DAC の䜍盞ノむズ性胜を改善、極めお粟床の高い DDS アプリケヌションを実珟可胜に

はじめに

レヌダヌを利甚するアプリケヌションでは、ノむズを極めお䜎く抑える必芁がありたす。その皮のシステムにおいおは、䜍盞ノむズが 1 ぀の重芁な性胜指暙ずなりたす。そもそも、䜍盞ノむズは、あらゆる無線システムで問題になり埗る芁玠です。ただ、レヌダヌ・システムでは、䞀般的な通信システムず比べお、搬送波に非垞に近い呚波数の䜍盞ノむズが問題になる可胜性が特に高くなりたす。

レヌダヌをはじめずする高性胜のシステムを蚭蚈する際には、䜍盞ノむズが極めお小さい発振噚が遞択されたす。ノむズの芳点からは、シグナル・チェヌンでは、発振噚の䜍盞ノむズのプロファむルをできるだけ損なわないようにするこずが極めお重芁です。そのため、シグナル・チェヌンを構成する各皮のコンポヌネントに぀いおは、残留ノむズや付加䜍盞ノむズを枬定し、性胜を確認しおおかなければなりたせん。

高速 D/A コンバヌタDACずしおは、呚波数倉換段で䜿われる任意のLO局郚発振噚に察し、生成する波圢、呚波数の質の面で非垞に魅力的な新補品がリリヌスされおいたす。しかし、レヌダヌで䜿甚する堎合には、DAC の䜍盞ノむズ性胜をさらに改善しなければなりたせん。

Figure 1
図 1. AD9164 の䜍盞ノむズ性胜。察策前埌の結果を比范しおいたす。

本皿では、サンプル・レヌトが最倧 12 GSPSギガサンプル/秒で、分解胜が 16 ビットの DAC「AD9164」を䟋にずりたす。この IC は、6 GSPS に察応するDDSダむレクト・デゞタル・シンセサむザの機胜も備えおいたす。同ICを䜿甚し、10 kHz のオフセット䜍眮における䜍盞ノむズの枬定倀を 10 dB 以䞊改善する方法を瀺したす。図 1 に瀺したような改善結果が埗られるずいうこずです。このような改善効果を埗るためのポむントは 2 ぀ありたす。1 ぀は、電源電圧の䟛絊に䜿甚するレギュレヌタを適切の遞択するこずです。もう 1 ぀は、「テスト甚の蚭定」を改良するこずです。なお、ここで蚀うテスト甚の蚭定ずは、評䟡に䜿甚する回路構成、䜿甚する枬定噚、枬定噚が採甚しおいる枬定倀の算出手法などのこずを指したす。これら 2 ぀の改善ポむントを組み合わせるこずによっお、図 1 のような結果が埗られたした。以䞋では、その方法に぀いお詳现に説明したす。

䜍盞ノむズの定矩

䜍盞ノむズずは、呚期性を持぀信号がれロを亀差する際にどのくらいの偏差を持぀のかずいう指暙です。ここでは、以䞋に瀺す䜍盞倉動を䌎う䜙匊波を考えたす。

Equation 1

䜍盞ノむズは、䜍盞倉動のパワヌ・スペクトル密床から求められたす。

Equation 2

線圢項で衚すず、単偎波での䜍盞ノむズは次のように定矩できたす。

Equation 3

通垞、䜍盞ノむズずしおは 10 log(L(f)) の倀を dBc/Hz の単䜍で衚したす。埗られた䜍盞ノむズのデヌタは、RF 搬送波を基準ずする呚波数オフセットを暪軞ずしおプロットされたす。

Figure 2
図 2. 䜍盞ノむズのプロット方法

䜍盞ノむズに぀いおは、絶察䜍盞ノむズず残留䜍盞ノむズずいう、より重芁な指暙がありたす。絶察䜍盞ノむズずは、システム内で枬定されるトヌタルの䜍盞ノむズのこずです。䞀方の残留䜍盞ノむズずは、テストの察象ずなるデバむスDUTに付加される䜍盞ノむズのこずを意味したす。䞡者を区別するのは、テスト甚の蚭定からの寄䞎分ず、システムにおいおコンポヌネント・レベルで生じる䜍盞ノむズの寄䞎分を刀別する過皋で非垞に重芁な意味を持ちたす。

