Свч ацп: Впереди планеты всей. АЦП/ЦАП гигагерцового диапазона / Хабр

Впереди планеты всей. АЦП/ЦАП гигагерцового диапазона / Хабр

Развитие электроники идет по нескольким направлениям. Одно из них — увеличение рабочих частот. И если лет 10-15 назад АЦП/ЦАП можно было встретить лишь в трактах ПЧ, то сейчас возможно производить прямую оцифровку СВЧ сигналов до 4 ГГц, а их прямой синтез — до 24 ГГц. Одним из бесспорных лидеров рынка в этом сегменте является подразделение компании Teledyne E2V, которая успешно конкурирует с аналогичными продуктами компаний Analog Devices и Texas Instruments.

Подразделение Teledyne E2V производящее АЦП/ЦАП располагается в Grenoble, France. Как известно, для поставки высокотехнологичных микросхем как правило нужна лицензия. АЦП/ЦАП тут не исключение, хотя некоторые 8-ми / 10-ти битные модели поставляются и без нее. В любом случае, получить европейскую лицензию обычно существенно легче, нежели американскую.

Рассмотрим же ряд иноваций и применений для продуктов этой компании.

1. Одно ядро — значит одно ядро !

Одним из способов увеличения скорости работы АЦП является чередование каналов (interleaving). Но, все в этой жизни имеет свою цену. Обычно это приводит к возникновению паразитных составляющих в спектре. Поэтому некоторые недобросовестные производители об этом умалчивают. Но это не Teledyne E2V !

Рис. 1 Паразитные составляющие при чередовании каналов

В ряде приложений это может не иметь большого значения. Но, например в радарных применениях эти паразитные составляющие обычно видны как мнимые цели, что критично.

Рис. 2 Мнимые цели

2. Интерфейс ESIstream

Компания Teledyne E2V выпускает АЦП/ЦАП с интерфейсом ESIstream. Справедливо считая, что у него есть масса преимуществ по сравнению с распространенным стандартом JESD204. Они приведены в таблице ниже.

Таблица 1 Сравнение ESIstrem и JESD204

	ESIstream	JESD204
Эффективность	Заголовки 12. 5%	Заголовки 25%
Упрощенная реализация	Спецификация 10 страниц	Спецификация 160 страниц
Требуется логических элементов	1000	8000
Меньше задержка	40 нс на весь линк	Зависит от LMFC синхронизации. Может меняться при каждом включении питания
Синхронизация	медленная PRBS	нужен внешний SYNC
Исходный код	Доступен на esistream.com	В ряде случаев является интеллектуальной собственностью

3. Последовательная синхронизация

Для работы скоростного АЦП обычно требуется два синхронных сигнала: тактовый, который нужен для работы ядра, и сигнал синхронизации, который нужен для УВХ. Одно это требует тщательного проектирования печатной платы (ПП) с учетом возникающих на ней задержек распространения.

Представьте, насколько все усложняется в многоканальной системе, когда необходимо оцифровать синхронно несколько сигналов. Например в антенной фазовой решетке. Для этого случая комания Teledyne E2V вместо параллельных сигналов синхронизации использует специальную кодовую последовательность, которая передается последовательно от АЦП к АЦП и обеспечивает их синхронизацию, независимо от топологии ПП.

Рис. 3 Последовательная синхронизация

4. Сколько бит выбрать, или коварный ENOB

ENOB -> (Effecive Number of Bits), или эффективное число бит, важный параметр АЦП, особенно на больших скоростях. Казалось бы, понятно что 12 лучше чем 10, а 10 чем 8. Но это не всегда так, особенно если сравнивать скоростные АЦП разных производителей. На рисунке ниже проведено сравнение ENOB от частоты для EV12AD550 (12 бит) и ADC12D1600 (12 бит). Условия сравнения строго говоря неизвестны, но, вполне возможна ситуация, когда ENOB у 12-ти битного АЦП будет как 10-ти битного или близко к нему. Что, вообще говоря, может быть обидно — стоят то они по разному.

Рис. 4 ENOB в зависимости от частоты

5. О зонах Найквиста замолвите слово

У дискретных систем есть интересное свойство, а именно стробоскопический эффект, когда быстро меняющийся сигнал воспринимается как медленный. Все видели медленно вращающиеся блики на колесах автомобиля, или же почти застывшие лопасти вертолета на видеозаписи. Все дело в наложении частот, когда объект вращается почти кратно к частоте кадра.

В случае с ЦАП, выходной сигнал можно сформировать таким образом, что он будет содержать гармоники порядка N. Лишь бы полоса выходного усилителя ЦАП позволяла, да стоял бы затем соответствующий фильтр. Понятно, что они будут меньше по амплитуде, но в ряде случаев ее вполне достаточно для прямого синеза СВЧ сигналов. Аж до 8-й зоны Найквиста, как говорит нам компания Teledyne E2V. Дело в том, что выход ЦАП может работать в 4-х различных режимах: NRZ, когда выходное напряжение меняется только в момент смены состояния; RTZ, когда генерируется однополярный короткий импульс заданной амплитуды; NRTZ- по сути рзновидность предыдущего и RF, когда генерируется пара коротких разнополярных импульсов заданной ЦАП амплитуды. При этом зоны Найквиста, как мы видим, распределяются по разному.

Рис. 5 Зоны Найквиста

Ниже приведен спектр сигнала около 12 ГГц, полученный данным способом. Его SFDR (Spurious Free Dynamic Range) около 50 дБн — вполне достаточно для многих применений.

Рис. 6 Сигнал 12 ГГц

Аналогичный подход можно использовать и при приеме, для синусоидальных или же повторяющихся импульсных сигналов, даже при больших значениях N.

