概述
今天，模数转换器(ADC)已很难满足在更大程度上满足现代通信系统所要求的动态范围。延展系统动态范围的方法之一，是在数控AGC环路内使用数字控制可变增益放大器(DVGA)和高速高分辨率的ADC。
采用高性能元件来进行系统设计已成为大趋向。不同的元件需要在不同的操作环境下才能发挥出最佳性能。放大器和数据转换器具有不同的输入和输出要求，而且通常都需要不同的电源。元件在电路上如何布局以及如何根据其它元件来对自身定位等都是很关键的问题。
这篇文章将会详细介绍数控可变增益放大器（DVGA）和高速子采样ADC在典型中频(IF)无线电基站中的应用。
将放大器的增益设定信息进行编程，然后与经数据转换器测量的电压值相结合，从而可以得出终值(增益 + 实测电压 = 实际电压)。由于可以将增益下调，所以通常用来固定ADC输入的信号亦可被衰减和量度。DVGA经由数字电路进行实时控制，增益可因根据进入信号的调制而改变。对于GSM EDGE/EGRPS等拥有远超均值的峰值调制机制而言，这个功能尤其重要。
要获得最佳动态范围内，最小预期信号也必须采用最大的增益设定，并且信号脉冲绝不能拑固ADC。因此，很重要的一步就是对AGC环路进行调谐，从而把信号大大减降低至ADC全标度以下。此外，最好还有一个AGC环路控制，它可在信号脉冲时迅速地调度增益。另外，旁边通道和障碍通道的干扰必需纳入动态范围的计算内，所需信号的结合电平以及任何干扰信号必须保持在产生ADC输入拑固的水平以下。
如图1所示，信噪比(SNR)和无寄生动态范围(SFDR)是在接近信号全标度的情况下得出。在图2中，放大器/ADC的设定是一样的，但信号幅值较低。假如信号波幅下降16dB，那么SNR下降12dB，同时SFDR提高5dB。这表示输入波幅的范围可以提供好的信号保真，而且自动增益控制(AGC) 可尽可能将输入信号维持在这个范围内。对多数ADC来说，优化操作的最佳范围为-6 dBFS ～ -18 dBFS。
要从DVGA获取最大的收益，必须在设计早期时考虑几个条件。正确的电源电压和电路板布局对于系统性能的表现有很大的影响。当设计系统电路板时，DVGA和ADC的位置必须尽量贴近，两者之间留下的空隙足够放置一个小噪声滤波器即可。
由于DVGA会在整个放大器的频宽上产生输出噪声，故在DVGA和ADC之间放置滤波器是不可或缺。ADC的前端应拥有京赫级以上的频宽。采用带通滤波器可大大改善系统的本底噪音。在选择滤波器方面，无需使用精密的类型，相反简单的滤波器可减少对AGC环路定时的调校。当然，产生自滤波器的过多时延是大家不想看见的，再者滤波器的损耗亦会直接影响系统的增益。这样，滤波器的频宽可以比信号的频宽大很多，同时仍可削减大部份的频带噪声。一个频带过窄的滤波器会因为带通平整度的影响以及过量的集体时延而将信号降格。
图3显示出相对大频宽滤波器的优点。这个放大器拥有2.0nV/rtHz的输入噪声、26dB的增益和500MHz的频宽。放置在放大器之后的是一个14位的ADC，其采样率为150MHz兼有1.1GHz的前端全度频宽。假如在放大器和ADC间不设滤波器，那噪声值便为：
放大器输出噪声 = 1.8 nV/rtHz Ｘ 20 V/V Ｘ SQRT(600 MHz) = 881 uV
ADC 本底噪音: 71.3dBFS @1V 全标度 = 272 μV
在这情况下，由放大器所引致的噪声会比ADC大很多。 一个WCDMA接收器的每条通道具有5MHz的信号频宽。为了在5MHz下达到一个常效率，需要使用一个25MHz的滤波器。此外，为了获得一个良好的滤波器拒波，我们会选用一个185MHz的中频(我们ADC的第三条Nyquist频带)。加入滤波器后便得出以下结果：
放大器输出噪声 = 1.8 μV/rtHz Ｘ 20 V/V Ｘ SQRT(30 MHz) = 197 μV
ADC 本底噪音: 71.3dBFS @1V 全标度 = 272 μV
配合加入滤波器，放大器的噪声现在比起ADC本底噪音低很多。设计滤波器时，尽量模仿ADC的输入电容、放大器输出电容和板寄生电容。此外，放大器输出引脚和ADC输入引脚会有大约1nH的接线电感。模仿时需小心谨慎，一旦电路建立起来后便需很小心地量度滤波器的响应，并需要将滤波器调谐调整至中央频率。无疑，频率越高对准确模拟滤波器的难度就越大。此外，较小的元件的容错性更好。
