【導(dǎo)讀】分辨率和帶寬是高速信號(hào)發(fā)生應(yīng)用中的關(guān)鍵。新型信號(hào)發(fā)生應(yīng)用能夠運(yùn)用高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生例如單音直至具數(shù)百兆赫茲帶寬、復(fù)雜的多通道波形等多種不同類型的波形。本文將為你闡述高速信號(hào)應(yīng)用發(fā)生的關(guān)鍵所在。
在高速信號(hào)發(fā)生應(yīng)用中，帶寬和分辨率是關(guān)鍵要求。新型信號(hào)發(fā)生應(yīng)用運(yùn)用高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)來(lái)產(chǎn)生各種不同類型的波形，包括單音直至具數(shù)百兆赫茲帶寬、復(fù)雜的多通道波形。這些應(yīng)用要求高速DAC足夠快，以在不犧牲模擬性能的前提下產(chǎn)生這些波形。在很多信號(hào)發(fā)生應(yīng)用中，相位噪聲會(huì)限制通道的數(shù)量以及可能實(shí)現(xiàn)的通道間隔。傳統(tǒng)上，相位噪聲由驅(qū)動(dòng)DAC時(shí)鐘輸入的時(shí)鐘信號(hào)引起，不過DAC增加的任何相位噪聲都會(huì)出現(xiàn)在輸出頻譜中，并限制可能產(chǎn)生的信號(hào)。對(duì)任何通用信號(hào)發(fā)生應(yīng)用而言，理想DAC的速度應(yīng)該盡可能快，且噪聲低、線性度高、附加性相位噪聲非常低。這些性能規(guī)格中的任何一項(xiàng)如果缺失，那么所產(chǎn)生的波形都不足以滿足應(yīng)用的要求。
帶寬
在任何信號(hào)發(fā)生應(yīng)用中，最重要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都是帶寬。任何設(shè)計(jì)師都會(huì)問到的第一個(gè)問題是：需要多大的帶寬來(lái)產(chǎn)生想要的信號(hào)？對(duì)于特定信令協(xié)議或特定應(yīng)用，設(shè)計(jì)師可能需要一定大小的帶寬。無(wú)論設(shè)計(jì)師想要實(shí)現(xiàn)的帶寬有多大，DAC的速度都要至少是想要帶寬的2倍。帶寬與采樣率(fs)之間的這種關(guān)系是由哈里-奈奎斯特定義的，描述了信號(hào)在采樣系統(tǒng)中的表現(xiàn)。
盡管可以產(chǎn)生帶寬從DC至fs/2的信號(hào)，但是這么做常常不實(shí)際，因?yàn)檩敵鲱l譜中會(huì)出現(xiàn)所產(chǎn)生信號(hào)的鏡頻信號(hào)。鏡頻信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在N×fs±fout(其中，fout是所產(chǎn)生信號(hào)的頻率)。實(shí)際上，需要重建濾波器來(lái)衰減可能出現(xiàn)在輸出頻譜中任何所產(chǎn)生信號(hào)的鏡頻信號(hào)。即使所產(chǎn)生信號(hào)的帶寬沒有延伸到fs/2，但接近于它，鏡頻信號(hào)也會(huì)難以濾除。重建濾波器是用真實(shí)元件在模擬域?qū)崿F(xiàn)。與數(shù)字濾波器不同，這些元件是非理想的，會(huì)導(dǎo)致具紋波及插入損耗的非理想通帶。一般而言，這些濾波器階數(shù)越高，產(chǎn)生的紋波和插入損耗就越大，從而使理想濾波器更加難以設(shè)計(jì)。信號(hào)帶寬越接近fs/2，濾波器階數(shù)就必須越高，以衰減采樣過程中產(chǎn)生的鏡頻信號(hào)。濾波器階數(shù)越高，所需元件就越多，也就會(huì)產(chǎn)生更大的插入損耗和通帶紋波。
圖1：LTC2000建議原理圖。
運(yùn)用采樣速率較高的DAC會(huì)增大可用帶寬，這將降低對(duì)濾波器的要求，允許濾波器采用較少的元件，降低復(fù)雜性，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，產(chǎn)生更好的結(jié)果。LTC2000是一款高性能、16位、2.5Gsps高速DAC，具有2.5Gsps采樣率，從而fs/2頻率為1.25GHz。因此，對(duì)于800MHz的信號(hào)帶寬，在1.7GHz處會(huì)有一個(gè)鏡頻信號(hào)。在想要的頻帶和鏡頻信號(hào)頻率之間有900MHz。憑借900MHz的保護(hù)帶，鏡頻信號(hào)可以用簡(jiǎn)單的低通濾波器輕松濾除。具有較低采樣速率的DAC所產(chǎn)生的鏡頻信號(hào)更靠近想要的頻率，因此需要更加嚴(yán)格和復(fù)雜的濾波器。