6. Прямое преобразование вниз

Пример такого преобразования из 2-й зоны Найквиста показан на рисунке ниже.

Рис. 7 Прямое преобразование вниз для L-диапазона

7. Отладки

Пока еще гигагерцовые АЦП/ЦАП удовольствие не дешевое. Помимо сложной обвязки, как правило их использование подразумевает совместную работу с высокопроизводительными цифровыми системами SOC/FPGA. Например, такими как Altera, Xilinx или Lattice.

Для облегчения жизни разработчикам, и получения быстрого результата Teledyne E2V предлагает уже готовые демо-киты. Выглядят они, прямо скажем, несколько фантастично. Стоят наверно тоже. Хотя по любому видимо это будет дешевле, нежели сваять самому.

Рис. 8 Демо-кит FPGA Board EV12AD600

За сим желаю всем доброго здравия, и успешного применения гигагерцовых АЦП/ЦАП в своих проектах.

Сверхскоростные одноканальные АЦП фирм Texas Instruments и National Semiconductor

Семейство сверхскоростных одноканальных АЦП фирм TI и NS

Еще совсем недавно усиление или генерация синусоидальных сигналов с частотой в несколько ГГц были сложной и престижной задачей. Но сегодня сигналы такой частоты нередко носят несинусоидальный характер и нуждаются как во всестороннем исследовании, так и в оперативной обработке. Для этого нужны аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) высокого быстродействия. В разработке сверхскоростных АЦП свои усилия объединили крупные фирмы мирового значения TI [1] и NS [2].

Основные параметры скоростных АЦП:

• Разрядность (бит).
• Частота (скорость) выборки FS (Гвыб./c).
• Число каналов N.
• SNR (Signal-to-Noise Ratio) — отношение сигнал/шум (дБ).
• SFDR (Spurious-Free Dynamic Range) — свободный от ошибок динамический диапазон.
• THD (Total Harmonic Distortion) — общие гармонические искажения.
• Напряжение питания (1,8 В у описанных в этой статье преобразователей).
• Потребляемая мощность (мВт).
• Тип корпуса, его размеры, масса.
• Рабочий температурный диапазон и т. д.

К скоростным АЦП корпораций TI и NS относят преобразователи со скоростью выборки свыше 10 Мвыб. /c. Но мы рассмотрим сверхскоростные АЦП со скоростью выборки в сотни раз выше и достигающей 3 Гвыб./c. Разработка таких АЦП стала возможна благодаря развитию микроэлектроники и схемотехники. Эти микросхемы создаются на основе кремниевой технологии.

В таблице приведены основные параметры одноканальных АЦП фирм TI и NS со скоростью выборки от 1 до 3 Гвыб./c. Всего на данный момент серийно выпускается шесть моделей таких преобразователей. Гораздо больше выпускается двухканальных АЦП, но они заслуживают отдельного разговора.

Таблица. Основные параметры сверхскоростных АЦП фирм TI и NS

Тип АЦП	Разрядность, бит	Скорость выборки, Гвыб./c	Количество каналов	SNR, дБ	SFDR, дБ	Мощность, мВт
ADS5400-SP	12	1	1	58,5	72	2200
ADS5400	12	1		59,1	75	2200
ADC083000	8	3		45,3	57	1900
ADC08B3000	8	3		45,3	55,4	1600
ADC081000	8	1		48	58,5	1430
ADC081500	8	1,5		47	56	1200

Экономичные сверхскоростные АЦП ADC081000

Одноканальный АЦП ADC081000 имеет разрешение 8 бит и максимальную частоту преобразования в 1 Гвыб/c при потребляемой мощности всего 1,43 Вт. Функциональная диаграмма микросхемы ADC081000 преобразователя показана на рис. 1. Помимо самого АЦП, микросхема содержит источник опорного напряжения VREF, канал опорной частоты с делителем частоты на 2, индикатор выхода за заданные пределы и демультиплексор. Есть встроенная система самокалибровки.

Рис. 1. Функциональная диаграмма микросхемы ADC081000

Микросхема выполнена в корпусе NVX128, имеющем 128 выводов и размеры 20×20×1,1 мм. Внешний вид корпуса и наименования его выводов показаны на рис. 2.

Рис. 2. Корпус микросхемы ADC081000

Основные параметры микросхемы ADC081000:

• Работа от одного источника питания +1,9 ±0,1 В.
• Разрешение: 8 бит.
• Максимальная скорость преобразования: 1 Гвыб./с.
• Потребляемая от источника питания мощность: 1,45 Вт (тип.).
• Мощность в режиме отключения: 9 мВт (тип.).
• Температурный диапазон (коммерческий вариант): от –40 до +85 °C.
• Корпус с 128 выводами.
• Входное напряжение: от 600 до 800 мВ п-п (от пика до пика).
• Входная емкость: каждого входа — 1,6 пФ, между входами — 0,02 пФ.
• Входное дифференциальное сопротивление: 100 Ом.
• Напряжение тактовых импульсов на дифференциальном входе CLK: от 0,6 до 2 В п-п.

АЦП имеют передаточную характеристику, то есть зависимость напряжения на выходе (в напряжение пересчитываются коды АЦП) от разности напряжения на его дифференциальных входах. В первом приближении эта зависимость линейная, а точнее линейно-ступенчатая. Для микросхемы ADC081000 она показана на рис. 3. Число ступенек составляет 2^N, где N — число битов разрядности. Например, для 8-битового АЦП оно равно 2⁸ = 256.

