為了提供更高的清晰度,一般都認(rèn)為高頻是指超過(guò)1GHz的頻率,而高速要超過(guò)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(lài)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(shuō)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(jiàn)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(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)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(cǎi)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(chēng)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(wú)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。
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(kāi)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(cǎi)用巴倫進(jìn)行設(shè)計(jì)并不總是簡(jiǎn)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(chēng)。否則,走線輕微失配可能使採(cǎi)用巴倫的前端設(shè)計(jì)變得毫無(wú)用處,甚至使動(dòng)態(tài)範(fàn)圍受限。
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輸出匹配
依賴(lài)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(shuō),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。
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(cǎi)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。