通信应用中差分电路设计的相关技术

ADI公司

以足够的保真度成功捕获信号是通信系统设计的一大难题。严格的标准规范会要求选择合适的接口拓扑结构。本期座谈介绍了差分设计技术的优势，以及其性能优势在当今高性能通信系统中如何影响严格的系统需求。此外，将回顾射频的定义，概要说明系统预算，并对比不同的实现方法。

通信应用中差分电路设计的相关技术有哪些呢？首先对单端和差分信号进行一下比较，然后简单介绍接收器的信号链和系统性能方面一些需要考虑的因素，然后就会发现差分应用的优势。从驱动ADC的角度与单端应用作比对，我们会发现差分应用会更容易实现较高的数据率。最后呢，我们将回到系统设计层面，总结差分应用的好处。

单端和差分信号

首先谈到单端和差分信号的概念，这个大家都比较了解了。这里我们用另外一种方式来表达，我们可以将信号分为不平衡信号或平衡的信号，单端信号属于不平衡信号，因为它是单侧信号，所以是相对地而言的，没有与之平衡的信号对，相比平衡信号，不平衡的信号呢一般会产生较高的谐波失真。

而差分信号，则是平衡信号，差分对一般有着共同的共模电平和幅值相同的差模电平。衡量差分信号或者说平衡信号时，我们关心的是正负输入端信号的差值变化。这种平衡的信号带来的谐波失真就相对小很多。

系统级设计

另一方面，在通信系统应用的时候，我们看到一个比较通用的超外差接收器的信号链，图1 为通用的超外差接收器的信号链，在天线后接一级低噪放大器，用于放大信号并抑制噪声，而后用两级混频器将信号下变频到较低频，其间我们会加入适当的滤波器，以滤除有用信号频带以外的噪音和谐波，之后就是驱动ADC的缓冲运放。这是我们今天主要讨论的问题。这一级运放的主要目的是调节信号的电平范围，提高驱动能力，有时候也要作为单端差分之间的转换。在进入ADC之前我们需要加抗混叠滤波器，最后是用ADC对基带信号进行模数转换。我们看到如果系统想实现较高的动态范围，除信号以外不能引入过多的噪声和谐波。

图1 通用的超外差接收器的信号链

来具体看一下在一个通信系统中有哪些比较值得注意的性能和指标，在我们对单端信号和差分信号作比较之前，我们需要了解一些系统级设计所要考虑的问题。

那么，什么样的设计是一个较好的射频系统设计呢？首先，信号灵敏度要高，这意味着较低的噪声，时钟引入的相位噪声同样要低。输入信号要有足够的驱动能力，相关的指标，如高的三阶截点和1dB压缩点。然后就是各个模块的性能是否足够好，是否能较好的区分信号和噪声，线性度是否足够好等等。另外呢就是低功耗低成本等方面的考虑了。

我们说差分信号链相对单端信号来讲有很多优势。由于是差模信号，输出的是两个差分信号，实际上输出的差模信号幅度相对扩大了一倍，换一个角度来讲，在同等输出范围条件下，工作电压会更低。这样，在要求低谐波失真的应用中，就可以保证足够的幅值余量。差分系统自身类似奇函数的特性可以消除系统中的偶次谐波项，也就是说2次、4次、6次谐波等，在这些频点上的谐波相对奇次谐波会很小甚至看不到。最后，由于信号的返回路径不再是地平面，信号受地平面或是电源平面影响不是那么敏感，从而减少了噪声的耦合引入，同时实现更好的抗电磁干扰效果。

如图2所示，单端信号会对共模噪声、电源噪声和电磁干扰比较敏感，运放会对这些噪声一定程度的放大。而差分信号由于两侧信号自身形成电流回路，抑制了共模噪声和干扰，仅对差模信号进行有效放大。

通过推导，我们也可以看出差分放大的奇次特性，理想情况下频谱上我们仅能看到基波和奇次项谐波。在这里我们仅给出结论，比较值得注意的是三次谐波和它引起的三阶截点，IP3是在基波和三阶失真输出曲线交点的理论输入功率，它是描述放大器线性程度的一个重要指标：