Рис. 3. Передаточная характеристика АЦП

Временная диаграмма работы АЦП — микросхемы ADC081000 — показана на рис. 4. Она, естественно, привязана к последовательности тактовых импульсов. Более детальные временные диаграммы работы можно найти в документации на ту или иную конкретную модель преобразователя.

Рис. 4. Временная диаграмма работы микросхемы ADC081000

АЦП имеет десятки характеристик, они приведены в его техническом описании (Datasheet), которое размещено на сайтах фирм TI [1] и NS [2]. На рис. 5 показаны графики зависимости искажений синусоидального сигнала от температуры и напряжения источника питания. Степень искажений оценивается в дБ. Например, общий коэффициент гармоник THD вычисляется как:

Рис. 5. Зависимость искажений синусоидального сигнала от температуры и напряжения источника питания

Часто искажения АЦП оцениваются спектром его выходного сигнала при подаче на вход синусоидального напряжения с заданной частотой. В спектре, помимо линии самого сигнала, могут присутствовать шумы и линии так называемых фундаментальных гармоник, то есть гармоник входного сигнала, сигнала частоты преобразования и их интермодуляционных продуктов. Полоска внизу спектра позволяет оценить шум АЦП (рис. 6), его частотную равномерность, наличие отдельных пиков и т. д.

Рис. 6. Спектр выходного сигнала при подаче на вход синусоидального сигнала

АЦП питается напряжением +1,9 ±0,1 В и потребляет малую (для таких устройств) мощность от источника питания. Разреше-ние в 8 бит позволяет использовать АЦП в цифровых запоминающих осциллографах, различных радиочастотных преобразователях, спутниковых и коммутационных системах и аппаратуре тестирования компонентов.

Подача сигналов на вход сверхскоростного АЦП

Как правило, все сверхскоростные АЦП имеют симметричный дифференциальный вход, позволяющий передавать широкополосные сигналы через линии передачи типа витой пары или сдвоенного коаксиального кабеля. Большим достоинством таких линий передачи является их высокая защищенность от помех, имеющих обычно синфазный характер и подавляемых дифференциальными входными цепями АЦП. Симметричный входной сигнал подается прямо на входы АЦП, обычно через разделительные конденсаторы.

Если входной сигнал несимметричный, то, как правило, необходимо применять специальное согласующее устройство, превращающее несимметричный сигнал в симметричный. Если сигнал не содержит постоянную составляющую, то устройство преобразования может быть построено на основе широкополосного трансформатора (рис. 7). Хорошим решением является применение сверхширокополосного трансформатора на отрезках линий передачи.

Рис. 7. Схема преобразования несимметричного радиосигнала в симметричный, подаваемый на дифференциальный вход АЦП

Более совершенным является устройство на базе операционного усилителя, показанное на рис. 8. В данном случае использован экранированный сверхширокополосный операционный усилитель LMH6555 фирмы NS.

Рис. 8. Схема подключения к источнику сигнала через согласующий усилитель на основе операционного усилителя

Часто источник входного сигнала удален от АЦП и согласующей цепи. В этом случае для защиты от помех подача сигнала осуществляется через экранированный (обычно коаксиальный) кабель. Но это увеличивает паразитную емкость входной цепи и снижает полосу частот АЦП. Второй операционный усилитель (внизу на рис.  8) устраняет этот недостаток. Он используется как повторитель напряжения, подающий на экран (а иногда и на оболочку кабеля) сигнал с выхода VCMO АЦП.

Хотя в самой микросхеме предусмотрены меры по защите от импульсных выбросов источника питания, все же желательно применять источники с малым уровнем пульсаций и особенно импульсных помех. Рекомендуется подавать питание на АЦП от обычного линейного стабилизатора напряжения, подобного тому, что показан на рис. 9.

Рис. 9. Схема стабилизатора питающего напряжения, устраняющая его выбросы (пики)

Экономичный АЦП ADC081500 со скоростью преобразования 1,5 Гвыб./c

Микросхема ADC081500 (рис. 10) — это сверхскоростной одноканальный 8-битовый АЦП со скоростью преобразования 1,5 Гвыб./c и потребляемой от источника питания мощностью всего в 1,2 Вт. По отношению скорости преобразования к потребляемой мощности он значительно превосходит описанную ранее микросхему. Это большое преимущество данного АЦП при его использовании в портативных устройствах с батарейным и аккумуляторным питанием.

Рис. 10. Функциональная диаграмма микросхемы ADC081500

Зависимость SNR и коэффициента гармонических искажений THD от частоты входного сигнала показана на рис. 11. Графики имеют малую изрезанность кривых, что является признаком отработанности технологии.

Рис. 11. Зависимость SNR и коэффициента гармонических искажений THD от частоты входного сигнала

На рис. 12 показана зависимость коэффициента передачи от частоты входного сигнала. Этот график обобщенно характеризует АЦП как квазилинейную систему со свойствами фильтра нижних частот.

Рис. 12. Зависимость коэффициента передачи от частоты входного сигнала

Спектры АЦП на разной частоте входного сигнала и преобразования показаны на рис. 13. Можно заметить малый уровень шума и практически полное отсутствие линий спектра, кроме тех, что представляют входной сигнал.

Рис. 13. Спектры АЦП на разной частоте входного сигнала и преобразования

Сверхскоростные 8-битовые АЦП ADC083000 и ADC08B3000 со скоростью преобразования до 3 Гвыб.

/с

Микросхема ADC083000 — самая скоростная из одноканальных АЦП: скорость выборки у нее достигает 3 Гвыб./c. Столь высокая скорость преобразования достигнута путем применения двух 1,5-ГГц АЦП (рис. 14), работающих «параллельно» с одним входным дифференциальным сигналом. Перед каждым из АЦП установлен буферный усилитель. Внизу на рис. 14 показан блок логики, управляющий работой всех узлов преобразователя. Естественно, он значительно сложнее, чем у ранее описанных АЦП.

