射頻通信中運(yùn)用DAC和ADC技術(shù)

隨著精密的光刻技術(shù)不斷在一定芯片面積上實(shí)現(xiàn)更多的晶體管，數(shù)字技術(shù)水平也在不斷提升。這些進(jìn)步將對(duì)射頻和微波設(shè)計(jì)帶來(lái)巨大影響。例如，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)就為軟件定義無(wú)線電(SDR)架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)鋪平了道路，SDR被廣泛運(yùn)用于從蜂窩基站到軍用無(wú)線電等眾多應(yīng)用中。由于有了高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍的復(fù)雜波形才得以生成。

　　從性能方面看，ADC和DAC是最多樣化的電子元件產(chǎn)品之一。可從時(shí)鐘速率、頻率范圍、位分辨率、噪音水平，功耗和動(dòng)態(tài)范圍等各項(xiàng)性能指標(biāo)來(lái)甄選一款轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品包括面向音頻應(yīng)用的低頻24位分辨率轉(zhuǎn)換器、面向控制應(yīng)用的較低分辨率、較低頻率轉(zhuǎn)換器，以及面向醫(yī)療、軍事、無(wú)線通信應(yīng)用的高分辨率、高性能轉(zhuǎn)換器。對(duì)于這類(lèi)產(chǎn)品，一個(gè)基本的取舍是精度與頻率：期望的頻率范圍越寬，可用的位分辨率就越低。例如，24位ADC和DAC的頻率都在 100kHz左右，而工作在1GHz的轉(zhuǎn)換器其最高分辨率約為16位。

　　理想情況下，模擬信號(hào)進(jìn)入ADC，再傳送至具有相同帶寬和精度的DAC后，從該DAC輸出的模擬信號(hào)應(yīng)等同于原始信號(hào)。但是，與模擬器件一樣，數(shù)字器件也同樣受到物理和制造方面的限制，這些限制包括：基底和導(dǎo)體信號(hào)損耗、制造公差，以及作為轉(zhuǎn)換過(guò)程一部分的由阻抗不匹配造成的信號(hào)衰減。此外，轉(zhuǎn)換器的位分辨率決定著用于描述模擬信號(hào)的數(shù)字狀態(tài)的數(shù)量。對(duì)于DAC來(lái)說(shuō)，由256個(gè)數(shù)字狀態(tài)重構(gòu)的波形比由1*位)個(gè)數(shù)字狀態(tài)重構(gòu)的波形更接近于原初信號(hào)波形。但某些應(yīng)用可能只需要幾個(gè)數(shù)字位的分辨率，成本是選擇ADC和DAC時(shí)的另一個(gè)權(quán)衡因素，位分辨率越高、成本也越高。

　　轉(zhuǎn)換器的最低有效位(LSB)決定著進(jìn)入該轉(zhuǎn)換器的峰值或滿量程電壓范圍可被分割的最小步長(zhǎng)。它也可用來(lái)作為轉(zhuǎn)換器位精度的一種度量，通過(guò)微分非線性(DNL)和積分非線性(INL)這兩個(gè)參數(shù)表示。理想ADC的兩個(gè)連續(xù)輸出碼之間僅相差1個(gè)LSB，而DNL值為零。但由轉(zhuǎn)換器的電路和封裝引起的增益和相位變化將導(dǎo)致最低有效位發(fā)生一定程度的偏差，因此，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中ADC和DAC的LSB會(huì)受到一定程度的影響，用DNL和INL規(guī)范衡量這種偏差。美信(Maxim)公司的應(yīng)用筆記641包括了與轉(zhuǎn)換器相關(guān)的術(shù)語(yǔ)表(包括DNL和INL的簡(jiǎn)明定義)；此外，美信公司的應(yīng)用說(shuō)明書(shū)283講述了 DNL和INL的測(cè)量方法。

　　隨著便攜式電子設(shè)備越來(lái)越多地用于個(gè)人和專(zhuān)業(yè)用途，轉(zhuǎn)換器制造商在不停地尋找新的設(shè)計(jì)策略以提高性能同時(shí)降低功耗。以亞德諾半導(dǎo)體(ADI)的 AD9125為例，該方案在一個(gè)封裝內(nèi)集成了兩個(gè)DAC。AD9125非常適合無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，例如在蜂窩基站內(nèi)產(chǎn)生同相(I)和正交(Q)數(shù)字調(diào)制基帶信號(hào)分量，這款16位轉(zhuǎn)換器具有1GSPS的采樣速率，可支持蜂窩基站的多載波信號(hào)生成。該DAC具有靈活的CMOS接口(見(jiàn)圖)。可對(duì)該雙DAC器件輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波，然后饋送至模擬正交調(diào)制器(AQM)，再經(jīng)功率放大器放大后在蜂窩站點(diǎn)進(jìn)行傳輸。這款雙DAC器件在800MSPS采樣頻率下產(chǎn)生一個(gè)70MHz中頻輸出，可實(shí)現(xiàn)-72dBc的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)。在相同采樣速率下，對(duì)于100MHz輸出，雙音互調(diào)失真(IMD)為 -81dBc。在精度方面，AD9125的DNL和INL的典型值分別為±2.1LSB和±3.7LSB。

