高速DAC宽带输出网络知识与设计

今天,对于新IC元器件和技术的需求依然以令人吃惊的速 度增长。商业和国防工业是需求增长的主要刺激因素。目 前涉及半导体行业的大部分新规格都围绕着降低尺寸 (size)、重量(weight)和功耗(power)而展开——即SWaP。在 半导体行业,我们通过不断改进的技术以及更巧妙的设计 来满足这些要求。然而,性能也是关键需求,尤其是GSPS 领域的数模转换器(DAC)技术。为了跟上这一步伐,人们 常常忽略了关键的模拟输出匹配网络。

为了提供更高的清晰度,通常认为高频是超过1 GHz的频 率,高速是超过1 GSPS的速度;更重要的是,最终用户可 能会在DAC之后集成一个放大器,因此可用信号便不那么 依赖于信号电平,而更多地依赖噪声和保真度。本文将讨 论匹配元器件及其互连, 并在选择变压器或巴伦,以及涉 及到应用连接配置技巧时重点关注关键规格。最后,本文 将提供一些思路和优化技巧,说明在GHz区域工作的DAC 如何实现宽带平滑阻抗变换。

背景信息

DAC用途广泛;最常见的用途包括:商业和军事通信中的 高频复杂波形生成、无线基础设施、自动测试设备(ATE) 以及雷达和军用干扰电子产品。系统架构师找到合适的 DAC后,必须考虑输出匹配网络,以保持信号结构。元件 选型和拓扑较之从前更为重要,因为GSPS DAC应用要求工 作在超奈奎斯特频率下,此时所需的频谱信息位于第二、 第三或第四奈奎斯特区。

预备知识

首先让我们来考察DAC的作用,及其在信号链中的位置。 DAC的作用很像信号发生器。它能在中心频率(Fc)范围内 为复杂波形提供单音。以前,Fc最大值位于第一奈奎斯特 区中,或者为采样频率的一半。较新的DAC设计具有内部 时钟倍频器,可以有效地倍增第一奈奎斯特区;可将其称 为“混频模式”操作。使用混频模式的DAC自然输出频率响 应具有sinX/e^(X2)曲线的形状,如图1所示。系统架构师可 参考产品数据手册,了解元器件性能。很多时候,诸如功 率水平和无杂散动态范围(SFDR)等性能参数会给出多种频 率下的数值。明智的系统设计人员可将同一个DAC应用于 上文所述的超奈奎斯特区中。值得注意的是,在较高频率 下(或较高区域中)预期输出电平将会低得多,因此很多信 号链会在DAC之后集成一个额外的增益模块或驱动放大 器,以补偿该损耗。

图1. DAC Sinx/x输出频率响应与混频模式的关系

元器件方面的考虑,如选择输出巴伦

只有最终用户设计和测得的最佳性能GSPS DAC才是好器 件。为了最大程度发挥高品质DAC的性能,应当只选用最 好的元器件。必须在一开始就作出重要的电路决定。数据手册上的DAC性能是否提供了足够的输出功率?是否需要 有源器件?信号链是否需要从DAC差分输出传送至单端环 境? 是否需要用到变压器或巴伦?巴伦的合适阻抗比是多 少?本文将重点讨论巴伦或变压器的使用。

选择巴伦时,应仔细考虑相位和幅度不平衡。阻抗比(电压 增益)、带宽、插入损耗和回损同样也是重要的性能考虑因 素。采用巴伦进行设计并不总是简单明了。例如,巴伦的 特性随频率而改变,这会给预期蒙上阴影。有些巴伦对接 地、布局布线和中心抽头耦合敏感。系统设计人员不应完 全根据巴伦数据手册上的性能作为器件选择的唯一基础。 经验在这里能够发挥巨大作用:存在PCB寄生效应时,巴 伦以新的形式构成外部匹配网络;转换器的内部阻抗(负 载)同样成为等式的一部分。

选择巴伦时需注意的重要特性有很多,本文不作深入讨 论。如需了解这方面的更多信息,以及如何选择正确的变 压器或巴伦,请参见本文末尾列出的参考文献1和2。

目前市场上,Anaren、HYPERLABS、Marki Microwave、 Mini-Circuits和Picosecond作为最佳解决方案,可提供最宽 的带宽。这些专利设计采用特殊拓扑,允许只采用单一器 件实现千兆区域带宽扩展,从而提供更高的平衡度。