Рис. 14. Функциональная диаграмма микросхемы ADC083000

Одна из временных диаграмм работы этого АЦП представлена на рис. 15. Вообще такой АЦП характеризуется множеством диаграмм, которые приведены в документации на него.

Рис. 15. Временные диаграммы работы микросхемы ADC083000

АЦП использует последовательный порт. Диаграмма работы этого порта для микросхемы ADC083000 показана на рис. 16. Подобные диаграммы характерны и для других моделей АЦП.

Рис. 16. Временные диаграммы последовательного порта микросхемы ADC083000

Графики частотной зависимости отношения сигнал/шум (SNR) и гармонических искажений (THD) показаны на рис.  17. Их малый уровень свидетельствует о малых искажениях АЦП, связанных с собственными шумами и нелинейностью.

Рис. 17. Частотная зависимость отношения сигнал/шум (SNR) и гармонических искажений (THD)

Спектр микросхемы ADC083000 представлен на рис. 18. Спектр демонстрирует малый уровень шумов, но и большое число паразитных линий спектра.

Рис. 18. Спектр микросхемы ADC083000

Зависимость коэффициента передачи от частоты входного сигнала для микросхемы ADC083000 приведена на рис. 19. Даже на частоте вблизи 3 ГГц линия этой зависимости проходит заметно выше уровня –3 дБ.

Рис. 19. Зависимость коэффициента передачи от частоты входного сигнала для микросхемы ADC083000

Еще одна микросхема АЦП этого класса — ADC08B3000 — имеет в обозначении букву «B», что указывает на наличие на выходах АЦП буфера (рис. 20). Буфер имеет небольшую емкость, около 4 кбайт. Временные диаграммы работы буфера описаны в документации на этот АЦП.

Рис. 20. Функциональная диаграмма микросхемы ADC08B3000

Зависимость коэффициента передачи от частоты входного сигнала для микросхемы ADC08B3000 показана на рис.  21. Буфер заметно сглаживает эту важную зависимость.

Рис. 21. Зависимость коэффициента передачи от частоты входного сигнала для микросхемы ADC08B3000

Новый 12-битовый сверхскоростной АЦП ADS5400-SP с аналоговым буфером

Описанные выше АЦП имели невысокую разрядность — 8 бит, что соответствует 256 значениям выходного кода. При такой разрядности дискретизация сигнала отчетливо видна на его осциллограммах. Это знают все пользователи массовых цифровых осциллографов. В связи с этим постоянно возникает необходимость в АЦП более высокого разрешения с более высокой разрядностью. Фирма TI, понимая это, разработала и выпустила первые 12-битовые сверхскоростные АЦП — ADS5400-SP и ADS5400.

Отметим некоторые параметры микросхемы ADS5400-SP:

• Частота дискретизации (преобразования): 1 ГГц.
• Максимальная частота входного сигнала: 2,1 ГГц.
• Разрядность: 12 бит.
• SFDR = 65 дБc на частоте 1,2 ГГц.
• SNR = 57 дБ FS на частоте 1,2 ГГц.
• Семь тактовых циклов Latency.
• Дифференциальный вход с напряжением 1,5–2 В п-п (программируемым).
• Совместимый с LVDS выход с одной или двумя шинами.
• Потребляемая от источника питания мощность: 2,2 Вт.
• Встроенный аналоговый буфер.
• Керамический 100-выводный корпус.
• Рабочий температурный диапазон для аппаратуры военного назначения: от –55 до +125 °C.

На рис. 22 представлена функциональная диаграмма микросхемы ADS5400-SP. Из принципиально новых ее элементов следует отметить буфер на входе внутреннего АЦП. Он выполняет функцию Trace and Hold (TH), существенно корректирующую и расширяющую АЧХ АЦП. В результате АЧХ может иметь полосу частот, значительно превосходящую половину частоты дискретизации (FS/2).

Рис. 22. Функциональная диаграмма микросхемы ADS5400-SP

Упрощенный вид корпуса микросхемы ADS5400-SP с указанием назначения его выводов представлен на рис. 23, а чертеж корпуса с указанием его размеров дан на рис. 24.

Рис. 23. Корпус микросхемы ADS5400-SP сверху и назначение выводов

Рис. 24. Чертеж корпуса микросхемы ADS5400-SP

Зависимость параметров SNR и SFDR от частоты преобразований и частоты входного сигнала показана на рис. 25 и 26. Это контурные графики, дающие хорошее представление о тонкостях отображаемой зависимости — особенно граничных линий, разделяющих различные области графиков. В то же время нужно отметить, что главный параметр оценивается по цвету графика, то есть с не очень высокой точностью.

Рис. 25. Зависимость отношения SNR от частоты преобразований и частоты входного сигнала

Рис. 26. Зависимость SFDR от частоты преобразований и частоты входного сигнала

Спектр АЦП следует оценивать на различной частоте входного сигнала. Графики спектра при четырех значениях частоты входного сигнала попарно даны на рис. 27 и 28.

Рис. 27. Спектр микросхемы ADS5400-SP при частоте входного сигнала 250 и 900 МГц

Рис. 28. Спектр микросхемы ADS5400-SP при частоте входного сигнала 1,3 и 1,7 ГГц

Зависимость дифференциальной и интегральной нелинейности от выходных кодов микросхемы ADS5400-SP при частоте преобразований 1 ГГц показана на рис.  29.