一旦选定了IF频率和滤波器的频带，那便必须选定滤波器的阻抗。滤波器阻抗的重要性几乎与滤波器的频带和插入损耗一样重要。要选出最佳的滤波器阻抗，需要在ADC和放大器的要求之间进行平衡。图3中，滤波器被设计成在通带中拥有200Ω的阻抗，并以400Ω作端接以减低损耗。假如以200Ω作端接，那它便可拥有较平整的频率响应。滤波器的实测响应已在图4中表示出来。如果滤波器接入端为200 Ω，便可拥有更平滑的频率响应曲线。由此可见，系统设计时取舍的必要性。
噪声滤波器被设计成在放大器一方，并通带外拥有高阻抗。将放大器的输出电流尽量降低，有助于维持低水平失真。滤波器也 被设计在数据转换器一方，并在停止频带具有低阻抗特性。当ADC对输入信号采样时，这样的设计有助于减低由电容器开关产生的电流尖峰。
在决定如何驱动之前，阅读特定数据转换器的数据表是非常重要的。问题在于是否对ADC输入进行阻抗匹配。有些低阻抗缓冲输入的数据转换器需要在输入处进行阻抗匹配。相反地，大部份带有高阻抗输入的数据转换器则不应进行匹配。上述提及过的14位数据转换器属于典型的高分辨率高速转换器，它拥有一个高电容性的输入(9 pF时钟低及6 pF时钟高)。这类数据转换器最好是由一个低阻抗电源来驱动。
数据转换器是一种离散式定时器件，在某时间点下，ADC将会替信号采样，然后在处理该样本时忽略其他信号。ADC14155的产品说明资料已表明信号会在时钟的下降边沿被采样，当时钟在高和低时，ADC14155的输入电容分别为6 pF和 9 pF。从这些资料可知道滤波器应该围绕着6pF的时钟高电容来设计。同一时间中，ADC正准备替模拟输入采样。一旦时钟下降至低状态，样本就会被提取。第二个样本被采集前，我们无需关注输入电容。
放大器低阻抗输出的优点是可为系统设计带来很高的灵活性。一般的通用放大器可提供一个很低的输出电阻(<1 Ω)，而射频放大器则可提供50Ω～400Ω的阻抗。为了尽量增强放大器的性能，外部负载(反映在滤波器的特性阻抗内)应尽量高。如前所述，ADC的驱动需要低阻抗的电源。 实验室的多项试验表明，为图3的电路提供最佳性能的是400Ω的滤波器。放大器和ADC的不同组合可从略有区别的滤波器阻抗中获益。
电源(为何放大器和ADC需要不同的
电压)
放大器和ADC的一个主要差异是放大器本身需要重生一个信号，并送到一个需要电压和电流(亦可说成是电源)的负载内。数据转换器的唯一目的是量度电压，以及产生一个与该电压成比例的数字信号。这种基本的差异引伸出不同的电源要求。在大部份的应用中，放大器比数据转换器需要的电源电压范围更大，从而在最高信号电压处，容许放大器有足够的净空释放功率。此外，尤其对于DC耦合信号链，一个负电源电压可大大改善性能表现。
在电路板上设有最佳的电源电压可以说是成功设计的关键。要尽量减低电源噪声，应该使用功率板或很宽及低电感的布线。对于数据转换器和放大器而言，它们均要求低信噪比(SNR)和低电感的旁路电容器。为了达至最佳的信号完整性，经由旁路电容器带载的电流不应行经信号布线附近。此外，附近有信号端电阻器连接接地时，而电源旁路电容器不应连接到接地面。
为了在极高频下提供无失真性能，我们在使用诸如LMH6515或LMH6555的放大器时，会选用开放集极(共用发射极)A级操作。尤其该单一电源已给出对大信号的要求时，这种放大器拓扑可从严谨的电源容差中受惠。幸运的是，现在可以获得具有绝佳稳压准确度的电源。线性稳压器不单可提供最低的噪声，而且还可提供最好的稳压准确性。一个如LP2989的稳压器其标准准确度可达1.25%，而在整个操作温度及负载下的准确度为-4～+2.5%。由于LMH6515 DVGA的静态电源电流会比释放至负载的电流更大，所以由DVGA提取的电流很大程度上会被固定。这就是电源稳压的最佳情况，因此对电源的准确性更高。
通信系统的设计要求可说十分苛刻，采用高性能的元件和诸如环路内AGC等技术可帮助提升系统的性能，甚至超越客户的要求。通过遵从一些基本的信号路径设计要求(布局、滤波、阻抗匹配)，并按满足ADC与电源的不同需要，便可设计出一个可有效应对未来挑战的最佳设计方案。