在通信系统设计中，对有用信号的驱动、提取并加载到ADC输入上是很关键的问题。对于高精度系统设计，要求对器件和接口方式进行适当的选择。我们将给大家几个例子，但在此之前请大家了解，如图3所示，我们要提取的是蓝色部分的有用信号，它的能量很小而且还有周围信号和噪声的干扰。为了把它抓出来，我们要对噪声，动态范围，和其他一些ADC相关的指标加以注意，后面的幻灯片中将具体说明。我们看到功能实现的主要模块包括缓冲运放，抗混叠滤波器和ADC。

图2 单端和差分信号差别

图3 有用的信号和噪声

图4是一个单端输入单端运放的例子，可以看到中频放大器、抗混叠滤波器、变压器和ADC四个级各自的信号增益，输入输出3阶截点功率，和引入噪声的系数等指标。单端信号利用无源变压器在ADC前转换为差分信号。这里要注意一下，假设ADC的终端匹配阻抗为200Ω，而由于前面各级都是50Ω的特征阻抗，所以将变压器的阻抗比设为1:4。

如果把变压器提前，将信号在运放前就转换为差分信号，则单端运放换成差分运放，这样即构成全差分结构。如图5所示。

这里要讲到级联系统总体噪声系数和输入输出三阶截点的等效计算。当考虑总体的噪声系数时，第一级的影响最大；而考虑截点指标时，最后一级的影响最明显。

再考虑一下无杂散动态范围与系统三阶截点的关系，我们知道随着输入信号能量增加，三阶交调失真和噪声底刚好相等时，系统达到最大的SFDR，此时可以用这个式子来表示：SFDR = (2/3)(IIP3-NF-10log( TERMAL NOISE)。

于是我们可以算出刚才提到的两种单端转差分方式，总体产生的信号增益、三阶截点、噪声系数和无杂散动态范围。从指标上看相差不多，差分有源驱动的结构总体失真和噪声系数略高，但是SFDR性能也高一些。另外要注意，在单端无源转换结构中，如果去掉中频放大器，满幅的参考输入功率为6dBm，且抗混叠滤波器的设计是非对称的结构。而且整个设计要加入更多阻性匹配器件，这就要求前级驱动的能力要强，也就是说电流和功耗要大。另外，单端运放的偶次谐波，共模抑制，电源抑制问题也都会一定程度上影响整体系统的性能。

另一方面，在传送数据时，可以一位一位地传，也可以将其分割成符号进行传送，比如每个符号两比特，然后将其分别对应到4种相位上，之后再作用到载波上进行传送。这是一种很常见的调制模式，即QPSK。

通常情况，我们可以用星座图来描述不同的调制方式，我们知道高阶的调制可用于更高数据速率的收发器中，但同时需要更低的本振泄漏、更好功放线性度、更高的系统带宽和解调器信噪比。一方面呢，ADI也在开发更高性能的产品以满足客户的需要，另一方面我们也要在系统设计时注意发掘问题的原理，并采用适当的方法和技巧加以解决。

图6中我们可以看出接收系统中的噪声和谐波对误差向量幅度EVM的影响。也就是说，解调出来的信号相对理想的星座图位置会有所偏移，一般我们用误差向量幅度来衡量，过大的误差向量幅度会导致符号错误并恶化位出错率。特别在高阶调制方式时，符号之间的位置更近，对误差向量幅度的要求更严格。

图4 单端输入单端输出的例子

图5 全差分结构的例子

图6 接收系统中的噪声和谐波对误差向量幅度EVM的影响

由此我们可以得出，更高阶的调制有着更高的数据速率，同时也要有更好的EVM，而更好的EVM意味着较高的无杂散动态范围SFDR，而SFDR又与信噪比、交调失真和各次谐波项相关。所以要提高以上这些性能指标，采用平衡信号、差分结构即可得到显著改善。

总结

最后，对于好的射频系统来讲，主要关注的是如何提高对有用信号的敏感度，从而更好地将信号从噪声、谐波和各种干扰中分离出来。而差分应用的好处就在于更好的共模抑制、电源抑制、抗电磁干扰能力、更好的线性度以及同等条件下相对单端信号更大的动态范围。无疑，差分结构优势明显，更多也更适合用于高性能的射频系统。