概览

设计资源

设计集成文件

  • 原理图
  • 物料清单
  • 布局文件
  • 装配图
下载设计文件 7.78 M

评估硬件

产品型号带"Z"表示符合RoHS标准。评估此电路需要下列选中的电路板

  • EVAL-CN0511-RPIZ ($640.93) DC to 5.5GHz Signal Generator
查询库存和在线购买

驱动/参考代码

软件(如C代码和/或FPGA代码等)用于与元件的数字接口通信。

ADF4372 Linux Device Driver

AD9166 Linux Device Driver

nanoDAC+ No-OS驱动程序

AD5693R参考代码

优势和特点

  • DC至5.5 GHz单信号音发生器
  • +/- 0.5 dB宽带幅度校准范围:0 dBm至-40 dBm
  • 48位频率调谐分辨率(~43 uHz)
  • 可快速轻松启动的板载VCXO
  • 兼容Raspberry Pi 3B+、4、Zero W、Zero 2W

电路功能与优势

当测试和调试通信、雷达及其他RF系统时,高频率、低失真、低噪声信号源必不可少。频率合成RF信号发生器是RF测试实验室中的标准设备,但当要求低失真或低宽带噪声时,常常需要进行额外的滤波。

图1中显示的系统是基于直接数字频率合成(DDS)架构的完整DC至5.5 GHz正弦波信号发生器。四开关数模转换器(DAC)核心和集成输出放大器在整个工作频率范围内提供异常低的失真,并具有匹配的50Ω输出终端。

宽带幅度校准功能确保输出功率(0 dBm到-40 dBm)在整个工作频率范围内保持在+/- 0.5 dB以内。

板载时钟解决方案包括参考振荡器和锁相环(PLL),因而无需外部时钟源。所有电源均来自Raspberry Pi平台板,该板具有超高电源抑制比(PSRR)稳压器和无源滤波功能,可使电源转换器对RF性能的影响最小化。

凭借这种高度集成的解决方案,现在小型、低成本的开源参考设计便可提供与商用台式信号发生器相媲美的大带宽和精确输出功率性能。

图 1. CN0511 功能框图

电路描述

RF 信号发生器工作原理

高频RF发生器,尤其是微波频率,传统上是利用基于锁相环(PLL)的频率合成器实现的。基于DAC的DDS技术相比PLL有多个优点:简单、低失真、高分辨率调谐,以及几乎瞬时的频率、相位和幅度调制。图2显示了典型的基于DDS的信号发生器。相位累加器和幅度正弦转换器包含数控振荡器(NCO)。调谐字应用于相位累加器,由后者确定输出斜坡的斜率。累加器的高位经过幅度正弦转换器,最终到达数模转换器。

 

图2. 典型的基于DDS的信号发生器

 

数模转换器

AD9166 是一款DC至9 GHz矢量信号发生器,它集成了6 GSPS(1x、不归零模式)DAC、8通道12.5 Gbps JESD204B数据接口、具有多个NCO的DDS以及高度可配置的数字数据路径,该路径包括插值滤波器、宽带FIR85滤波器、逆SINC补偿和数字混频器,支持灵活的频谱规划。

AD9166 DAC内核基于四开关架构,当输入采样时钟为6 GHz时,其有效DAC内核更新速率可翻倍至12 GSPS。该DAC具有-143 dBc/Hz的噪声谱密度(NSD)性能,提供5 GHz单音RF输出。无杂散动态范围在51 MHz时典型值为83 dB,在451 MHz时为66 dB,在4.051 GHz时为38 dB。

差分到单端缓冲器支持DAC内核从DC到9 GHz的整个工作范围,无需昂贵的宽带巴伦。直流耦合输出允许生成基带波形,而无需外部偏置器或类似电路。

AD9166支持归零和混频工作模式,可将操作扩展到第二、第三和第四奈奎斯特区。这些模式的SINC滚降如图3所示。典型性能参见AD9166数据手册。

 

图 3. AD9166 工作模式

 

