將RF信號轉換為數(shù)字信號的CMOS轉換器

　　從頻率計數(shù)與合成到傳感器信  號調整等很多應用都需要將 RF 信號轉換為數(shù)字邏輯電平。在這些情況下，設計者一般采用一個高速電壓比較器完成RF到數(shù)字信號的轉換工作。由于電壓比較器具有高增益，它們一般有很好的靈敏度，但也會帶來一些問題。高速比較器價格高，很難找到現(xiàn)成的商品，并且易于被快速淘汰。

　　圖1中的電路可以為高達180 MHz的頻率提供一種有吸引力的方案。設計中的IC是一個74LVCU04極高速CMOS六反相器，可以是采用現(xiàn)成的，也可以從很多來源獲得。此外，很多設備中可能已經(jīng)含有三個未用到的反相器。一個反相器IC_1A作為線性前置放大器工作，構成轉換器的輸入級。偏置電阻R₃使反相器的輸入、輸出電壓平均在電源電壓的一半處[V_O1=V_I1=(V_DD/2)]，從而使反相器進入自己的線性區(qū)。由于在RF段上，極高速CMOS反相器的交流增益相對較低，(V_O1/ V_I1)≈7，前置放大器后要增加一個增益級。增加的反相器級聯(lián)方案在低頻和直流下，當沒有施加RF信號源時穩(wěn)定性不佳。

　　圖1中的電路采用了一種基于施密特觸發(fā)器和放大器電路的拓撲（IC_1B和IC_1C），從而解決了這個問題，它包括一個與頻率有關的正反饋網(wǎng)絡，由R₁、R₂、C_D1和C_D2構成。隨著輸入頻率的不同，網(wǎng)絡可表現(xiàn)出兩種特性：在高頻時，去耦電容器對 C_DC1和C_DC2將反饋電阻器R₁短路，從而抵消了由正反饋網(wǎng)絡R₁、R₂與反相器IC_1B的輸入電容引起的時間常數(shù)。因此，在高頻下，三個反相器IC_1A、IC_1B和IC_1C表現(xiàn)為三個級聯(lián)的高速放大器，可以實現(xiàn)最佳的輸入信號帶寬。在直流和低頻時，耦合電容器對C_D1和C_D2的影響可以忽略不計，而反相器IC_1B、IC_1C與正反饋網(wǎng)絡R₁、R₂可以起到一個施密特觸發(fā)器電路的作用。為了對V_S的輸入靈敏度與確保比較器輸出的無條件穩(wěn)定之間做出折衷，要對施密特觸發(fā)器輸入V_O1處的高、低閾值電壓V_TH和V_TL做出選擇。公式1和公式2分別設定高、低閾值電壓：

　　為中和較高頻率時靈敏度下降問題，在比較器的輸入端增加了一個由 L₁和C₁構成的低Q阻抗匹配網(wǎng)絡。由于設計目標是在高至160 MHz獲得可接受的靈敏度，因此網(wǎng)絡將50Ω的 RF源與運行在150 MHz的IC_1A的輸入阻抗Z_I1作匹配。不幸的是，數(shù)字IC 的制造商通常不會說明邏輯器件的輸入阻抗。因此在設計匹配網(wǎng)絡時，首要任務是用Agilent（www.aglent.com）的矢量網(wǎng)絡分析儀測量第一個反相器IC_1A輸入V_I1的散射參數(shù)S₁₁。圖2顯示了反相器S₁₁參數(shù)的史密斯特性圖。

　　已知 

  
　　其中Z_C=50Ω，可以用圖2中的數(shù)據(jù)提取第一個反相器在所需頻率處的輸入阻抗。在150 MHz時，得到 Z_I1= 106.1Ω-j 116.7Ω（在圖2的標記4處）。要確定匹配網(wǎng)絡中各元件的值，可以用任何一種軟件工具（參考文獻1與2）。如果你不熟悉史密斯特性圖的計算，也可以用下列方法進行分析：

　　1. 用串-并轉換公式（公式4和5），將第一個反相器的輸入阻抗轉換為并聯(lián)形式：

　　將這些公式用于150 MHz時，得到：R_P=233Ω，X_P=213Ω。（在150 MHz下，X_P代表輸入阻抗，C_P=5 pF_。）

　　2.算出第一個反相器輸入阻抗R_P和50Ω RF源之間實現(xiàn)匹配的網(wǎng)絡匹配初始值。用公式6和7計算出匹配網(wǎng)絡中各元件的值（參考文獻3）。

　　將這些公式用于150 MHz，得到L₁≈100 nH，C₁ +CP≈8.7 pF_。

　　3. 從式7中減去反相器的輸入電容C_P =5 pF，計算出C₁的值：

　　搭建電路時，使用最接近于計算值的標準元件：L₁=100 nH，C₁=3.6 pF。如圖3中輸入頻率與靈敏度的關系曲線所示，100 MHz ~ 170 MHz頻率時電路的靈敏度增加，這清楚地證明了阻抗匹配網(wǎng)絡的有效性?？梢栽谶x定頻率下將這種方法用于其它感興趣的任何頻率段，實現(xiàn)電路靈敏度的優(yōu)化。在10 MHz~180 MHz輸入信號范圍內，RF至數(shù)字邏輯轉換器的功耗變化不大。最差條件下，3.3V供電電壓下消耗的電流不超過58 mA。

參考文獻
1. Smith tool, Ansoft Corp, www.ansoft.com.
2. Ansoft Designer: Student Version, Ansoft Corp, www.ansoft.com.
3. Bowick, Chris, RF Circuit Design, HW Sams & Co, Indianapolis, IN, 1988.