Рис. 29. Зависимость от выходных кодов микросхемы ADS5400-SP при частоте преобразований 1 ГГц: а) дифференциальной нелинейности; б) интегральной нелинейности

Для оценки полосы частот АЦП при малых сигналах можно использовать график зависимости, показанный на рис. 30. Фактически это АЧХ АЦП при его малосигнальном приближении. Еще раз отметим, что у данного типа АЦП полоса частот входного сигнала может заметно превышать половину максимальной частоты дискретизации.

Рис. 30. Зависимость нормированного коэффициента передачи микросхемы ADS5400-SP от частоты входного сигнала

Конфигурация аналоговых входов микросхемы ADS5400-SP представлена на рис. 31. Микросхема содержит квазидифференциальный буфер, выполненный на биполярных транзисторах, и встроенное устройство Simple and Hold. В целом это реализует метод Trace and Hold (слежение с приостановкой), существенно улучшающий динамические показатели АЦП.

Рис. 31. Конфигурация аналоговых входов микросхемы ADS5400-SP

Вход АЦП реализован как симметричный. Если нужно работать с несимметричным сигналом, можно использовать схему, представленную на рис. 32.

Рис. 32. Схема подачи на микросхему ADS5400-SP несимметричного сигнала

Сверхскоростные АЦП требуют тактовых импульсов со сверхвысокой частотой. Реализованная в микросхеме ADS5400-SP конфигурация входов тактовых импульсов представлена на рис. 33. При несимметричном источнике тактовых импульсов можно использовать схему их подачи на АЦП, показанную на рис. 34.

Рис. 33. Конфигурация входов тактовых импульсов

Рис. 34. Пример подачи несимметричных тактовых импульсов

Полная схема организации генератора тактовых импульсов с применением первичного кварцевого генератора с частотой 10 МГц показана на рис. 35. Такой генератор задает набор тактовых импульсов и для работы других цифровых устройств.

Рис. 35. Схема организации генератора тактовых импульсов

Выпускается также микросхема ADS5400. Она выполнена в более миниатюрном корпусе (рис. 36). Он имеет 100 выводов и размеры 16×16×1,2 мм.

Рис. 36. Корпус микросхемы ADS5400

На рис. 37 показана зависимость SNR от частоты преобразований и частоты входного сигнала, представленная в виде контурного графика.

Рис. 37. Зависимость SNR от частоты преобразований и частоты входного сигнала

Аналогичная зависимость SFDR от частоты преобразований и частоты входного сигнала дана на рис. 38.

Рис. 38. Зависимость SFDR от частоты преобразований и частоты входного сигнала

Большинство других видов зависимости подобны тем, что приведены для микросхемы ADS5400-SP. В целом эти микросхемы идентичны.

Заключение

Описанные в статье микросхемы АЦП являются новым поколением одноканальных сверхскоростных АЦП с частотой дискретизации от 1 до 3 Гвыб./c, созданных крупными мировыми фирмами TI и NS. Они стали основой при создании широкой номенклатуры двухканальных сверхскоростных АЦП.

Сверхскоростные АЦП нашли широкое применение в цифровых запоминающих осциллографах, измерительных и тестирующих приборах, цифровых коммуникационных устройствах и устройствах связи, системах спутниковой связи и электронных устройствах гражданского и военного назначения.

Литература

1. http://www.ti.com
2. http://www.national.com

Демонстрация микроволнового АЦП и ЦАП Цифровой оптический жгут Подтверждение концепции удаленной архитектуры

Первая демонстрация оптического цифрового жгута для подключения удаленных микроволновых преобразователей данных к центральному блоку обработки данных, такому как ПЛИС, с заменой медных коаксиальных кабелей оптическими волокна. При использовании оптоволокна выборочные данные, управляющие сигналы, сигнал синхронизации и эталонные часы передаются на значительно большие расстояния, что снижает вес и увеличивает плотность данных по сравнению с коаксиальным кабелем. Этот подход может быть особенно выгоден в удаленных преобразователях с несколькими данными или в системах с фазированной решеткой.

---

Информационный документ — Новый оптический канал обеспечивает полный интерфейс преобразователя данных СВЧ, гарантирующий общесистемный детерминизм

Представьте, если бы можно было построить многоканальные микроволновые радиосистемы, использующие оптические, а не медные межсоединения. Вероятно, последует несколько преимуществ этого сдвига парадигмы, в том числе:

• Потоковая передача выборки, данных управления и конфигурации, а также эталонного тактового сигнала и сигналов синхронизации по оптоволокну упрощает проектирование внешнего радиоинтерфейса и распределение сигналов при одновременном уменьшении массы кабеля

• Устранение медных сигнальных проводов в будущих конструкциях радиостанций обеспечивает большую архитектурную свободу и гибкость при одновременном снижении перекрестных помех и межканальных помех для повышения производительности.

• Оптическая концепция обосновывает ценное разделение входной аналоговой конструкции и внутренней цифровой обработки сигналов, предвещая появление полностью цифровых антенн с улучшенными характеристиками благодаря усовершенствованному электронному управлению лучом.

 

Если вы хотите узнать больше, нажмите на следующую ссылку, чтобы загрузить полный технический документ.

---

Узнать сейчас

Пожалуйста, заполните и отправьте форму, чтобы получить ответ от нашего отдела продаж или инженеров по приложениям.