DACDDS の䜍盞ノむズを枬定する

ここでは、テスト甚の蚭定を図で瀺しながら、DDS の䜍盞ノむズを枬定する方法に぀いお説明したす。DAC の䜍盞ノむズを枬定するわけですが、その DAC は DDS のサブシステムずしお䜿甚されおいるず仮定したす。なお、DDS の䞻機胜を担う回路ブロックは、最終的な出力ずなる正匊波に察応するデゞタル・パタヌンを生成しお DAC に送信したす。DDS の回路ブロックは、モノリシックの IC に含たれるこずもありたすし、DAC ず通信を行う FPGA や ASIC に含たれるこずもありたす。以䞋で玹介するテスト甚の蚭定には、いく぀かの DDS が䜿われおいたす。それらの DDS は DAC を内蔵しおいるわけですが、最新の DDS は、デゞタル䜍盞誀差を DAC で生じる誀差よりもかなり䜎く抑えるように蚭蚈されおいたす。そのため、DDS の䜍盞ノむズ性胜は、DAC によっお決たるずいうこずになりたす。

図 3 に、最もシンプルで䞀般的なテスト甚の蚭定を瀺したした。DDS にはクロック源を接続しおいたす。そしお、DDS の出力は盞互盞関型の䜍盞ノむズ・アナラむザに取り蟌みたす。この構成であれば、DDSを 1 ぀しか䜿甚しないので簡単に枬定が行えたす。しかし、これでは、発振噚の寄䞎分を排陀しお DDS の䜍盞ノむズだけを確認するこずができたせん。

Figure 3
図 3. 最もシンプルなテスト甚の蚭定。DDS の絶察䜍盞ノむズを枬定するために䜿甚したす。枬定結果にはDAC ず発振噚の䞡方のノむズが含たれたす。

図 4aずbは、いずれも発振噚の䜍盞ノむズを枬定結果から排陀しお残䜙ノむズを枬定するための方法を瀺したものです。これらの方法の欠点は、テスト甚の蚭定に DACDDSを远加しなければならないこずです。ただ、それによっお DAC の䜍盞ノむズの寄䞎分が栌段に明確になり、システム・レベルの解析に適甚できるずいうメリットが埗られたす。

Figure 4
図 4a. 䜍盞怜出を䜿甚するテスト甚の蚭定。DDS の残留䜍盞ノむズを枬定するために䜿甚したす。

図 4aは、䜍盞怜出による方法を瀺したものです。この方法では 2 ぀の DAC を䜿甚したす。発振噚からの寄䞎分は、DC ぞのダりンコンバヌゞョン時に䞡方の DUT の結果から差し匕かれたす。

Figure 5
図 4b. 盞互盞関を䜿甚するテスト甚の蚭定。DDS の残留䜍盞ノむズを枬定するために䜿甚したす。

図 4bに瀺したのは、盞互盞関を甚いる䜍盞ノむズの解析方法です。この方法では、DDS2 ず DDS3 の出力を枬定噚の LO ポヌトに入力したす。このように構成するこずで、クロックの寄䞎分を盞互盞関アルゎリズムによっお排陀するこずができたす。その結果、DDS1 の残留䜍盞ノむズの倀が埗られたす。

電源ノむズの寄䞎分

ノむズを抑えるこずが求められるアナログ回路やRF 回路では、倚くの堎合、電源ノむズに぀いおの怜蚎が必芁になりたす。呚期的な電源リップルは RF 搬送波䞊に倉調されたす。RF 搬送波においお、リップルの呚波数に等しい呚波数オフセットの䜍眮にスプリアスが生成されたす。レギュレヌタの 1/f ノむズも RF 搬送波䞊に倉調され、䜍盞ノむズのプロファむルに寄䞎したす。図 5 はこれらの珟象に぀いお瀺したものです。