圖：在通信應(yīng)用中，這款雙通道16位DAC用于產(chǎn)生同相(I)和正交(Q)基帶信號(hào)供無(wú)線發(fā)射器使用。

　　雖然是針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用設(shè)計(jì)，AD9125雙通道DAC也具有低功耗特性，在采樣率為500MSPS時(shí)，其功耗只有900mW。該器件采用72引腳LFCSP封裝，滿量程輸出電流可在8.7至31.7mA范圍內(nèi)編程，負(fù)載匹配為25到50Ω，使用起來(lái)非常靈活。

　　當(dāng)兩個(gè)DAC仍然不夠用時(shí)，ADI的ADV7123在單個(gè)封裝內(nèi)集成了三個(gè)DAC。ADV7123的最高采樣速率為330MSPS，分辨率為 10位，非常適合用于視頻處理。在50MSPS下，該器件的SFDR為70dB，輸出頻率為1MHz。它采用單個(gè)3.3或5V DC電源，可提供2至26mA的輸出電流。

　　恩智浦半導(dǎo)體(NXP)的DAC1405D650也為多載波無(wú)線發(fā)射器提供了雙DAC。它具有14位分辨率和650MSPS的最高采樣率。該器件包括一個(gè)集成鎖相環(huán)(PLL)和用于生成復(fù)合調(diào)制的板載32位數(shù)控振蕩器(NCO)。當(dāng)用兩個(gè)WCDMA載波以*.4MSPS的采樣速率測(cè)試時(shí)，其相鄰信道功率比(ACPR)為-71dBc、輸出頻率為96MHz。在上述采樣速率和輸出頻率下，其三階IMD為-80dBc。這種雙DAC具有片上1.25 V參考電壓，并可提供可調(diào)的差動(dòng)輸出電流(1.6至22.0mA)。

　　美信、凌力爾特(Linear)和德州儀器(TI)也已開(kāi)發(fā)出針對(duì)無(wú)線通信應(yīng)用的DAC。美信的MAX19693是一款12位DAC，工作在 4GSPS的采樣速率下，可用超過(guò)1.5GHz的帶寬合成信號(hào)。它提供四個(gè)12位的復(fù)用低壓差分信令(LVDS)輸入端口，每個(gè)端口可工作在1GHz的雙倍數(shù)據(jù)速率(DDR)或四倍數(shù)據(jù)速率(QDR)模式，以實(shí)現(xiàn)總的4GHz速率。這款高速DAC采用11×11mm的CSBGA封裝，在4GSPS時(shí)，功耗是1180mW。凌力爾特的LTC1666、LTC1667和LTC1668是分辨率分別為12、14和16位的DAC，可支持最高500MSPS的采樣速率。對(duì)于1MHz的輸出信號(hào)，差分輸出SFDR高達(dá)87dB。這三款低功耗器件工作在±5V DC電源下，功耗僅為180mW。TI的DAC5681 DAC工作在1GSPS的采樣速率下，具有16位分辨率，采用LVDS輸入信號(hào)格式和電流輸出格式。其典型SFDR為81dB。

　　為對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，上述許多供應(yīng)商都提供能夠?qū)o(wú)線通訊和軍用通信系統(tǒng)內(nèi)的模擬信號(hào)數(shù)字化的高性能ADC。近日，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司 (NSC)推出了雙通道12位ADC ADC12D1x00系列，其中的雙通道可交織(interleave)成為單通道以實(shí)現(xiàn)3.6GSPS的采樣速率。該系列ADC產(chǎn)品包括：在單通道交織模式下，采樣速率為3.6GSPS的ADC12D1800；單通道模式，采樣速率為3.2GSPS的ADC12D1600；單通道模式，采樣速率為 2.0GSPS的ADC12D1000。

　　在凌力爾特(Linear)公司的高速ADC中，LTC2209是一款工作在160MSPS的16位器件。采用700MHz的全功率輸入帶寬時(shí)，該器件具有77.3dB的基帶信噪比和100dB的SFDR和。美信的MAX109 ADC在 2.2GSPS采樣速率下具有8位分辨率，額定滿功率輸入帶寬為2.8GHz。它可用于單端和差分輸入信號(hào)，并以標(biāo)準(zhǔn)LVDS格式輸出數(shù)據(jù)。ADI的 AD6600是一款雙通道ADC，可直接采樣高達(dá)250MHz的模擬中頻(IF)信號(hào)。這款高集成度器件包括1GHz輸入放大器、寬帶450MHz跟蹤保持(T/H)放大器和一個(gè)11位、20MSPS的ADC，該ADC可以最高采樣速率進(jìn)行單通道操作，或在雙通道時(shí)每通道采樣速率為10MSPS。