ZHDA356 May 2022 TRF1208 , TRF1208B
在低频下,平衡-非平衡变压器和变压器这两个术语常被互换使用,因为低频平衡-非平衡变压器几乎总是用磁通耦合变压器 来实现。因此,人们常说平衡-非平衡变压器是变压器的一种,但更准确的说法是:变压器有时可用于实现平衡-非平衡变压器的功能。许多其他结构也可用于实现平衡-非平衡变压器功能。平衡-非平衡变压器的关键指标包括增益平衡和相位平衡、共模抑制比 (CMRR)、插入损耗、隔离度以及延迟平坦度。
单端转差分通常使用无源磁平衡-非平衡变压器来实现,这类平衡-非平衡变压器一般是窄带的,并且随着工作频率降低而尺寸增大;支持更宽频率范围也会使平衡-非平衡变压器更笨重、成本更高。宽带无源平衡-非平衡变压器可能价格昂贵,并且相位与幅度平衡以及插入损耗都会有所妥协。无源平衡-非平衡变压器具有高线性度的优势;然而,其插入损耗会直接拉低前级放大器的输出三阶截点 (OIP3),同时影响整体噪声系数。较差的相位和幅度不平衡会直接影响 ADC 的二阶非线性。与所有射频和微波电路一样,每项性能指标仅在某个规定带宽内有效。在不牺牲性能的前提下,将带宽从倍频程扩展到十倍频程、再到多十倍频程,是一项重大挑战。一般来说,平衡-非平衡变压器可分为两类。采用磁耦合的平衡-非平衡变压器在 10MHz 以下工作,而仅采用电容耦合的平衡-非平衡变压器其低频端性能限制在约 1GHz,但可工作到毫米波频率。
对于宽带应用,平衡-非平衡变压器可能无法抑制二阶谐波,而二阶谐波会在整个所需通带内造成纹波。在更高频率下,放大器送入平衡-非平衡变压器的输出阻抗可能发生变化,并可能导致整个频率范围内的不平衡更加明显。相反,频率范围向下扩展到 10MHz 及更低的平衡-非平衡变压器,其尺寸会显著增大,并占用更多布板空间。尽管平衡-非平衡变压器可以将单端信号转换为差分信号并提供差分信号传输的优势,但高性能宽带无源平衡-非平衡变压器可能成本高、尺寸大,并且若采用机械构造则可能不可靠。图 2-1 展示了平衡-非平衡变压器用于与 ADC 接口的典型用例。
对于性能要求高的应用,只要有功平衡-非平衡变压器的整体规格能够优于两个级联部分,那么将前级放大器与无源平衡-非平衡变压器组合起来的方案就非常有吸引力。然而,最终的检验是:当与 ADC 级联时,有源平衡-非平衡变压器对 ADC 原生性能的影响必须可以忽略不计。优选方案是有源平衡-非平衡变压器不与 ADC 位于同一芯片上;否则,共模杂散注入可能限制 ADC 性能。
有源平衡-非平衡变压器通常采用两种基本架构:闭环或开环。对于高频应用,开环结构因其稳定性优势而更受青睐。虽然开环结构具有噪声系数优势,但它们往往采用交流耦合并带有一个高通极点。闭环实现不仅解决了这一问题,还能获得跟随 ADC 线性度曲线的 OIP3 或 OIP2(在低频时较高,并随频率升高而平缓下降)。这一点至关重要,因为在整个频率范围内,有源平衡-非平衡变压器必须始终比 ADC 优至少 6dB 到 8dB,才能对 ADC 产生最小影响。