要產(chǎn)生帶寬延伸到fs/ 2 的信號(hào)，還有另一個(gè)問題， 即任何DAC 都存在SINC(sin(x)/x)滾降，隨著頻率升高，這個(gè)問題將使所產(chǎn)生的信號(hào)衰減。這種滾降在采樣頻率(fs)處有一個(gè)零點(diǎn)，從而不可能產(chǎn)生一個(gè)準(zhǔn)確出現(xiàn)在采樣頻率上的信號(hào)。所產(chǎn)生的信號(hào)只是一個(gè)DC電壓。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言，大約60%的奈奎斯特區(qū)域(DC至fs/2)沒有很大的SINC衰減，而可被利用。如果0dB是DC時(shí)的信號(hào)電平，那么在60%奈奎斯特頻率處，信號(hào)電平會(huì)下降6dB。人們常常在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)這種滾降的反向補(bǔ)償，以糾正所產(chǎn)生信號(hào)的自然滾降。這使DAC能夠產(chǎn)生隨頻率變化具恒定幅度的波形。如果使用更高速度的DAC，那么SINC函數(shù)的滾降會(huì)隨DAC輸出頻率的升高而減輕。
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相位噪聲
在信號(hào)發(fā)生應(yīng)用中，另一個(gè)需要考慮的重要因素是輸出的相位噪聲。輸出信號(hào)中出現(xiàn)的相位噪聲限制信號(hào)之間的間隔，且可能限制可以實(shí)現(xiàn)的調(diào)制階數(shù)。在信號(hào)發(fā)生過程中，相位噪聲越大，所產(chǎn)生信號(hào)的SNR就越低，其誤碼率也就越高。抖動(dòng)可用來(lái)衡量信號(hào)在時(shí)間域的過零準(zhǔn)確度。一個(gè)完美的信號(hào)會(huì)在每個(gè)周期中的相同時(shí)點(diǎn)過零。實(shí)際上，這些過零點(diǎn)在時(shí)間上會(huì)有一定的分散性。如果這種分散性轉(zhuǎn)換到頻率域，就可以看到在基音周圍以頻譜泄漏形式出現(xiàn)的相位噪聲。如果有幾個(gè)音調(diào)相互靠近，那么某個(gè)音調(diào)的SNR可能因其相鄰音調(diào)的頻譜泄漏而劣化，這會(huì)使信號(hào)誤碼率變差，降低所產(chǎn)生信號(hào)的準(zhǔn)確度。通過降低在所產(chǎn)生信號(hào)中引入的相位噪聲，可以避免這種信號(hào)完整性損失。
避免給信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)引入相位噪聲的最簡(jiǎn)單方法，是用一個(gè)相位噪聲極低的時(shí)鐘來(lái)啟動(dòng)。相位噪聲較低的時(shí)鐘傳遞給所產(chǎn)生信號(hào)的相位噪聲較低。還有一點(diǎn)很重要，加在所產(chǎn)生信號(hào)上的時(shí)鐘相位噪聲的衰減幅度正比于所產(chǎn)生信號(hào)頻率與時(shí)鐘采樣速率之比。這種正比關(guān)系意味著，與通過用高采樣頻率時(shí)鐘產(chǎn)生高頻信號(hào)相比，如果用同樣的時(shí)鐘產(chǎn)生低頻信號(hào)，就會(huì)在輸出信號(hào)上產(chǎn)生較小的相位噪聲。如果所產(chǎn)生的頻譜很寬，那么相對(duì)于較低頻率端，所產(chǎn)生的信號(hào)在頻譜高端會(huì)有更大的相位噪聲。
圖2：LTC2000建議布局。