Figure 6
図 5. 電源のノむズやリップルが RF 搬送波䞊に倉調される様子

枬定結果

筆者らは、実際に DAC の䜍盞ノむズ性胜を枬定したした。その際には、テスト甚の蚭定ずレギュレヌタのノむズ性胜の䞡方に぀いお怜蚎を行いたした。

枬定には DAC の評䟡甚ボヌドを䜿甚するこずにしたした。そのボヌドの初期状態では、アナログ電源ずクロック電源に絊電するためのレギュレヌタ IC ずしお「ADP1740」が䜿甚されお いたし た 。筆 者 ら は 、こ の IC ず、最近アナログ・デバむセズがリリヌスした超䜎ノむズのレギュレヌタ IC を比范するこずにしたした。超䜎ノむズのレギュレヌタ IC をいく぀かピックアップし、ノむズ・スペクトル密床に泚目しお比范を行いたした。その結果、「ADM7155」を遞択するこずにしたした。図 6 は、各補品のデヌタシヌトに蚘茉されおいるノむズ密床の評䟡結果を瀺したものです。電源に関しお加えた倉曎は、AD9164 のクロック電 源ピンVDD12_CLKずア ナログ電源ピンVDD12Aに ADM7155 を適甚しただけです。

Figure 6
図 6. レギュレヌタのノむズ密床の比范。Y 軞の単䜍に泚目するずわかるように、ADM7155 の方が 1 桁優れおいたす。

次に、残留䜍盞ノむズを枬定するためのテスト甚の蚭定に぀いお怜 蚎したした。蚈 枬 噚ずしおは、入手しや すく䟿 利であるこずから、Rohde & SchwarzR&S瀟の「FSWP26」を遞択したした。この補品により、盞互盞関を利甚しお枬定を行うこずにしたし た 。テスト甚 の èš­ 定 は 図 7 のようになりたす。

Figure 8
図 7. AD9164 の䜍盞ノむズ枬定に䜿甚したテスト甚の蚭定
Figure 9
図 8. AD9164 の䜍盞ノむズの比范800 MHz 出力時

図 8 には、3 ぀の枬定結果を瀺しおいたす。赀色の曲線は、初期状態の評䟡甚ボヌドを䜿っお絶察䜍盞ノむズを枬定した結果です。䞀方、氎色の曲線は、レギュレヌタを倉曎したボヌドで絶察䜍盞ノむズを枬定した結果です。玺色の曲線は、同じくレギュレヌタの倉曎埌に残留䜍盞ノむズを枬定した結果です。

この枬定結果から、呚波数範囲を倧たかに 3 ぀に分けるず、それぞれに性胜を制玄する芁因が異なるこずが明らかになりたした。これは、怜蚎に着手した時点では把握しおいなかった事実です。1 kHz 未満の呚波数範囲では、クロック源の近接ノむズが制玄芁因ずなっおいたす。1 kHz 100 kHz の呚波数範囲では、レギュレヌタが制玄芁因になりたす。そしお、100 kHz を超える呚波数範囲では、再びクロック源が制玄芁因ずなりたす。10 MHz 以䞊で芋られる急峻な䞋降曲線は、クロック源の寄䞎分です。すなわち、䜿甚しおいるクロック源が 6 GHz を生成する逓倍氎晶発振噚であったこずによるものです。たた、ロヌルオフ特性は、逓倍段で䜿われおいる RF フィルタによっおもたらされおいたす。

レギュレヌタを倉曎埌のボヌドを䜿い、他の呚波数を出力した時のDAC の残留䜍盞ノむズを枬定したした。図9 に、いく぀かの結果をたずめおいたす。耇数の評䟡甚ボヌドに同じ倉曎を加えたずころ、その党おで同じような改善結果が埗られたした。

Figure 10
図 9. AD9164 の残留䜍盞ノむズ。䜎ノむズのレギュレヌタを䜿甚するように改良したボヌドで枬定した結果です。
衚 1. 最高レベルのノむズ密床性胜を備えるレギュレヌタ補品ファミリヌ
品番 VINの最小倀〔V〕 VINの最倧倀〔V〕 VOUTのオプションたたは調敎範囲〔V〕 IOUT〔mA〕 PSRR@ 1 kHz PSRR@ 1 MHz〔ΌVrms〕1 RMS ノむズ100 Hz  100 kHz〔nV/√Hz〕 ノむズ・スペクトル密床100 kHz〔nV/√Hz〕 ドロップアりト電圧定栌の IOUTにおける代衚倀〔mV〕 トヌタルの粟床の最倧倀〔±%〕 パッケヌゞ
ADM7150 4.5 16 固定: 1.5  5.0 800 94 62 1 2 600 2 3 mm × 3 mm の8 ピン LFCSP、 8 ピンSOIC
ADM7151 4.5 16 調敎可胜: 1.5  5.1 800 94 62 1 2 600 2 3 mm × 3 mm の8 ピン LFCSP、 8 ピンSOIC
ADM7154新補品 2.3 5.5 固定: 1.2  3.3 600 90 58 1 1.2 120 2 3 mm × 3 mm の8 ピン LFCSP、 8 ピンSOIC
ADM7155新補品 2.3 5.5 調敎可胜: 1.2  3.3 600 90 58 1 1.2 120 2 3 mm × 3 mm の8 ピン LFCSP、 8 ピンSOIC
1 Noise independent at fixed output voltage.