使用单个巴伦或多个巴伦拓扑时,最后需要注意的一点 是,布局对于相位不平衡同样具有重要作用。为在高频下 保持最佳性能,布局应尽可能对称。否则,走线轻微失配 可能使采用巴伦的前端设计变得毫无用处,甚至使动态范 围受限。

输出匹配

依赖频率的元器件将会始终限制带宽,如并联电容和串联 电感。也就是说,考虑优化而非匹配,可能更为有效。今 天,巴伦的超宽带宽几乎不可能“配合”多倍频程频谱范 围。对以上参数的优化则要求对系统的最终用途有深入的 了解。例如,电路是否需要提供最大功率传输,而较少考 虑SFDR?或者是否需要最高线性度设计,同时突出SNR和 SFDR而较少考虑DAC的输出驱动强度?这意味着在应用 中,应当权衡每个参数的重要性。本例中,如图2所示为AD9129 GSPS DAC输出网络。该网络中的每个电阻和巴伦 都可改变,然而随着每个电阻值的变化,性能参数也会如 表1所示发生改变。

图2. AD9129 DAC输出前端功能框图

表1. 几种情形的数据定义
DAC优化 巴伦 R1/R2 (Ω) R3/R4 (Ω)
情形1 TC1-33-75G2 + (1:1阻抗比) DNI 50
情形2 BAL-0006SMG (1:2阻抗比) 100 50
情形3 BALH-000+SMG (1:1阻抗比) 100 50

读者需注意,最佳元器件值之间的差异非常小。巴伦元件 具有最大的变化值。下文图3中的数据显示DAC宽带噪声 输出模式的优化;DAC只是在全部可用频谱带宽中产生信 号音。最初的情形显示第一奈奎斯特区的可用功率下降, 而第二、第三和第四奈奎斯特区中极有可能出现混叠信号 音。情形2显示第一和第二奈奎斯特区中的输出电平增 加,以及较高奈奎斯特区中的可用功率下降。最后,情形 3为最佳情况,看上去在第一和第二奈奎斯特区具有良好 的输出功率,同时相比情形1,区域3和4中的可用功率保 持在最低水平。

图3. 宽带噪声模式中的DAC性能

图4和5显示DAC为单音模式时的记录数据。图5显示多个 奈奎斯特区中不同频率的输出功率水平。图4显示各种情 形与DAC输出频率下的SFDR。读者应当对参数规划的权 衡取舍有一个更全面的了解,因为随着设计过程的展开, 必须理解这些参数并对其优化。显然,情形1可以通过替 换为带宽更宽的巴伦解决方案加以改进,即情形2。在第 二奈奎斯特区获得更高的功率水平和更佳的SFDR。此外, 情形3中采用1:2宽带巴伦,则改进后的功率水平便得到了 保持,同时进一步改进了系统的SFDR。其它重要发现有: 在1900 MHz附近存在SFDR的“最有效点”。该性能独立于输 出元器件,这是因为DAC存在内部阻抗。

图4. SFDR性能对比

图5. 输出功率水平对比

结论

GSPS DAC的最新发展可让设计人员在发射信号链上略过多 个混频级,直接处理所需的RF频段。使用GSPS DAC时,必 须仔细考虑输出网络。设计高速、高分辨率转换器布局 时,不容易照顾到所有的具体特性。从DAC输出差分环境 转换至单端RF输出时,必须特别注意巴伦的选择。另外, 设计GSPS DAC输出网络时,必须注意网络的布局与拓扑; 走线宽度和长度是非常重要的参数,需加以优化。记住, 为了配合特定应用,需要满足很多参数。

参考电路

Kester, Walt,模数转换:研讨会系列,ADI公司,2004年

“优化数据转换器接口” 高速系统应用,ADI公司,2006年

作者

Jarrett Liner

Jarrett Liner

Jarrett Liner是ADI公司航空航天与防务部门(位于美国北卡罗来纳州格林斯博罗)的RF系统应用工程师,他在射频系统和器件设计方面有着丰富的经验。

此前,他是防务和航空航天领域碳化硅衬底氮化镓放大器应用工程师。其先前的经历还包括从事13年的RF IC WLAN功率放大器和前端模块的设计与测试工作。他曾作为电子技师在美国海军服役6年。Jarrett于2004年获得美国北卡罗来纳州农业技术州立大学(位于北卡罗来纳州格林斯博罗)电气工程学士学位。

当Jarrett不在实验室仿真电路或测量数据时,他可能在山地上骑自行车、在健身房教授自行车课程、跑步或者在庭院与他的四个孩子追逐嬉戏。