【導(dǎo)讀】當(dāng)前的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，大多要求尺寸、功耗、重量、性能。在GSPS領(lǐng)域的數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器技術(shù)（DAC）尤以性能為關(guān)鍵。本文主要闡述了元件的匹配和互連，在選擇變壓器及連接配置技巧時(shí)的規(guī)格，以及如何在GHZ級(jí)區(qū)域作業(yè)的DAC實(shí)現(xiàn)寬頻平滑阻抗轉(zhuǎn)換。
為了提供更高的清晰度，一般都認(rèn)為高頻是指超過1GHz的頻率，而高速要超過1GSPS的速度;但更重要的是，終端用戶可能會(huì)在DAC之后整合一個(gè)放大器，因此可用訊號(hào)便不那么依賴于訊號(hào)電平，而是更加地取決于雜訊和真實(shí)性。本文將討論匹配元件及其互連，并在選擇變壓器或「平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器」(巴倫;Balun)以及連接配置技巧時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵規(guī)格。最后，還將提供一些思路和最佳化技巧，說明在GHz級(jí)區(qū)域作業(yè)的DAC如何實(shí)現(xiàn)寬頻平滑阻抗轉(zhuǎn)換。
DAC的背景
DAC用途廣泛，最常見的用途包括商業(yè)和軍事通訊中的高頻復(fù)雜波形產(chǎn)生、無線基礎(chǔ)設(shè)施、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)，以及雷達(dá)和軍用干擾電子產(chǎn)品。系統(tǒng)架構(gòu)師找到合適的DAC后，必須考慮輸出匹配網(wǎng)路，以保持訊號(hào)結(jié)構(gòu)。元件選型和拓?fù)漭^從前更為重要，因?yàn)镚SPS DAC應(yīng)用要求工作在超級(jí)奈奎斯特(Nyquist)頻率下，此時(shí)所需的頻譜訊息位于第二、第叁或第四奈奎斯特區(qū)。
首先探討DAC的角色及其于訊號(hào)鏈中的位置。DAC的作用很像訊號(hào)產(chǎn)生器，它能在中心頻率(Fc)範(fàn)圍內(nèi)為復(fù)雜波形提供單音。以前，F(xiàn)c最大值位于第一奈奎斯特區(qū)中，或者是採樣頻率的一半。較新的DAC設(shè)計(jì)具有內(nèi)部時(shí)脈倍頻器，能有效地倍增第一奈奎斯特區(qū);可將其稱為「混頻模式」操作。使用混頻模式的DAC自然輸出頻率響應(yīng)具有sinx/e^(x^2 ) 曲線的形狀，如圖1所示。
系統(tǒng)架構(gòu)師可參考產(chǎn)品資料手冊(cè)，了解元件性能。很多時(shí)候，諸如功率水平和無雜散動(dòng)態(tài)範(fàn)圍(SFDR)等性能參數(shù)會(huì)給出多種頻率下的數(shù)值。明智的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可將同一個(gè)DAC應(yīng)用于上述的超奈奎斯特區(qū)中。值得注意的是，在較高頻率下(或較高區(qū)域中)預(yù)期輸出電平將會(huì)低得多，因此很多訊號(hào)鏈會(huì)在DAC之后整合一個(gè)額外的增益模組或驅(qū)動(dòng)放大器，以補(bǔ)償該損耗。
圖1：DAC Sinx/x輸出頻率響應(yīng)與混頻模式的關(guān)係。
元件考量：選擇輸出巴倫
只有終端用戶設(shè)計(jì)和測(cè)得的最佳性能GSPS DAC才是好元件。為了使高品質(zhì)DAC發(fā)揮最佳性能，應(yīng)當(dāng)只選用最好的元件。特別是關(guān)鍵電路，必須在一開始就決定好。資料手冊(cè)上的DAC性能是否提供足夠的輸出功率?是否需要主動(dòng)元件?訊號(hào)鍊是否需要從DAC差分輸出傳送至單端環(huán)境?是否需要用到變壓器或巴倫?巴倫的合適阻抗比是多少?本文將重點(diǎn)討論巴倫或變壓器的使用。