虽然用途是通过JESD204B接口调制基带数据,但可以禁用数据输入,将DC值与NCO输出混频。这样,AD9166便可用作单芯片、DC至5.5 GHz、低失真、超低相位噪声RF信号发生器。

输出使能
 

在典型信号发生器应用中,对输出进行开/关控制非常重要,这样任何连接的敏感RF器件都不会损坏。AD9166输出可通过TX_ENABLE引脚轻松配置以使能/禁用DAC输出。

TX_ENABLE引脚还可用于其他功能,例如以更精确的时序使能或禁用DAC输出、复位NCO相位累加器,甚至使DAC的满量程电流斜坡上升(或下降)。有关TX_ENABLE功能的完整信息,请查看AD9166数据手册。

幅度和频率控制

幅度输出
 

AD9166输出是单端、50 Ω(直流)、内部端接输出,具有双极性输出级,可轻松与宽带50 Ω环境接口。等效输出电路如图4所示。输出级内部偏置和端接,无需外部偏置或端接元件,可直接连接到下游提供50 Ω接地参考负载的器件。

图4. AD9166 RFOUT等效输出电路
 

在NCO模式下,可以通过两个参数控制正弦输出的幅度:

  • DAC 输出电流 IOUTFS 是一个数字控制的电流基准,用于确定 DAC 满量程输出电流。
  • DC 测试数据字 DC_TEST_DATA 是一个 16 位数字值,在 NCO 模式下,它与 NCO 输出混频(相乘)以取代基带数据。
     

利用公式1设置ANA_FULL_SCALE_CURRENT寄存器,便可在8 mA至40 mA范围内以数字方式调整IOUTFS值。

The IOUTFS value can be adjusted digitally over an 8 mA to 40 mA range by setting the ANA_FULL_SCALE_CURRENT register.

其中:
ANA_FULL_SCALE_CURRENT为DAC模拟满量程电流调整值
IOUTFS 为AD9166的满量程输出电流,单位为mA

图 5 显示了不同 IOUTFS 和 DC_TEST_DATA 设置下AD9166 的未校准输出 ; 上方迹线对应 IOUTFS 和DC_TEST_DATA设置为最大值(分别为40 mA和32767)的情况。下方蓝色迹线对应IOUTFS设置为40 mA,但DC_TEST_DATA设置为16422的情况,导致输出功率降低6 dB。下方红色迹线对应IOUTFS设置为20 mA,DC_TEST_DATA设置为最大值32767的情况,导致输出功率降低6.02 dB。

考虑这两个参数,AD9166的峰峰值输出电压由公式2给出。

Formula to calculate the peak-to-peak output voltage of the AD9166

其中:
VOUTPP为峰峰值输出电压
DC_TEST_DATA为数字比例因子
0.8为AD9166输出放大器的增益。

然后可通过公式3计算输出(单位为dBm):

Formula to calculate the peak-to-peak output voltage of the AD9166 in dBm

当设置为40 mA时,IOUTFS的初始容差为-10.5%至+3.25%;设置为8 mA时,初始容差为-7.9%至+7.1%。为了补偿此容差,可以执行初始校准:

对于0 dBm的期望输出幅度,将DC_TEST_DATA设置为32767,然后减小IOUTFS,直至达到目标幅度。通常,这对应于16mA的IOUTFS

频带平坦度
 

有几个因素会影响CN0511频带平坦度。SINC滚降效应(如图3所示)无法避免,但可以预测。输出阻抗也随频率而变化——它在DC时标称值为50Ω,在2.24 GHz 时 为 23.91–j12.44Ω , 在 4.22 GHz 时 为11.2+j3.91Ω(有关史密斯图,请参阅AD9166数据手册)。输出阻抗的变化以及负载上的阻抗不匹配,导致输出幅度出现与频率相关的变化。

分析CN0511频率响应以确定工作频率范围内的幅度输出平坦度。在频带平坦度测试期间,使用AD9166在NCO模式下以2 MHz步进从99 MHz扫描到5.8 GHz输出频率。

