巴伦变压器的选型和设计-Toy模板网

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1. 术语

2. 概述

3. 构架演变

3.1 正交混频架构

3.2 外差采样架构

3.3 RF采样架构

4. 直接RF采样

5. 前端电路结构

6. 巴伦

7. 模型及计算

8 典型电路

9. 前端网络的衰减

10. 主要厂家

11. PCB设计

1. 术语

XFMR：变压器

Balun：平衡不平衡转换器

2. 概述

转换器技术每年都在发展。主要半导体公司的模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）的采样速率比十年前的产品快了几个数量级。例如，2005年，世界上速度最快的12位分辨率ADC采样速率为250 MS/s；而到了2018年，12位ADC的采样率已经达到6.4 GS/s。由于这些性能的提高，转换器可以直接数字化RF频率的信号，并为现代通信和雷达系统提供足够的动态范围。

3. 构架演变

图1~图3给出了随着时代的发展，芯片制造水平的进度，信号采集系统实现主要的三种架构。

巴伦变压器的选型和设计

图 1 典型正交混频架构（Typical complex mixer architecture）

巴伦变压器的选型和设计

图 2 典型外差结构（Typical heterodyne architecture）

巴伦变压器的选型和设计

图 3 典型射频采样架构（Typical RF sampling architecture）

3.1 正交混频架构

优点：

使用两个模数转换器，每个转换器的采样率为标准实信号采样率的一半；
很多设备可在较低频率下工作，节省资源；
对于给定的采样频率Fs，可以得到更高带宽的模拟信号；

缺点：

需要更多的器件完成功能；
I、Q两路信号的正交性很难保证
系统实现复杂。

3.2 外差采样架构

优点：

可以有效降低采用率，对ADC要求较低；

缺点：

前端需要多级混频、放大和滤波，体积大。

3.3 RF采样架构

优点：

可简化前端电路设计，减小设备体积；

缺点：

需要更高的采样率。

4. 直接RF采样

在外差结构中，接收器接收RF频率的信号之后，将信号下变频到较低的中频（IF），并进行数字化、滤波和解调。图4显示的是外差接收器的原理框图，可以看到，该仪器的RF前端包含了带通滤波器、低噪声放大器、混频器和本地振荡器（LO）。图1.此外差接收器框图显示了一个带有RF前端的仪器，该前端由带通滤波器、低噪声放大器、混频器和本地振荡器组成。而直接RF采样接收器架构仅由低噪声放大器、适当的滤波器和ADC组成，接收器不需要使用混频器和LO；ADC直接数字化RF信号并将其发送到处理器。可以使用直接数字转换（DDC）来隔离目标信号，而不需要使用混频器。此外，在大多数情况下，除了抗混叠或重建滤波器之外，可以使用数字滤波替换大部分模拟滤波。由于不需要模拟频率转换，直接RF采样接收器的整体硬件设计要简单得多，从而允许更小的外形尺寸和更低的设计成本。

巴伦变压器的选型和设计

图 4 直接RF采样的优势

5. 前端电路结构

大多数应用，采样电路的前级电路（微波电路）已包含滤波器和增益放大器，因此，采集板卡ADC前端可不用添加这些功能电路。所以，设计前，应该和相关人员沟通，避免重复或者遗漏。知道应用宽带和高速模数转换器之后，下一步就是选择前端拓扑结构：放大器(有源)或变压器(无源)。二者各自的利弊说来话长，同时取决于具体应用。

巴伦变压器的选型和设计

放大器和变压器根本区别是什么？

答：放大器是有源器件，而变压器是无源器件。放大器和其它所有的有源器件一样，消耗功率并且产生噪声；变压器不消耗功率并且产生的噪声可以忽略不计。两者都涉及到动态效应问题。

为什么选择放大器

答：放大器的性能限制比变压器少。如果必须保持直流（DC）电平，就必须使用放大器，因为变压器是固有的交流（AC）器件。另外，如果需要，变压器可以提供电流隔离。放大器提供增益比较容易，因为放大器的输出阻抗实质上与增益无关。另一方面，变压器的输出阻抗与电压增益呈平方关系增加——电压增益取决于匝数比。放大器在通带范围内提供平坦的响应，而没有由于变压器寄生交互作用引起的纹波

