今天，對于新IC元器件和技術(shù)的需求依然以令人吃驚的速 度增長。商業(yè)和國防工業(yè)是需求增長的主要刺激因素。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——即SWaP。在 半導(dǎo)體行業(yè)，我們通過不斷改進(jìn)的技術(shù)以及更巧妙的設(shè)計(jì) 來滿足這些要求。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1 GHz的頻 率，高速是超過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，因此可用信號便不那么 依賴于信號電平，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、無線基礎(chǔ)設(shè)施、自動(dòng)測試設(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
首先讓我們來考察DAC的作用，及其在信號鏈中的位置。 DAC的作用很像信號發(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^(X2)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，了解元器件性能。很多時(shí)候，諸如功 率水平和無雜散動(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。必須在一開始就作出重要的電路決定。數(shù)據(jù)手冊上的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。阻抗比(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。如需了解這方面的更多信息，以及如何選擇正確的變 壓器或巴倫，請參見本文末尾列出的參考文獻(xiàn)1和2。
目前市場上，Anaren、HYPERLABS、Marki Microwave、 Mini-Circuits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，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。對以上參數(shù)的優(yōu)化則要求對系統(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
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DAC優(yōu)化
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巴倫
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R1/R2 (Ω)
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R3/R4 (Ω)
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情形1
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TC1-33-75G2 + (1:1阻抗比)
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DNI
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50
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情形2
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BAL-0006SMG (1:2阻抗比)
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100
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50
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情形3
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BALH-000+SMG (1:1阻抗比)
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100
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50
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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 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)過程的展開， 必須理解這些參數(shù)并對其優(yōu)化。顯然，情形1可以通過替 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1900 MHz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性能對比
圖5. 輸出功率水平對比
結(jié)論
GSPS DAC的最新發(fā)展可讓設(shè)計(jì)人員在發(fā)射信號鏈上略過多 個(gè)混頻級，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)洌?走線寬度和長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)。
