。双路模/数转换器的另一优点是芯片内的两条通道可以产生互动作用。换言 之，ADC12DL065 模/数转换器的两条输入通道可以互相抑制来自对方的信号干扰，而且两者之间的信号抑制率高达 90dB，因此两条通道的信号不会互相干扰。 　　图3　输入“A”信号路径接收器系统 　　模拟信号调节区块 　 　跟着我们便要为接收器系统设计模拟信号调节区块，以便为模/数转换器提供支持，确保转换器可以充分发挥其性能。这是重要的区块，负责执行多个不同的功 能，其中包括滤波功能 (消除不受欢迎的高频信号)、传感器输出的阻抗匹配功能、信号转换功能 (将传感器的单端信号转为模/数转换器的差分信号)、信号放大功能 (将信号电平提高至达到模拟/数字转换器的输入电压范围) 以及电平转移功能 (确保模/数转换器的共模输入电平能够相匹