LTC6946是一款頻率合成器，不用外部VCO就可產(chǎn)生從370MHz直至5.7GHz的信號(hào)。該器件具備卓越的相位噪聲性能和非常低的寄生分量，適合作為信號(hào)發(fā)生應(yīng)用的時(shí)鐘源使用。用LTC6946驅(qū)動(dòng)LTC2000高速DAC時(shí)，所產(chǎn)生的相位噪聲足夠低，適合大多數(shù)要求嚴(yán)苛的信號(hào)發(fā)生應(yīng)用。LTC6946含有一個(gè)內(nèi)部VCO，可在便利性和相位噪聲之間做出權(quán)衡。如果使用LTC6945和一個(gè)外部VCO，還能實(shí)現(xiàn)更低的相位噪聲。就LTC6945和LTC6946頻率合成器而言，起主導(dǎo)作用的相位噪聲源是VCO。在產(chǎn)生65MHz輸出音調(diào)時(shí)，LTC2000在1MHz偏移有-165dBc/rHz附加噪聲。這確保與LTC2000本身的附加性相位噪聲相比，時(shí)鐘相位噪聲起主導(dǎo)作用。為了避免其他噪聲導(dǎo)致輸出信號(hào)劣化，在模擬輸出電路部分應(yīng)該注意使用恰當(dāng)?shù)牟季址椒ā?br />
恰當(dāng)?shù)腞F布局
設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，如果沒有采用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)及布局規(guī)則，那么使用高性能DAC和時(shí)鐘源的好處就會(huì)大打折扣。如果沒有恰當(dāng)?shù)膶?duì)稱性、旁路和勢(shì)壘，所產(chǎn)生的模擬輸出波形就有可能出現(xiàn)誤差，還可能引入噪聲及其他寄生分量。圖1顯示了LTC2000的典型原理圖。就直至500MHz的信號(hào)而言，LTC2000的噪聲頻譜密度好于158dBm/rHz，這有助于在很寬的信號(hào)頻率范圍內(nèi)保持很高的信噪比。該器件的無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)直至500MHz均好于74dB，而對(duì)于直至1GHz的輸出頻率而言，SFDR則好于68dB。為了最大限度提高LTC2000的性能，需要進(jìn)行恰當(dāng)?shù)牟季帧AC的輸出應(yīng)該作為一個(gè)差分對(duì)來(lái)對(duì)待，并盡可能以對(duì)稱的路徑傳送。輸出網(wǎng)絡(luò)中的任何非對(duì)稱性都可能導(dǎo)致差分信號(hào)之間出現(xiàn)壓差。這種電壓差將導(dǎo)致共模干擾，進(jìn)而在輸出頻譜中產(chǎn)生不想要的失真和噪聲。通過使每個(gè)輸出的傳輸線實(shí)現(xiàn)對(duì)稱性，可以避免這種干擾。
可以通過通孔以及良好的布局保護(hù)模擬輸出免受干擾信號(hào)影響。信號(hào)發(fā)生DAC有3個(gè)端口，并帶來(lái)了布局挑戰(zhàn)：時(shí)鐘輸入、模擬輸出和數(shù)據(jù)輸入。如果數(shù)據(jù)輸入走線靠近輸出或時(shí)鐘，那么數(shù)據(jù)信號(hào)會(huì)耦合到這些信號(hào)中，在輸出頻譜中引起雜散噪聲。類似地，如果時(shí)鐘信號(hào)由于不良布局而耦合到模擬輸入中，就會(huì)影響所產(chǎn)生信號(hào)的完整性。設(shè)計(jì)電路板時(shí)，通過在數(shù)字電路、時(shí)鐘信號(hào)和模擬輸出電路之間設(shè)置恰當(dāng)?shù)膭?shì)壘，可以使DAC實(shí)現(xiàn)最高性能。恰當(dāng)?shù)淖龇ㄊ牵诓煌膶由蟼魉蛿?shù)字信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和模擬輸出，以最大限度降低這些信號(hào)之間的相互影響。圖2顯示了LTC2000的布局，同時(shí)顯示了怎樣隔離數(shù)字信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和模擬輸出。在該圖中，數(shù)字走線布設(shè)在電路板內(nèi)層上，僅通過通孔連接到LTC2000焊盤。時(shí)鐘走線非常短，由通孔包圍以隔離信號(hào)，而且不會(huì)布設(shè)在數(shù)字走線或模擬輸出旁邊。輸出走線要盡可能對(duì)稱，并由保護(hù)模擬輸出免受干擾信號(hào)影響的勢(shì)壘包圍。遵循這些布局指導(dǎo)原則并采用干凈的采樣時(shí)鐘，LTC6946和LTC2000就能產(chǎn)生非常干凈的波形，滿足要求最嚴(yán)苛的信號(hào)發(fā)生應(yīng)用的需求。
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