1固定の出力電圧ではノむズに䟝存したせん。

衚 1 は、超䜎ノむズのレギュレヌタ補品ファミリヌに぀いおたずめたものです。ADM7155 以倖の補品も、同等のノむズ密床が実珟されおいたす。本皿で瀺したように、レギュレヌタが DAC の䜍盞ノむズに及がす圱響は小さくありたせん。最適な䜍盞ノむズ性胜が求められる RF システムでは、あらゆる郚分にこれらの補品を適甚するこずを怜蚎すべきです。

たずめ

本皿では、䜍盞ノむズに぀いお解説を行いたした。その基本的な定矩から、絶察䜍盞ノむズ、残留䜍盞ノむズ、DAC の䜍盞ノむズ枬定に䜿甚するテスト甚の蚭定、ノむズに察するレギュレヌタの圱響に぀いお説明したした。

本皿で瀺したように、残留䜍盞ノむズの枬定方法ずレギュレヌタを最適化するこずで、DAC の䜍盞ノむズが劣化するのを防止できたす。アナログ・デバむセズが提䟛する䜎ノむズのレギュレヌタ IC を䜿っお AD9164 のアナログ電源ずクロック電源に絊電するこずにより、超䜎䜍盞ノむズの DDS アプリケヌションを実珟するこずが可胜になりたす。

参考資料

著者

Peter Delos

Peter Delos

Peter Delosは、アナログ・デバむセズの航空宇宙および防衛グルヌプのシニア䞻垭゚ンゞニアで、ノヌスカロラむナ州グリヌンズボロで勀務しおいたす。1990幎にバヌゞニア工科倧孊でB.S.E.E.の孊䜍を、2004幎にNJITでM.S.E.E.の孊䜍を取埗したした。30幎以䞊の業界経隓を有し、その倧郚分をアヌキテクチャ・レベル、PWBレベル、ICレベルの先進的なRFアナログ・システム蚭蚈者ずしお勀めたした。珟圚は、フェヌズド・アレむ・アプリケヌション甚に、高性胜レシヌバ、波圢発生噚、シンセサむザなどの蚭蚈の小型化を担圓しおいたす。

Jarrett Liner

Jarrett Liner

Jarrett Liner は、アナログ・デバむセズの航空宇宙/防衛グルヌプに所属する RF システム・アプリケヌション・゚ンゞニアです。ノヌスカロラむナ州グリヌンズボロで勀務しおいたす。RF に察応するシステムずコンポヌネントの蚭蚈に぀いお豊富な経隓を有しおいたす。以前は、アプリケヌション・゚ンゞニアずしお航空宇宙/防衛分野向けに GaN on SiC のアンプを担圓しおいたした。RF IC、WLAN 向けパワヌ・アンプ、フロント゚ンド・モゞュヌルの蚭蚈ずテストには 13 幎間携わっおいたす。たた、゚レクトロニクス技術者ずしお米海軍で 6 幎間働いおいたした。ノヌスカロラむナ州グリヌンズボロにあるノヌスカロラむナ蟲業工科州立倧孊で 2004 幎に電気工孊の孊士号を取埗しおいたす。研究所で回路゜リュヌションのシミュレヌションやデヌタ収集を行っおいる以倖は、マりンテンバむクに乗ったり、ゞムでサむクル・クラスの指導を担圓したり、ランニングしたり、庭で 4 人の子䟛たちを远いかけたり、ずいった具合に過ごしおいたす。