CN0511

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。

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。

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。

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 I_OUTFS 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I_OUTFS值。

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

图 5 显示了不同 I_OUTFS 和 DC_TEST_DATA 设置下AD9166 的未校准输出 ； 上方迹线对应 I_OUTFS 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I_OUTFS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I_OUTFS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。

其中：
VOUT_PP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）：

当设置为40 mA时，I_OUTFS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I_OUTFS，直至达到目标幅度。通常，这对应于16mA的I_OUTFS。

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I_OUTFS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。

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I_OUTFS，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。

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。

其中：
f_CARRIER为输出频率
f_DAC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 f_DAC时，频率分辨率为

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。

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，f_DAC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。

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。

公式5用于对ADF4372频率合成器的RF输出频率进行编程。

其中：
f_RFOUT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

f_PFD为鉴频鉴相器的频率，可以使用公式6得出。

其中：
REF_IN为参考频率输入
D为REF_IN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。

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。

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 LTM8045、LTM4622和 ADP5073 ，实现了90%的效率。选择 ADM7150、ADM7154和 ADP1761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。

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。

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。

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。

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。