Полное имя

Страна *

Страна *

Афганистан

Албания

Алжир

американское Самоа

Андорра

Ангола

Ангилья

Антарктида

Антигуа и Барбуда

Аргентина

Армения

Аруба

Австралия

Австрия

Азербайджан

Багамы

Бахрейн

Бангладеш

Барбадос

Беларусь

Бельгия

Белиз

Бенин

Бермуды

Бутан

Боливия

Босния и Герцеговина

Ботсвана

Остров Буве

Бразилия

Британские Виргинские острова

Бруней-Даруссалам

Болгария

Буркина-Фасо

Бурунди

Камбоджа

Камерун

Канада

Кабо-Верде

Каймановы острова

Центрально-Африканская Республика

Чад

Чили

Китай

Остров Рождества

Колумбия

Коморы

Конго

Конго ДР

Острова Кука

Коста-Рика

Берег Слоновой Кости

Хорватия

Куба

Кипр

Чешская Республика

Дания

Джибути

Доминика

Доминиканская Республика

Восточный Тимор

Эквадор

Египет

Сальвадор

Экваториальная Гвинея

Эритрея

Эстония

Эфиопия

Фолклендские острова

Фарерские острова

Фиджи

Финляндия

Франция

Французская Гвиана

Французская Полинезия

Южные Французские Территории

Габон

Гамбия

Грузия

Германия

Гана

Гибралтар

Греция

Гренландия

Гренада

Гваделупа

Гуам

Гватемала

Гвинея

Гвинея-Бисау

Гайана

Гаити

Гондурас

Гонконг

Венгрия

Исландия

Индия

Индонезия

Иран

Ирак

Ирландия

Израиль

Италия

Ямайка

Япония

Иордания

Казахстан

Кения

Кирибати

Кувейт

Кыргызстан

Лаос

Латвия

Ливан

Лесото

Либерия

Ливия

Лихтенштейн

Литва

Люксембург

Макао

Македония

Мадагаскар

Малави

Малайзия

Мальдивы

Мали

Мальта

Маршалловы острова

Мартиника

Мавритания

Маврикий

Майотта

Мексика

Молдова

Монако

Монголия

Черногория

Монтсеррат

Марокко

Мозамбик

Мьянма

Намибия

Науру

Непал

Нидерланды

Нидерландские Антильские острова

Новая Каледония

Новая Зеландия

Никарагуа

Нигер

Нигерия

Ниуэ

Остров Норфолк

Северные Марианские острова

Норвегия

Оман

Пакистан

Палау

Палестинская территория

Панама

Папуа — Новая Гвинея

Парагвай

Перу

Филиппины

Питкэрн

Польша

Португалия

Пуэрто-Рико

Катар

Реюньон

Румыния

Россия

Руанда

Святая Елена

Сент-Китс и Невис

Санкт-Люсия

Самоа

Сан-Марино

Сан-Томе и Принсипи

Саудовская Аравия

Сенегал

Сербия

Сейшелы

Сьерра-Леоне

Сингапур

Словакия

Словения

Соломоновы острова

Сомали

Южная Африка

Южная Корея

Испания

Шри-Ланка

Судан

Суринам

Шпицберген и Ян-Майен

Свазиленд

Швеция

Швейцария

Сирия

Тайвань

Таджикистан

Танзания

Таиланд

Идти

Токелау

Тонга

Тринидад и Тобаго

Тунис

Турция

Туркменистан

острова Теркс и Кайкос

Тувалу

Виргинские острова США

Уганда

Украина

Объединенные Арабские Эмираты

Великобритания

Соединенные Штаты

Уругвай

Узбекистан

Вануату

Венесуэла

Вьетнам

Уоллис и Футуна

Западная Сахара

Йемен

Югославия

Замбия

Зимбабве

Тип запроса *

Расследование *

Цена и доставка

Технический запрос

Другое (распространение, маркетинг и т. д.)

Сообщите нам о своем проекте…

Проверка *

О, о! Похоже, в этой форме есть ошибки. Пожалуйста, перепроверьте свои входные данные.

Опубликовано 11 июля 2022 г.

Релевантность:
Полупроводники

Оценка рабочих характеристик АЦП и ЦАП

Загрузите эту статью в формате PDF.

Что вы узнаете:

• Функциональность АЦП/ЦАП, их рабочие характеристики и способы их улучшения.
• Преимущества, недостатки и применение различных архитектур АЦП/ЦАП.
• Использование АЦП/ЦАП в программно-определяемых радиоприемопередатчиках.

Как следует из названия, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) принимает на вход аналоговую волну и преобразует эту волну в выходную цифровую форму (рис. 1) . Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) по существу делает обратное, преобразуя цифровое представление в аналоговую форму (рис. 2) . То, как это происходит, во многом зависит от типа используемой архитектуры АЦП или ЦАП.

Для АЦП доступны различные архитектуры. Несколько интересных архитектур имеют следующие схемы и основные принципы работы:

• Флэш-память (прямое преобразование): Флэш-АЦП требуют использования каскадных высокоскоростных компараторов, где N-разрядная схема преобразователя использует 2 компаратора ^N – 1, по существу сравнивая входное напряжение с опорным напряжением (лестничная диаграмма). «ступени») и кодирование этого значения в двоичном виде с помощью унарного кода или кода термометра.
• Конвейер: Эти АЦП состоят из нескольких последовательных каскадов, включая схему выборки и хранения (S/H), АЦП/ЦАП с низким разрешением и цифровую коррекцию ошибок, прежде чем выводить закодированный сигнал с помощью логики цифровой коррекции.
• Дельта-сигма: Такие устройства в основном состоят из модулятора с передискретизацией, который подает сигнал с очень высокой скоростью на цифровой/прореживающий фильтр, который создает волну с высоким разрешением и более медленную цифровую кодировку.
• Регистр последовательного приближения (SAR): Базовая архитектура SAR состоит в том, чтобы взять сигнал входного напряжения, произвести выборку и поставить его в очередь с помощью схемы S/H, а затем применить компаратор, чтобы определить, меньше ли выборка входного напряжения или равным опорному напряжению с использованием алгоритма двоичного поиска и регистра опорных напряжений.

