将RF信号转换为数字信号的CMOS转换器

　　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。

　　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。

　　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的矢量网络分析仪测量个反相器IC_1A输入V_I1的散射参数S₁₁。显示了反相器S₁₁参数的史密斯特性。

　　其中Z_C=50Ω，数据提取个反相器在所需频率处的输入阻抗。在150 MHz时，得到 Z_I1= 106.1Ω-j 116.7Ω（。要确定匹配网络中各元件的值，可以用任何一种软件工具。如果你不熟悉史密斯特性图的计算，也可以用下列方法进行分析：

　　1. 用串-并转换公式（公式4和5），将个反相器的输入阻抗转换为并联形式：

　　将这些公式用于150 MHz时，得到：R_P=233Ω，X_P=213Ω。（在150 MHz下，X_P代表输入阻抗，C_P=5 pF_。）

　　2.算出个反相器输入阻抗R_P和50Ω RF源之间实现匹配的网络匹配初始值。用公式6和7计算出匹配网络中各元件的值（参考文献3）。

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

　　3. 从式7中减去反相器的输入电容C_P =5 pF，计算出C₁的值：

　　搭建电路时，使用接近于计算值的标准元件：L₁=100 nH，C₁=3.6 pF。输入频率与灵敏度的关系曲线所示，100 MHz ~ 170 MHz频率时电路的灵敏度增加，这清楚地证明了阻抗匹配网络的有效性。可以在选定频率下将这种方法用于其它感兴趣的任何频率段，实现电路灵敏度的优化。在10 MHz~180 MHz输入信号范围内，RF至数字逻辑转换器的功耗变化不大。差条件下，3.3V供电电压下消耗的电流不超过58 mA。

参考文献
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.

4. S11 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/S11_1617658.html.