图5显示了IOUTFS和DC_TEST_DATA输出功率值的不同组合所对应的几个频率扫描。可以观察到,CN0511在2 GHz以下具有相对平坦的响应,在更高频率时开始滚降,最终在5.8 GHz时输出功率降低约-6 dB。还应注意的是,图5中显示的曲线没有考虑CN0511和频谱分析仪之间的电缆损耗。

图5. AD9166未校准输出功率与频率的关系
 

输出功率校准
 

频带平坦度是信号发生器应用中的一个关键参数,因此需要执行宽带幅度校准以校正CN0511的幅度误差。以100 MHz步长扫描CN0511的整个工作频率范围,并使用RF功率计测量输出功率。对五种不同的输出功率重复此过程,对应0 dBm、-10 dBm、-20 dBm、-30 dBm、-40 dBm,以确定使CN0511输出功率响应平坦所需的校准系数。在每个频率,DC_TEST_DATA设置为所需的输出功率,相对于32767 = 0 dBm。然后增加IOUTFS,直至达到正确的输出功率。校准系数存储在板载EEPROM中,使得软件可以校正幅度误差,在0 dBm至-40 dBm范围内提供优于+/-0.5 dB的整体频带平坦度。

图6显示了典型CN0511在几种不同输出功率水平下的宽带补偿频带平坦度。

 

图6. CN0511校准输出功率与频率的关系

 

频率输出
 

AD9166的NCO功能有两种实现:

  • 一个 48 位双模 NCO 用于生成单音
  • 一个快速跳频(FFH) NCO,它由 32 个 NCO 组成,每个 NCO 都有自己的 32 位相位累加器
     

AD9166的48位主NCO用于双模模式,可实现超过48位精度的小数频率。AD9166中可编程模数函数的实现使得分数M/N可以使用公式4表示。

Implementation of the programmable modulus function within the AD9166 is such that the fraction, M/N, is expressed using Equation 4.

其中:
fCARRIER为输出频率
fDAC为DAC采样频率
X为频率调谐字寄存器中编程的值
A为累加器变化量寄存器中编程的值
B为累加器模数寄存器中编程的值
M和N为整数,其中
M < N/2
以便符合奈奎斯特采样要求。

公式4的形式暗示了一个复合频率调谐字,其中X代表整数部分,A/B代表小数部分。X、A和B是图7中模数控制逻辑的输入。使用48位模数和12 GHz fDAC时,频率分辨率为

Formula to calculate the frequency resolution 

双模数模式可进一步提高频率分辨率;有关模数NCO模式的更多信息,请查看AD9166数据手 册和应用笔记AN-953。

 

图7. 可编程模数DDS架构

 

在FFH NCO模式下,可以预加载32个频率调谐字,并且可以通过单个寄存器写操作来选择任何字。32位NCO的频率分辨率为2.79 Hz,fDAC为12 GHz。有三种跳频模式可用:相位连续、相位不连续和相位相干。借助100 MHz串行外设接口(SPI),可以实现最快260 ns的跳跃和停留时间。

图8显示了相位相干跳频。频率A被编程到一个NCO调谐字中,频率B被编程到另一个调谐字中。使能相位相干切换模式后,所有NCO相位累加器同时开始计数,并且无论当前选择哪个NCO输出,所有NCO都会继续计数。通过这种方式可以选择任何单个NCO的频率,并且它始终是相位相干的。

 

图8. 相位相干跳频示意图

 

系统时钟

ADF4372 频率合成器
 

CN0511使用 ADF4372 PLL,当与外部环路滤波器和外部参考频率一起使用时,它能实现小数N分频或整数N分频频率合成器。为实现最佳整数边界杂散和相位噪声性能,ADF4372使用REFP引脚提供的单端基准输入信号。ADF4372有一个集成VCO,使用RF8x端口可提供高达8000 MHz的基频输出频率。此外,VCO频率可进行1、2、4、8、16、32或64分频,因此用户可以在RF8x产生低至62.5 MHz的RF输出频率。