選擇巴倫時(shí)，應(yīng)仔細(xì)考慮相位和幅度不平衡。阻抗比(即電壓增益)、頻寬、插入損耗和回?fù)p同樣也是重要的性能考慮因素。採用巴倫進(jìn)行設(shè)計(jì)并不總是簡單明瞭。例如，巴倫的特性隨頻率而改變，這會(huì)使塬有預(yù)期蒙上陰影。有些巴倫對(duì)接地、佈局佈線和中心抽頭耦合敏感。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不應(yīng)完全根據(jù)巴倫資料手冊(cè)上的性能作為元件選擇的唯一基礎(chǔ)。經(jīng)驗(yàn)在這裡能夠發(fā)揮巨大作用：存在PCB寄生效應(yīng)時(shí)，巴倫以新的形式構(gòu)成外部匹配網(wǎng)路;轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部阻抗(負(fù)載)同樣成為等式的一部分。
使用單個(gè)巴倫或多個(gè)巴倫拓?fù)鋾r(shí)，還需要注意的一點(diǎn)是，佈局對(duì)于相位不平衡同樣具有重要作用。為了在高頻下保持最佳性能，佈局應(yīng)盡可能對(duì)稱。否則，走線輕微失配可能使採用巴倫的前端設(shè)計(jì)變得毫無用處，甚至使動(dòng)態(tài)範(fàn)圍受限。
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輸出匹配
依賴頻率的元件將會(huì)始終限制頻寬，如并聯(lián)電容和串聯(lián)電感。也就是說，考慮最佳化而非匹配，可能更為有效。目前，巴倫的超寬頻寬幾乎不可能「配合」多倍頻程頻譜範(fàn)圍。對(duì)以上參數(shù)的最佳化則要求對(duì)系統(tǒng)的終端應(yīng)用有深入的瞭解。例如，電路是否需要提供最大功率傳輸，而較少考慮SFDR?或者是否需要最高線性度設(shè)計(jì)，同時(shí)突出SNR和SFDR而較少考慮DAC的輸出驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度?這意味著在應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)權(quán)衡每個(gè)參數(shù)的重要性。
圖2：AD9129 DAC輸出前端功能框方塊圖
本例中，如圖2所示為AD9129 GSPS DAC輸出網(wǎng)路。該網(wǎng)路中的每個(gè)電阻和巴倫都可改變，然而隨著每個(gè)電阻值的變化，性能參數(shù)也會(huì)如表1所示發(fā)生變化。
表1：數(shù)據(jù)定義的幾種應(yīng)用案例。
讀者必須注意的是最佳元件值之間的差異非常小。巴倫元件具有最大的變化值。圖3中的數(shù)據(jù)顯示DAC寬頻雜訊輸出模式的最佳化;DAC只是在全部可用頻譜頻寬中產(chǎn)生訊號(hào)音。
圖3：寬頻雜訊模式中的DAC性能
第一個(gè)案例顯示第一奈奎斯特區(qū)的可用功率下降，而第二、第叁和第四奈奎斯特區(qū)中極有可能出現(xiàn)混疊訊號(hào)音。案例2顯示第一和第二奈奎斯特區(qū)中的輸出電平增加，以及較高奈奎斯特區(qū)中的可用功率下降。最后，案例3為最佳情況，看上去在第一和第二奈奎斯特區(qū)具有良好的輸出功率，同時(shí)相比情形1，區(qū)域3和4中的可用功率保持在最低水平。
圖4：SFDR性能對(duì)比
圖4和5顯示DAC為單音模式時(shí)的記錄數(shù)據(jù)。圖5顯示多個(gè)奈奎斯特區(qū)中不同頻率的輸出功率水平。圖4顯示各種情形與DAC輸出頻率下的SFDR。讀者應(yīng)當(dāng)對(duì)參數(shù)規(guī)劃的權(quán)衡取捨有一個(gè)更全面的了解，因?yàn)殡S著設(shè)計(jì)過程的展開，必須理解這些參數(shù)并為其實(shí)現(xiàn)最佳化。顯然，案例1可以透過更換為頻寬更寬的巴倫解決方案加以改善，即案例2。在第二奈奎斯特區(qū)獲得更高的功率水平和更佳的SFDR。此外，案例3中採用1:2寬頻巴倫，使改善后的功率水平得能夠加以保持，同時(shí)進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)的SFDR。其它重要發(fā)現(xiàn)：在1900MHz附近存在SFDR的「最有效點(diǎn)」。該性能獨(dú)立于輸出元件，這是因?yàn)镈AC存在內(nèi)部阻抗。
圖5：輸出功率水平對(duì)比
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