变压器用于隔离和将信号从单端转换为差分。在高速A/D转换器的前端电路中使用变压器时，一个经常被忽视的因素是它们从来都不是理想的。对于正弦输入信号，变压器引入的任何不平衡都会向ADC输入传递不完美的正弦波，从而导致整体数据转换性能比ADC提供的性能更差。我们在此考虑输入不平衡对ADC性能的影响，并提供电路示例以实现改进结果。

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各种各样的可用模型从许多制造商可以使变压器选择一个令人困惑的过程。供应商在指定性能方面采取的不同方法使这一挑战更加复杂;它们在所指定的参数的选择和定义方面往往不同。

在选择驱动特定ADC的变压器时要考虑的一些关键参数是插入损耗、回波损耗、幅度不平衡和相位不平衡。插入损耗是变压器带宽能力的一个指标。回波损耗也很有用，它允许用户设计终端以匹配变压器在特定频率或频带的响应，这在使用大于单位匝比的变压器时尤其重要。我们将重点讨论幅度和相位不平衡，以及它们在高带宽应用中如何影响ADC的性能。

理论分析

即使具有较宽的额定带宽，变压器的单端初级和差分次级之间的耦合虽然是线性的，但会引入幅度和相位不平衡。当应用于转换器(或其他差分输入设备)时，这些不平衡使转换(或处理)信号的偶阶失真恶化。虽然在低频通常可以忽略不计，但在高速转换器中，这种增加的失真在大约100 MHz时变得显著。让我们首先检查差分输入信号的幅度和相位不平衡，特别是二次谐波失真，如何影响ADC的性能。

考虑变压器的输入x (t)。它被转换成一对信号，x (1)(t)和x (2)(t)。如果x (t)是正弦信号，则微分输出信号x (1)(t)和x (2)(t)的形式为

（1）

ADC建模为对称的三阶传递函数:

（2）

然后

(3)

理想情况-无失衡

当x (1)(t)和x (2)(t)完全平衡时，它们具有相同的大小(k (1) = k (2) = k)，并且恰好180°异相(φ = 0°)。自

（4）

（5）

运用幂函数的三角恒等式收集类似频率的项，

(6）

这是微分电路中常见的结果:理想信号的偶次谐波会抵消，而奇次谐波则不会。

级的不平衡

现在假设两个输入信号有幅度不平衡，但没有相位不平衡。在这种情况下，k(1)≠k(2)，且φ = 0。

（7）

将方程7代入方程3并再次应用三角幂恒等式，

（8)

从公式8中我们可以看出，这种情况下的二次谐波与大小项k(1)和k(2)的平方之差成正比，即:

（9）

相不平衡

现在假设两个输入信号之间有相位不平衡，但没有幅度不平衡。

则k (1) = k(2)，且φ≠0。

（10）

将方程10代入方程3化简，

（11）

从方程11中，我们看到二次谐波振幅与幅度项k的平方成正比。

（12）

观察

对比公式9和式12可知，相位不平衡对二次谐波振幅的影响比对幅度不平衡的影响更严重。对于相位不平衡，二次谐波与k(1)的平方成正比，而对于幅度不平衡，二次谐波与k(1)和k(2)的平方之差成正比。由于k(1)和k(2)近似相等，因此这种差异很小。

为了测试这些计算的有效性，我们为上述模型编写了MATLAB代码，以量化和说明幅度和相位不平衡对带变压器输入的高性能ADC谐波失真的影响(附录a)。该模型包括加性高斯白噪声。

MATLAB模型中使用的系数a(i)适用于高性能16位125 msps ADC AD9445。在图2所示的前端配置中，使用AD9445生成图3所示的FFT，并从中推导出系数。

本底噪声、二次谐波和三次谐波反映了转换器和前端电路的综合性能。根据这些测量结果，结合标准1:1阻抗比变压器在170 MHz时的幅度不平衡0.0607 dB和相位不平衡148 dB，计算了变换器的失真系数(a(2)和a(3))和噪声。

在公式8和公式11中使用这些系数来计算y (t)，而幅度和相位不平衡分别在0 V至1 V和0度至50度范围内变化(典型变压器在1 mhz至1000 mhz范围内的不平衡范围)，并观察其对二次谐波的影响。仿真结果如图4和图5所示。

图4和图5显示:(a)三次谐波对幅度和相位不平衡相对不敏感，(b)相位不平衡比幅度不平衡时二次谐波恶化得更快。因此，为了从ADC获得更好的性能，需要改进相位不平衡的变压器配置。图6和图7显示了两种可行的配置，第一种涉及双平衡器，第二种涉及双变压器。

在专门设计的表征板上使用矢量网络分析仪比较了这些配置的不平衡。图8和图9比较了这些配置与单个变压器的幅度和相位不平衡。

以上图表清楚地表明，双构型具有较好的相位不平衡，但代价是幅度不平衡略有下降。因此，利用上述分析的结果，似乎可以采用双变压器配置来实现更好的性能。使用单变压器输入(图10)和双平衡输入(图11)的AD9445的FFT图表明，情况确实如此;使用300 mhz中频信号时，SFDR改善了+10 db。

这是否意味着为了获得良好的性能，必须将两个变压器或两个平衡器耦合到ADC的前端?不一定。分析表明，使用相位不平衡小的变压器是必要的。在下面的示例中(图12和图13)，使用两个不同的单变压器以170 mhz中频信号驱动AD9238。这些例子表明，当ADC由改善了高频相位不平衡的变压器驱动时，二次谐波改善了29db。

结论

当变压器作为高中频输入(> 100mhz)的处理(如a /D转换、D/ a转换和放大)的前端时，变压器的相位不平衡会加剧二次谐波失真。然而，通过使用一对变压器或平衡器，可以实现显著的改进，代价是额外的变压器和额外的PC板空间。

如果设计带宽小且选择合适的变压器，单变压器设计可以获得足够的性能。然而，它们确实需要有限的带宽匹配，并且它们可能很昂贵或物理上很大。

在任何一种情况下，为任何给定的应用选择最好的变压器都需要详细了解变压器的规格。相位不平衡对于高中频输入(> 100mhz)尤为重要。即使在数据表中没有指定，大多数变压器制造商也会根据要求提供相不平衡信息。网络分析仪可以用来测量变压器的不平衡作为检查，或者如果信息不可靠。