理解和設(shè)計(jì)高速D/A轉(zhuǎn)換器的寬帶輸出網(wǎng)絡(luò)

今天，對(duì)于新IC元器件和技術(shù)的需求依然以令人吃驚的速度增長(zhǎng)。商業(yè)和國(guó)防工業(yè)是需求增長(zhǎng)的主要刺激因素。目前涉及半導(dǎo)體行業(yè)的大部分新規(guī)格都圍繞著降低尺寸(size)、重量(weight)和功耗(power)而展開(kāi)--即SWaP.在半導(dǎo)體行業(yè)，我們通過(guò)不斷改進(jìn)的技術(shù)以及更巧妙的設(shè)計(jì)來(lái)滿足這些要求。然而，性能也是關(guān)鍵需求，尤其是GSPS領(lǐng)域的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)技術(shù)。為了跟上這一步伐，人們常常忽略了關(guān)鍵的模擬輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。

為了提供更高的清晰度，通常認(rèn)為高頻是超過(guò)1 GHz的頻率，高速是超過(guò)1 GSPS的速度;更重要的是，最終用戶可能會(huì)在DAC之后集成一個(gè)放大器，因此可用信號(hào)便不那么依賴于信號(hào)電平，而更多地依賴噪聲和保真度。本文將討論匹配元器件及其互連， 并在選擇變壓器或巴倫，以及涉及到應(yīng)用連接配置技巧時(shí)重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵規(guī)格。最后，本文將提供一些思路和優(yōu)化技巧，說(shuō)明在GHz區(qū)域工作的DAC如何實(shí)現(xiàn)寬帶平滑阻抗變換。

背景信息

DAC用途廣泛，最常見(jiàn)的用途包括：商業(yè)和軍事通信中的高頻復(fù)雜波形生成、無(wú)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)絡(luò)，以保持信號(hào)結(jié)構(gòu)。元件選型和拓?fù)漭^之從前更為重要，因?yàn)镚SPS DAC應(yīng)用要求工作在超奈奎斯特頻率下，此時(shí)所需的頻譜信息位于第二、第三或第四奈奎斯特區(qū)。

預(yù)備知識(shí)

首先讓我們來(lái)考察DAC的作用，及其在信號(hào)鏈中的位置。DAC的作用很像信號(hào)發(fā)生器。 它能在中心頻率(Fc)范圍內(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，或者為采樣頻率的一半。較新的DAC設(shè)計(jì)具有內(nèi)部時(shí)鐘倍頻器，可以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)品數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解元器件性能。很多時(shí)候，諸如功率水平和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(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)用于上文所述的超奈奎斯特區(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，因此很多信號(hào)鏈會(huì)在DAC之后集成一個(gè)額外的增益模塊或驅(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)系

元器件方面的考慮，如選擇輸出巴倫

只有最終用戶設(shè)計(jì)和測(cè)得的最佳性能GSPS DAC才是好器件。為了最大程度發(fā)揮高品質(zhì)DAC的性能，應(yīng)當(dāng)只選用最好的元器件。必須在一開(kāi)始就作出重要的電路決定。 數(shù)據(jù)手冊(cè)上的DAC性能是否提供了足夠的輸出功率?是否需要有源器件?信號(hào)鏈?zhǔn)欠裥枰獜腄AC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1.阻抗比(即電壓增益)、帶寬、插入損耗和回?fù)p同樣也是重要的性能考慮因素。 采用巴倫進(jìn)行設(shè)計(jì)并不總是簡(jiǎn)單明了。例如，巴倫的特性隨頻率而改變，這會(huì)給預(yù)期蒙上陰影。有些巴倫對(duì)接地、布局布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)巴倫數(shù)據(jù)手冊(cè)上的性能作為器件選擇的唯一基礎(chǔ)。經(jīng)驗(yàn)在這里能夠發(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)絡(luò);轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部阻抗(負(fù)載)同樣成為等式的一部分。