ЦАП, которые обычно принимают цифровой сигнал (последовательный канал передачи данных) или параллельный интерфейс (например, LVDS), разработаны с различными архитектурами для преобразования данных, включая следующие популярные примеры:

• Двоично-взвешенные ЦАП: Эти устройства преобразуют двоичное число в аналоговый выходной сигнал, пропорциональный цифровому числу, включая следующие два типа:

1. Резистор строки: Для простоты мы можем представить этот тип как строку из 2 ^N согласованных резисторов и переключателей, где N — разрядность ЦАП. Когда цифровой вход N-бит поступает на устройство, он декодируется и замыкается переключатель, связанный с конкретным цифровым кодом, генерируя сигнал выходного напряжения.
2. Двоичная многозвенная схема R-2R: Этот тип использует двоичный вход (b0, b1…) и два точных резистора, R и 2R, для преобразования данных в аналоговый сигнал, пропорциональный значению цифрового числа.

• Чередование и конвейеризация : Эти современные архитектуры ЦАП используют несколько ядер ЦАП параллельно через S/H схемы и могут чередоваться в частотной или временной областях.

АЦП и ЦАП широко распространены в современном мире и находят применение во всем: от бытовой электроники, такой как мобильные телефоны, камеры и звуковые карты; энтузиастам электроники, работающим с устройствами Raspberry Pi; к их включению в высокопроизводительные приемопередатчики программно-определяемой радиосвязи (SDR). Требования приложения диктуют тип АЦП и ЦАП, необходимых для обеспечения оптимальной производительности и функциональности электронной системы.

Некоторые рабочие характеристики АЦП

Многие характеристики АЦП необходимо оценить и оценить перед их внедрением в систему. Основными из этих характеристик являются скорость, разрешение, динамический диапазон и точность. Скорость преобразования АЦП относится к выборкам в секунду и измеряет, насколько быстро устройство может точно преобразовать аналоговый сигнал/напряжение. Многие приложения требуют, чтобы эти преобразования происходили как можно быстрее, что видно из включения высокоскоростных АЦП в платформы SDR с самой высокой пропускной способностью.

Теоретически скорость преобразования ограничена теоремой Найквиста-Шеннона. Другими словами, частота дискретизации АЦП должна как минимум вдвое превышать частоту аналогового сигнала. Разрешение этих выборок обусловлено основным принципом, согласно которому все АЦП преобразуют сигналы, — с использованием шагов приращения напряжения, выраженных числом битов ( N) АЦП и называемых младшим значащим битом (LSB). Ступенчатая функция используется при квантовании аналогового сигнала в цифровое представление. 1 LSB определяется следующим образом:

, где V _REF — опорное напряжение, а V _GROUND — аналоговое напряжение земли.

На рис. 3 показан пример уровней квантования 4-битного АЦП. Хотя это иллюстрирует процесс кодирования АЦП и доступное разрешение, ясно, что 2 ⁴ допускает только 16 возможных уровней квантования (от 0 до 15), что приводит к довольно низкому разрешению. По этой причине современные АЦП представляют собой 16-разрядные устройства (2 ¹⁶ = 65 536 = от 0 до 65 536 уровней), и они встроены в критически важные приложения, такие как высокопроизводительные SDR.

Динамический диапазон относится к отношению между наибольшим и наименьшим значениями, которые АЦП может точно измерить. Другими словами, это отношение между самым сильным неискаженным сигналом и минимально различимым сигналом. Для идеального N-разрядного АЦП минимальное обнаруживаемое значение равно 1 LSB, а максимальное 2 ^N – 1.

В пересчете на децибелы имеем:

Отсюда для 16-разрядного АЦП ожидаемое значение составляет 96,32 дБ динамического диапазона. Тем не менее, динамический диапазон АЦП можно по-настоящему понять только при учете количественных показателей производительности, таких как отношение сигнал-шум-искажение (SINAD), эффективное число битов (ENOB), отношение сигнал-шум (SNR), полное гармоническое искажение (THD) и динамический диапазон без паразитных составляющих (SFDR).

Возможно, самым печально известным из них является теоретическое SNR, в котором используется часто цитируемая формула SNR = 6,02N + 1,76 дБ. Хотя мы знаем, что первый член в уравнении исходит из динамического диапазона самого АЦП, второй член выводится из шума квантования. Шум квантования можно аппроксимировать пилообразным сигналом, имеющим размах амплитуды 1 младший бит, а вероятность появления ошибки составляет ±0,5 1 младший бит (т. е. один уровень квантования) при равномерном распределении.

Тем не менее, теоретический динамический диапазон/ОСШ никогда не бывает действительно точным из-за нескольких других факторов, упомянутых выше. Примечательно, что ENOB играет важную роль в установлении реального динамического диапазона АЦП и вызван шумом в сигнале и схеме преобразователя, эффективно снижая истинное разрешение АЦП, отношение сигнал/шум и динамический диапазон.

Но не только ошибки квантования и ENOB ограничивают точность АЦП. К другим факторам, которые могут привести к тому, что передаточная функция реального устройства отклоняется от идеального АЦП, относятся ошибки смещения и ошибки усиления (из-за колебаний температуры), ошибка дифференциальной линейности и общая нескорректированная ошибка (TUE) и другие. Другие компоненты также могут вносить ошибки, такие как дрожание тактового сигнала и тепловой шум, вызывая дальнейшие ошибки, отклоняющиеся от идеальных характеристик АЦП. Наконец, есть алиасинг АЦП. Это происходит, когда частота входного сигнала превышает частоту Найквиста-Шеннона, и сигнал «складывается» или дублируется в других позициях спектра по обе стороны от частоты Найквиста.