在什么情况下需要使用变压器

答：当信号的频率很高而且ADC的输入端不允许很大的附加噪声时，变压器具有超越放大器的最大性能优势。

变压器和放大器在增益方面有何不同

答：主要的区别在于ADC的输入阻抗，它直接影响系统的带宽。变压器的输入阻抗和输出阻抗与匝数比的平方有关，而放大器的输入阻抗和输出阻抗与增益（G）根本无关无关。

究竟选择变压器还是放大器来驱动ADC时，要考虑哪些因素

答：我们可以把这些因素归结为6个参数，如下表所示：

参数	通常优势
带宽	变压器
增益	放大器
通带平坦性	放大器
功耗要求	变压器
噪声	变压器
直流与交流耦合	放大器（保持直流信号）变压器（隔离直流信号）

6. 巴伦

巴伦（英语为“balun”，由balanced（平衡）”的前三个字母“bal”与“unbalanced（不平衡）”的两个字母“un”组合而成）。

巴伦变压器的选型和设计

图 5 巴伦变压器

巴伦为一种三端口器件，或者说是一种通过将匹配输入转换为差分输出而实现平衡传输线电路与不平衡传输线电路之间的连接的宽带射频传输线变压器。巴伦的功能在于使系统具有不同阻抗或与差分/单端兼容功能。

巴伦具有如下三项基本功能：

将电流或电压从不平衡转换至平衡；
通过某些构造进行共模电流抑制；
通过某些构造进行阻抗转换（阻抗比不等于1:1）。

巴伦分为多种类型，其中的某些用于阻抗转换，还有某些用于连接具有不同阻抗的传输线。阻抗转换巴伦可实现阻抗匹配、直流隔离以及将平衡端口与单端端口匹配。共模扼流圈因为可消除共模信号，因此在某种意义上说也是一种巴伦。巴伦用于推挽放大器、宽带天线、平衡混频器、平衡倍频器及调制器、移相器以及任何需要在两条线路上传输幅度相等且相位相差180度的电路设计。

巴伦的两个输出幅度相等，相位相反：

在频域中，这表示两个输出之间具有180°的相位偏移；
在时域中，这表示一个平衡输出的电压为另一平衡输出的负值。

6.1 关键参数

就巴伦而言，幅度不平衡和相位不平衡是最关键的性能特征。这些参数衡量各单端信号与理想值的偏差，幅度相等，相位相差180°。当设计要求高中频(1000 MHz以上)时，设计人员可根据这两项技术规格，了解向转换器提供的信号线性度。一般而言，偏差越大，则性能下降幅度越大。起步时，一定要选择那些将此信息公布在数据手册中的变压器或巴伦。如果数据手册中不存在此信息，则很可能说明它不适合高频应用。记住：随着频率增加，巴伦的非线性也同时增长，通常以相位不平衡为主，相位不平衡会转化为高速转换器的偶次失真(主要是二次谐波失真H2)。即使是3度的相位不平衡也会导致无杂散动态范围或SFDR性能的大幅下降。如果离数据手册预期杂散特性差得远，尤其是H2，不要急着责怪转换器，应先检查前端设计。

关键参数

相位不平衡性

变压器用于信号隔离，并且将单端信号转换成差分信号。当在高速模数转换器(ADC)前端电路中使用变压器时常常忽略的一个问题是变压器绝非理想器件。任何由变压器引起的输入失衡都会使输入的正弦信号变成非理想的正弦信号波形传送给ADC的输入端二次谐波和偶次阶失真就会增大。而造成模拟输入相位不平衡的原因通常是设计过程中忽略了元件容差或PCB布局的对称性要求。

当模数转换器采样的两个差分模拟输入信号不是恰好180°反相时，就会发生相位不平衡现象。最简单的情形，可以认为这两个信号是两个正弦波。当这两个正弦波离开“理想”相位时，就会产生失真。失真随着系统频率升高而增大，偶次阶失真性能下降得更快。

相位的不匹配会引起ADC不平衡。转换器能够承受一定程度的相位不匹配，但保持4°或更低的不匹配时，性能最佳。转换器具有一定的内部不平衡，设计师应努力确保IC内部精确平衡。