選擇巴倫時(shí)需注意的重要特性有很多，本文不作深入討論。

目前市場(chǎng)上，Anaren、Hyperlabs、Marki Microwave、MiniCircuits和Picosecond作為最佳解決方案，可提供最寬的帶寬。這些專利設(shè)計(jì)采用特殊拓?fù)?，允許只采用單一器件實(shí)現(xiàn)千兆區(qū)域帶寬擴(kuò)展，從而提供更高的平衡度。

使用單個(gè)巴倫或多個(gè)巴倫拓?fù)鋾r(shí)，最后需要注意的一點(diǎn)是，布局對(duì)于相位不平衡同樣具有重要作用。 為在高頻下保持最佳性能，布局應(yīng)盡可能對(duì)稱。否則，走線輕微失配可能使采用巴倫的前端設(shè)計(jì)變得毫無(wú)用處，甚至使動(dòng)態(tài)范圍受限。

輸出匹配

依賴頻率的元器件將會(huì)始終限制帶寬，如并聯(lián)電容和串聯(lián)電感。也就是說(shuō)，考慮優(yōu)化而非匹配，可能更為有效。今天，巴倫的超寬帶寬幾乎不可能“配合”多倍頻程頻譜范圍。對(duì)以上參數(shù)的優(yōu)化則要求對(duì)系統(tǒng)的最終用途有深入的了解。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。

本例中，如圖2所示為AD9129 GSPS DAC輸出網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)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)生改變。

圖2: AD9129 DAC輸出前端功能框圖

表1: 幾種情形的數(shù)據(jù)定義

讀者需注意，最佳元器件值之間的差異非常小。巴倫元件具有最大的變化值。下文圖3中的數(shù)據(jù)顯示DAC寬帶噪聲輸出模式的優(yōu)化;DAC只是在全部可用頻譜帶寬中產(chǎn)生信號(hào)音。

最初的情形顯示第一奈奎斯特區(qū)的可用功率下降，而第二、第三和第四奈奎斯特區(qū)中極有可能出現(xiàn)混疊信號(hào)音。情形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，情形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3: 寬帶噪聲模式中的DAC性能

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)衡取舍有一個(gè)更全面的了解，因?yàn)殡S著設(shè)計(jì)過(guò)程的展開(kāi)，必須理解這些參數(shù)并對(duì)其優(yōu)化。顯然，情形1可以通過(guò)替換為帶寬更寬的巴倫解決方案加以改進(jìn)，即情形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，情形3中采用1:2寬帶巴倫，則改進(jìn)后的功率水平便得到了保持，同時(shí)進(jìn)一步改進(jìn)了系統(tǒng)的SFDR。其它重要發(fā)現(xiàn)有：在1900MHz附近存在SFDR的“最有效點(diǎn)”。該性能獨(dú)立于輸出元器件，這是因?yàn)镈AC存在內(nèi)部阻抗。

圖4: SFDR性能對(duì)比

圖5: 輸出功率水平對(duì)比

結(jié)論

GSPS DAC的最新發(fā)展可讓設(shè)計(jì)人員在發(fā)射信號(hào)鏈上略過(guò)多個(gè)混頻級(jí)，直接處理所需的RF頻段。使用GSPS DAC時(shí)，必須仔細(xì)考慮輸出網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)高速、高分辨率轉(zhuǎn)換器布局時(shí)，不容易照顧到所有的具體特性。從DAC輸出差分環(huán)境轉(zhuǎn)換至單端RF輸出時(shí)，必須特別注意巴倫的選擇。

另外，設(shè)計(jì)GSPS DAC輸出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須注意網(wǎng)絡(luò)的布局與拓?fù)?走線寬度和長(zhǎng)度是非常重要的參數(shù)，需加以優(yōu)化。記住，為了“配合”特定應(yīng)用，需要滿足很多參數(shù)。