将RF信号转换为数字信号的CMOS转换器

文章摘要：从频率计数与合成到传感器信 号调整等很多应用都需要将 RF 信号转换为数字逻辑电平。在这些情况下，设计者一般采用一个高速电压比较器完成RF到数字信号的转换工作。由于电压比较器具有高增益，它们一般有很好的灵敏度，但也会带来一些问题。高速比较器价格高，很难找到现成的商品，并且易于被快速淘汰。图1中的电路可以为高达180 MHz的频率提供一种有吸引力的方案。设计中的IC是一个74LVCU04极高速CMOS六反相器，可以是采用现成的，也可以从很多来源获得。此外，很多设备中可能已经含有三个未用到的反相器。一个反相器IC1A作为线性前置放大器工作，构成转换器的输入级。偏置电阻R3使反相器的输入、输出电压

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　从频率计数与合成到传感器信  号调整等很多应用都需要将 RF 信号转换为数字逻辑电平。在这些情况下，设计者一般采用一个高速电压比较器完成RF到数字信号的转换工作。由于电压比较器具有高增益，它们一般有很好的灵敏度，但也会带来一些问题。高速比较器价格高，很难找到现成的商品，并且易于被快速淘汰。

　　图1中的电路可以为高达180 MHz的频率提供一种有吸引力的方案。设计中的IC是一个74LVCU04极高速CMOS六反相器，可以是采用现成的，也可以从很多来源获得。此外，很多设备中可能已经含有三个未用到的反相器。一个反相器IC_1A作为线性前置放大器工作，构成转换器的输入级。偏置电阻R₃使反相器的输入、输出电压平均在电源电压的一半处[V_O1=V_I1=(V_DD/2)]，从而使反相器进入自己的线性区。由于在RF段上，极高速CMOS反相器的交流增益相对较低，(V_O1/ V_I1)≈7，前置放大器后要增加一个增益级。增加的反相器级联方案在低频和直流下，当没有施加RF信号源时稳定性不佳。

　　图1中的电路采用了一种基于施密特触发器和放大器电路的拓扑（IC_1B和IC_1C），从而解决了这个问题，它包括一个与频率有关的正反馈网络，由R₁、R₂、C_D1和C_D2构成。随着输入频率的不同，网络可表现出两种特性：在高频时，去耦电容器对 C_DC1和C_DC2将反馈电阻器R₁短路，从而抵消了由正反馈网络R₁、R₂与反相器IC_1B的输入电容引起的时间常数。因此，在高频下，三个反相器IC_1A、IC_1B和IC_1C表现为三个级联的高速放大器，可以实现最佳的输入信号带宽。在直流和低频时，耦合电容器对C_D1和C_D2的影响可以忽略不计，而反相器IC_1B、IC_1C与正反馈网络R₁、R₂可以起到一个施密特触发器电路的作用。为了对V_S的输入灵敏度与确保比较器输出的无条件稳定之间做出折衷，要对施密特触发器输入V_O1处的高、低阈值电压V_TH和V_TL做出选择。公式1和公式2分别设定高、低阈值电压：

　　为中和较高频率时灵敏度下降问题，在比较器的输入端增加了一个由 L₁和C₁构成的低Q阻抗匹配网络。由于设计目标是在高至160 MHz获得可接受的灵敏度，因此网络将50Ω的 RF源与运行在150 MHz的IC_1A的输入阻抗Z_I1作匹配。不幸的是，数字IC 的制造商通常不会说明逻辑器件的输入阻抗。因此在设计匹配网络时，首要任务是用Agilent（www.aglent.com）的矢量网络分析仪测量第一个反相器IC_1A输入V_I1的散射参数S₁₁。图2显示了反相器S₁₁参数的史密斯特性图。

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