Некоторые рабочие характеристики ЦАП

Как и АЦП, ЦАП необходимо оценивать по многочисленным критериям. Сюда входят разрешение, скорость, динамический диапазон, SFDR, ENOB и SNR. Уникальной характеристикой производительности ЦАП являются нежелательные сигналы изображения, появляющиеся в каждой зоне Найквиста выходного сигнала. Другими важными характеристиками являются время установления и площадь импульса выброса. Время установления относится к времени, которое требуется от приложения ввода кода до тех пор, пока выходной сигнал не достигнет и останется в пределах заданной полосы ошибок вокруг конечного выходного напряжения (рис. 4) .

Область глитч-импульса — еще одна важная характеристика поведения ЦАП, которая существенно различается для ЦАП на R-2R и на струнном резисторе. Глитч-импульс определяется как переходное напряжение, возникающее на выходе ЦАП во время «перехода основного переноса». Это означает, что во время одного кодового перехода старший бит меняется с низкого на высокий, а младшие биты изменяются с высокого на низкий или наоборот (т. е. кодовый переход с 0111 на 1000).

Глитч-импульс измеряется в нВ*с (энергия) и эквивалентен площади под кривой на графике зависимости напряжения от времени. Этот импульс возникает из-за того, что реальные схемы не переходят от одного значения преобразования к другому монотонно, таким образом вызывая выброс энергии на выходе и, в свою очередь, ухудшая SFDR ЦАП.

Как повысить производительность?

Динамический диапазон АЦП может быть улучшен за счет уменьшения ошибок/шумов квантования с помощью двух методов: либо передискретизации, либо введения дизеринга (белого шума) в аналоговый сигнал перед преобразованием. Ошибки АЦП, связанные с внешней средой, можно свести к минимуму с помощью нескольких конструктивных мер предосторожности. К ним относятся обеспечение регулирования нагрузки напряжения и источника питания и минимальный температурный дрейф, устранение шумов на аналоговом входе и согласование динамического диапазона с максимальной амплитудой встречающегося сигнала.

Дальнейшие улучшения могут быть сделаны за счет сведения к минимуму перекрестных помех между выводами ввода-вывода и уменьшения электромагнитных помех с помощью экранов от электромагнитных помех, а также путем внесения соответствующих изменений в компоновку печатной платы. Часто перед АЦП на пути прохождения сигнала помещают сглаживающий фильтр, чтобы отфильтровать частоты за пределами его полосы пропускания.

Рассмотренные выше проблемы с рабочими характеристиками ЦАП также могут быть решены. Например, время установления во многом зависит от конкретного чипа ЦАП. Поэтому, если системе требуются высокие скорости преобразования, используйте ЦАП с коротким временем установления.

Существует два подхода к минимизации энергии глитчей: разместить либо резистивно-емкостной фильтр, либо S/H-конденсатор и усилитель после ЦАП. Однако первый подход увеличивает время установления, тогда как второй подход является дорогостоящим как с точки зрения стоимости, так и с точки зрения места на печатной плате. Чтобы избавиться от изображений в зонах Найквиста, после ЦАП обычно размещают антиизображение, особенно в SDR высокого класса, способных генерировать большую полосу частот.

Почему и почему нет архитектур АЦП/ЦАП

В таблицах 1 и 2 сравниваются некоторые основные рабочие характеристики различных архитектур АЦП и ЦАП.

Пример применения: приемопередатчики SDR

В качестве примера мы обсудим реализацию АЦП и ЦАП в приемопередатчике SDR на примере приемопередатчика Cyan SDR Per Vices (рис. 5) . Приемопередатчик SDR включает в себя входную радиостанцию ​​и цифровую заднюю часть, в которых АЦП и ЦАП берут на себя функции передачи и приема. Критически важные приложения SDR включают мониторинг и запись спектра, радар, развертывание спутников/отслеживание наземных станций, а также испытания и измерения.

Для достижения высокой скорости преобразования данных и частоты дискретизации, необходимых для этих приложений, приемопередатчики SDR используют конвейерный АЦП и ЦАП с чередованием. Оба поддерживают сигналы последовательной передачи данных JESD204B, разложенные на синфазную и квадратурную пары (пара I/Q).

Для приложения SDR АЦП и ЦАП выбираются на основе количества каналов, частоты дискретизации, разрешения и SFDR для удовлетворения требований к высокой производительности критически важных приложений. Кроме того, SDR, используемые в таких приложениях, требуют архитектуры с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO), а также выделенного АЦП/ЦАП в каждой радиоцепи. Такие высокопроизводительные SDR имеют цепочку аналогового приема, оканчивающуюся фильтром сглаживания и АЦП с частотой дискретизации 3 млрд отсчетов/с, разрешением 16 бит, двумя входными каналами (для I и Q), 70,9-dB SNR, ENOB 11,5, SFDR 90 дБ и рабочая температура от -40 до 85°C.

На передающей стороне ЦАП должен иметь возможность преобразовывать импульсы радара; высокочастотные модулированные сообщения в диапазонах L, Ku и Ka для спутниковой связи; и практически любую цифровую форму сигнала в аналоговую перед прохождением через фильтр анти-изображения и оставшуюся радиоцепочку передачи.

ЦАП обеспечивает скорость комплексных входных данных 3 млрд отсчетов/с на канал (данные I или Q), 16-битное разрешение, низкий SFDR и THD, низкое энергопотребление, высокую мгновенную полосу пропускания, короткое время установления, минимальную энергию импульсных помех.