ADF4372的RF8x输出引脚对是由VCO的缓冲输出驱动的双极性(NPN)差分对的集电极;它还内置50 Ω电阻,如图9所示。为了优化功耗与输出功率要求之间的关系,差分对的尾电流是可编程的。可以设置四种电流水平,提供从−4 dBm到+5 dBm的近似输出功率水平。

图9. ADF4372 RF8x输出级
 

公式5用于对ADF4372频率合成器的RF输出频率进行编程。

Formula to program the RF output frequency of the ADF4372 synthesizer

其中:
fRFOUT为RF输出频率
INT为整数分频系数
FRAC1为小数
FRAC2为辅助小数
MOD1为固定的25位模数
MOD2为辅助模数
RF_Divider为对VCO频率进行分频的输出分频器值

fPFD为鉴频鉴相器的频率,可以使用公式6得出。

Formula to calculate the frequency of the phase frequency detector

其中:
REFIN为参考频率输入
D为REFIN倍频器位
R为参考分频系数
T为参考2分频位(0或1)

基准输入频率
 

ADF4372需要一个基准输入频率,然后对其进行倍频操作以产生6 GHz AD9166时钟。

EVAL-CN0511-RPIZ包括一个板载超低相位噪声、122.88MHz CMOS压控晶体振荡器(VCXO),其在1 MHz偏移时的相位噪声为-166 dBc/Hz。板载VCXO支持快速启动和评估CN0511,而无需额外的昂贵设备。

板载振荡器的初始容差典型值为20 ppm,适合许多测试和测量应用。如果需要更高的精度,可以通过 AD5693R 电压输出DAC调整VCXO时钟频率,实现可编程时钟微调以提高精度。

或者可以向频率调谐字添加一个偏移量,从而微调AD9166的输出频率;48位NCO分辨率提供42.6 µHz的潜在微调频率分辨率。

如果需要更低的系统噪声、更严格的频率精度或更精确的频率漂移,或者如果CN0511必须与外部设备同步,则可以将外部参考频率应用于时钟参考连接器。使用的外部时钟源不得超过500 MHz的最大基准输入频率。

AD9166 时钟参考输入
 

AD9166内置一个低抖动差分时钟接收器,能够与差分或单端时钟源直接接口。输入通过90 Ω的标称阻抗自偏置,因此建议将时钟源交流耦合到CLK±输入引脚。标称差分输入为1 Vp-p,但时钟接收器可以在250 mVp-p至2.0 Vp-p的范围内工作。

图10显示了基于ADF4372低相位噪声、低抖动PLL的AD9166时钟源。

图10. ADF4372和AD9166之间的电路连接
 

时钟源的质量以及它与AD9166时钟输入端的接口,会直接影响交流性能。应选择相位噪声和杂散特性满足目标应用要求的时钟源。时钟源指定频率偏移处的相位噪声和杂散会被直接转换为输出信号。

性能的改善还取决于外部元件的相位平衡以及内部时钟路径。工艺变化可能导致同一类型的不同器件的相位平衡不同。因此,如果需要更高水平的镜像抑制,独立校准每个系统可能是有益的。AD9166可以通过时钟相位调谐寄存器来补偿相位不平衡。最多可以将620 fF加到CLK+或CLK-上,步长为20 fF。

电源架构

当使能由Raspberry Pi供电的RF放大器时,系统功耗近6 W。图11显示了系统功率图,其中提供了有关每个开关和线性稳压器的效率和功率损耗的信息。

图11. CN0511系统电源树
 

AD9166时钟电源是器件中对噪声最敏感的电源,其中相位噪声和其他频谱内容直接调制到输出信号上。当涉及到调制进入发生器输出信号的噪声时,AD9166 DAC输出电源轨(+2.5 V和-1.2 V)及放大器电源轨(+5 V、+3.3 V和-5 V)也是需要关注的地方。

