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(cháng)。商業(yè)和國防工業(yè)是需求增長(cháng)的主要刺激因素。目前涉及半導體行業(yè)的大部分新規格都圍繞著(zhù)降低尺寸(size)、重量(weight)和功耗(power)而展開(kāi)——即SWaP。在半導體行業(yè)，我們通過(guò)不斷改進(jìn)的技術(shù)以及更巧妙的設計來(lái)滿(mǎn)足這些要求。然而，性能也是關(guān)鍵需求，尤其是GSPS領(lǐng)域的數模轉換器(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(hù)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(lài)于信號電平，而更多地依賴(lài)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，以及涉及到應用連接配置技巧時(shí)重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵規格。最后，本文將提供一些思路和優(yōu)化技巧，說(shuō)明在GHz區域工作的DAC如何實(shí)現寬帶平滑阻抗變換。

 

 

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雜波形生成、無(wú)線(xiàn)基礎設施、自動(dòng)測試設備(ATE)以及雷達和軍用干擾電子產(chǎn)品。 系統架構師找到合適的DAC后，必須考慮輸出匹配網(wǎng)絡(luò )，以保持信號結構。元件選型和拓撲較之從前更為重要，因為GSPS DAC應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。

 

 

首先讓我們來(lái)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)范圍內為復雜波形提供單音。以前，Fc最大值位于第一奈奎斯特區中，或者為采樣頻率的一半。較新的DAC設計具有內部時(shí)鐘倍頻器，可以有效地倍增第一奈奎斯特區；可將其稱(chēng)為“混頻模式”操作。使用混頻模式的DAC自然輸出頻率響應具有sinX/e^(X^2)曲線(xiàn)的形狀，如圖1所示。

 

系統架構師可參考產(chǎn)品數據手冊，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)等性能參數會(huì )給出多種頻率下的數值。明智的系統設計人員可將同一個(gè)DAC應用于上文所述的超奈奎斯特區中。值得注意的是，在較高頻率下（或較高區域中）預期輸出電平將會(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動(dòng)放大器，以補償該損耗。

圖1： DAC Sinx/x輸出頻率響應與混頻模式的關(guān)系 

 

 

只有最終用戶(hù)設計和測得的最佳性能GSPS DAC才是好器件。為了最大程度發(fā)揮高品質(zhì)DAC的性能，應當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。 數據手冊上的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)，應仔細考慮相位和幅度不平衡1。阻抗比（即電壓增益）、帶寬、插入損耗和回損同樣也是重要的性能考慮因素。 采用巴倫進(jìn)行設計并不總是簡(jiǎn)單明了。例如，巴倫的特性隨頻率而改變，這會(huì )給預期蒙上陰影。有些巴倫對接地、布局布線(xiàn)和中心抽頭耦合敏感。

 

系統設計人員不應完全根據巴倫數據手冊上的性能作為器件選擇的唯一基礎。經(jīng)驗在這里能夠發(fā)揮巨大作用：存在PCB寄生效應時(shí)，巴倫以新的形式構成外部匹配網(wǎng)絡(luò )；轉換器的內部阻抗（負載）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(zhuān)利設計采用特殊拓撲，允許只采用單一器件實(shí)現千兆區域帶寬擴展，從而提供更高的平衡度。

 

使用單個(gè)巴倫或多個(gè)巴倫拓撲時(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，布局應盡可能對稱(chēng)。否則，走線(xiàn)輕微失配可能使采用巴倫的前端設計變得毫無(wú)用處，甚至使動(dòng)態(tài)范圍受限。

 

依賴(lài)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。對以上參數的優(yōu)化則要求對系統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(xiàn)性度設計，同時(shí)突出SNR和SFDR而較少考慮DAC的輸出驅動(dòng)強度？這意味著(zhù)在應用中，應當權衡每個(gè)參數的重要性。

 

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(zhù)每個(gè)電阻值的變化，性能參數也會(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： 幾種情形的數據定義 

 

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中的數據顯示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的可用功率下降，而第二、第三和第四奈奎斯特區中極有可能出現混疊信號音。情形2顯示第一和第二奈奎斯特區中的輸出電平增加，以及較高奈奎斯特區中的可用功率下降。最后，情形3為最佳情況，看上去在第一和第二奈奎斯特區具有良好的輸出功率，同時(shí)相比情形1，區域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)的記錄數據。圖5顯示多個(gè)奈奎斯特區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。讀者應當對參數規劃的權衡取舍有一個(gè)更全面的了解，因為隨著(zhù)設計過(guò)程的展開(kāi)，必須理解這些參數并對其優(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)了系統的SFDR。其它重要發(fā)現有：在1900MHz附近存在SFDR的“最有效點(diǎn)”。該性能獨立于輸出元器件，這是因為DAC存在內部阻抗。

圖4： SFDR性能對比 

圖5： 輸出功率水平對比 

 

 

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

 

另外，設計GSPS DAC輸出網(wǎng)絡(luò )時(shí)，必須注意網(wǎng)絡(luò )的布局與拓撲；走線(xiàn)寬度和長(cháng)度是非常重要的參數，需加以?xún)?yōu)化。記住，為了“配合”特定應用，需要滿(mǎn)足很多參數。