AD9166和ADF4372的电源分配如表1所示。基于系统负载要求,选择的开关稳压器是 LTM8045LTM4622ADP5073 ,实现了90%的效率。选择 ADM7150ADM7154ADP1761等低压差线性稳压器(LDO)来为DAC、放大器、PLL和VCO供电,原因是这些线性稳压器具有超低噪声和高PSRR性能,可实现尽可能好的相位噪声性能。

表1. CN-0511电源分配和消耗
RF设备 开关稳压器 线性稳压器 电源电压(V) ILOAD(mA) 功耗(W)
AD9166 LTM8045 ADM7150 5 167.8 0.84
ADM7170 3.3 87.43 0.29
ADM7154 2.5 55.4 0.14
LTM4622 (CH1) ADP1761 1.2 481.75 0.58
LTM4622 (CH2) 1.2 753 0.90
ADP5073 ADP1783 -1.2 119 0.14
ADP5073 LT3090 -5 193.3 0.97
ADF4372 LTM8045 ADM7150 5 180 0.90
ADM7154 3.3 270 0.89
   

上电顺序

AD9166电源需要按一定顺序上电以避免损坏内部电路。使用 LTC2928 上电时序控制芯片来确保CN0511以正确的顺序上电,如图12所示。

LTC2928监视和管理多达四个电压轨,分别控制其上电时间。其他监控功能包括欠压和过压监控和报告,以及CN0511系统的微处理器复位信号的产生。

使用的上电顺序是V1到V3依次上电,注意每组中的电源应一起上电和建立。在每组之内,监控建立时间最长的电源是一个很好的策略,这样可确保其中所有电源都建立至目标电压,然后下一组开始上电。CN0511应用对关断顺序没有要求。

图12. CN0511上电时序示意图
 

散热考虑

根据应用和配置,AD9166的功耗可能接近4 W。AD9166使用裸露芯片封装来降低热阻并允许芯片直接散热。使用带风扇的机械散热器来散发封装的热量。

图13和图14显示了针对CN0511参考设计进行的两种测试场景:一种是没有散热器,另一种是安装了散热器。热像仪记录的低温和高温读数是CN0511表面的工作温度。在没有散热器的情况下,ADF4372器件的最高温度读数约为86.5°C。

在安装了散热器的情况下,LTM4622显示最高温度读数约为60.6°C。

图13. CN0511未安装散热器的热性能

 

图14. CN0511安装散热器的热性能

 

软件读数也来自ADF4372和AD9166的器件结温,因为这两个器件都有片内温度传感器,其温度可通过软件读取。结温决定了ADF4372和AD9166的最高安全工作温度。

如表2所示,在没有散热器的情况下,ADF4372的最高温度为95.5°C。虽然这仍低于105°C的绝对最高工作温度,但环境温度约为25°C。环境温度较高时,必须使用散热器,以防止器件温度超过105°C。

表2. 散热总结
热测试 AD9166结温
(℃)
ADF4372结温
(℃)
CN0511无散热器 42.5 95.5
CN0511有散热器 39.4 63.5
 

在安装散热器的情况下,ADF4372的工作温度降至63.5°C(低约30°C)。安装散热器后,ADF4372的结温显著改善,这也导致相位噪声降低2 dBc/Hz至3 dBc/Hz。

布局考量

热性能与印刷电路板(PCB)设计和工作环境直接相关。为改善设计的散热性能,PCB散热焊盘上可以开散热通孔。通孔直径介于0.3 mm和0.33 mm之间,通孔管应镀以1盎司的铜。

对于这种需要极高性能和较高输出频率的应用,PCB材料的选择会显著影响结果。图15显示了PCB叠层,它在包含RF走线的层上使用Rogers 4350电介质材料,以最大限度地减少大于3 GHz的信号的衰减,并确保RF输出端的信号完整性最佳。

 

图15. CN0511 PCB横截面和叠层

 

常见变化

AD9164 可用于需要差分输出直接RF频率合成器的应用,但这要求输出侧阻抗匹配。

对于以更高频率运行的VCO(用于提供DAC时钟参考),可以使用 ADF4371 ,但会损失噪声性能。

电路评估与测试

以下部分概述一般设置和入门步骤。有关完整的逐步详细信息,请访问 CN-0511用户指南

设备要求

  • EVAL-CN0511-RPIZ
  • Raspberry PI 3B+
  • 5 V、2.5 A 电源,带 micro USB 连接器(推荐使用标准 RPI 3B+电源)
  • 16 GB MicroSD 卡(或更大)
  • ADI Kuiper Linux
  • USB 键盘和鼠标
  • HDMI 转 HDMI 线
  • 带 HDMI 输入端口的显示器
  • 公 SMA 转 SMA 电缆
  • 频谱分析仪: Keysight E5052B/R&S FSUP

 

开始使用

  1. 将 ADI Kuiper Linux 镜像加载到 micro SD 卡上。
  2. 将 micro SD 卡放入 Raspberry Pi 3B+。
  3. 使用 40 针连接器将 EVAL-CN0511-RPIZ 板连接到 Raspberry Pi 3B+上方。
  4. 将 Raspberry Pi 3B+的 HDMI 电缆插入显示器
  5. 将 USB 键盘和鼠标插入 Raspberry Pi 3B+
  6. 将 5 V、2.5 A 电源连接到 Raspberry Pi 3B+上的micro USB 连接器
  7. 将 SMA 电缆从 EVAL-CN0511-RPIZ 连接到Keysight E5052B/R&S FSUP 或等效频谱分析仪。
  8. ADI Kuiper Linux 启动后,打开 IIO 示波器应用程序。
  9. IIO 示波器随即打开 CN0511 软件插件。将频率设置为 2.5 GHz,输出幅度设置为-10 dBm,并使能输出。
  10. 使用频谱分析仪找到 2.5 GHz 输出信号,并验证其是否约为-10 dBm。

 

功能测试设置

Raspberry Pi 通过 40 针连接器 P3 连接到EVAL-CN0511-RPIZ,如图16和图17所示。

配置器件需要其他外设,例如HDMI监视器和USB有线/无线键盘和鼠标。远程访问和连接器件的另一种方法是通过LAN电缆或WLAN将器件连接到互联网。

 

图16. CN0511系统测试材料

 

 

图17. CN0511系统测试设置

 

测试结果

相位噪声是一个关键的RF信号发生器性能指标。相位噪声用载波偏移频率处测得的频谱功率密度与载波信号总功率之比表示。相位噪声是信号质量的指标。在理想的信号频谱表示中,其总能量集中在一个单一频率上。然而,真实信号具有频谱分布,其能量是分散的。信号质量越好,靠近载波处的能量就越高。

一般来说,相位噪声是指信号相位的短期随机波动,通常表示为归一化到1 Hz带宽、偏离信号频率且相对于信号幅度的值。在时域中,相位噪声表现为正弦波过零处的抖动。

时钟源的质量以及它与AD9166时钟输入端的接口,会直接影响相位噪声性能。时钟源指定频率偏移处的相位噪声和杂散会被直接转为输出信号。

表3. CN0511相位噪声测试设置
器件 器件设置
AD9166 缓冲放大器:使能
FIR85滤波器:使能
时钟采样速率:6 GHz
NCO输出频率:100 MHz、1GHz、4 GHz、5 GHz、5.5 GHz
NCO数字标度:0 dBm
 

图18显示了从EVAL-CN0511-RPIZ测量的0 dBm输出功率、单边带(SSB)相位噪声与频率偏移的关系。该曲线表明了使用板载122.88 MHz VCXO的CN0511相位噪声。

 

图18. 单边带(SSB)相位噪声与输出频率的关系

 

样片申请及购买

购买评估板

所示报价为单片价格

以上块评估板您均可以已通过 analog.com 获取。如超过单片的数量,请通过代理商进行购买。

所示报价为单片价格。所列的美国报价单仅供预算参考,指美元报价(每片美国离岸价),如有修改恕不另行通知。由于地区关税、商业税、汇率及手续费原因,国际报价可能不同。