【導讀】當前的半導體產(chǎn)業(yè)，大多要求尺寸、功耗、重量、性能。在GSPS領(lǐng)域的數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器技術(shù)（DAC）尤以性能為關(guān)鍵。本文主要闡述了元件的匹配和互連，在選擇變壓器及連接配置技巧時的規(guī)格，以及如何在GHZ級區(qū)域作業(yè)的DAC實現(xiàn)寬頻平滑阻抗轉(zhuǎn)換。
為了提供更高的清晰度，一般都認為高頻是指超過1GHz的頻率，而高速要超過1GSPS的速度;但更重要的是，終端用戶可能會在DAC之后整合一個放大器，因此可用訊號便不那么依賴于訊號電平，而是更加地取決于雜訊和真實性。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重點關(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，說明在GHz級區(qū)域作業(yè)的DAC如何實現(xiàn)寬頻平滑阻抗轉(zhuǎn)換。
DAC的背景
DAC用途廣泛，最常見的用途包括商業(yè)和軍事通訊中的高頻復雜波形產(chǎn)生、無線基礎設施、自動測試設備(ATE)，以及雷達和軍用干擾電子產(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，以保持訊號結(jié)構(gòu)。元件選型和拓撲較從前更為重要，因為GSPS DAC應用要求工作在超級奈奎斯特(Nyquist)頻率下，此時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的角色及其于訊號鏈中的位置。DAC的作用很像訊號產(chǎn)生器，它能在中心頻率(Fc)範圍內(nèi)為復雜波形提供單音。以前，F(xiàn)c最大值位于第一奈奎斯特區(qū)中，或者是採樣頻率的一半。較新的DAC設計具有內(nèi)部時脈倍頻器，能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，了解元件性能。很多時候，諸如功率水平和無雜散動態(tài)範圍(SFDR)等性能參數(shù)會給出多種頻率下的數(shù)值。明智的系統(tǒng)設計人員可將同一個DAC應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)預期輸出電平將會低得多，因此很多訊號鏈會在DAC之后整合一個額外的增益模組或驅(qū)動放大器，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)係。
元件考量：選擇輸出巴倫
只有終端用戶設計和測得的最佳性能GSPS DAC才是好元件。為了使高品質(zhì)DAC發(fā)揮最佳性能，應當只選用最好的元件。特別是關(guān)鍵電路，必須在一開始就決定好。資料手冊上的DAC性能是否提供足夠的輸出功率?是否需要主動元件?訊號鍊是否需要從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?本文將重點討論巴倫或變壓器的使用。
選擇巴倫時，應仔細考慮相位和幅度不平衡。阻抗比(即電壓增益)、頻寬、插入損耗和回損同樣也是重要的性能考慮因素。採用巴倫進行設計并不總是簡單明瞭。例如，巴倫的特性隨頻率而改變，這會使塬有預期蒙上陰影。有些巴倫對接地、佈局佈線和中心抽頭耦合敏感。
系統(tǒng)設計人員不應完全根據(jù)巴倫資料手冊上的性能作為元件選擇的唯一基礎。經(jīng)驗在這裡能夠發(fā)揮巨大作用：存在PCB寄生效應時，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(負載)同樣成為等式的一部分。
使用單個巴倫或多個巴倫拓撲時，還需要注意的一點是，佈局對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，佈局應盡可能對稱。否則，走線輕微失配可能使採用巴倫的前端設計變得毫無用處，甚至使動態(tài)範圍受限。
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輸出匹配
依賴頻率的元件將會始終限制頻寬，如并聯(lián)電容和串聯(lián)電感。也就是說，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」多倍頻程頻譜範圍。對以上參數(shù)的最佳化則要求對系統(tǒng)的終端應用有深入的瞭解。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計，同時突出SNR和SFDR而較少考慮DAC的輸出驅(qū)動強度?這意味著在應用中，應當權(quán)衡每個參數(shù)的重要性。
圖2：AD9129 DAC輸出前端功能框方塊圖
本例中，如圖2所示為AD9129 GSPS DAC輸出網(wǎng)路。該網(wǎng)路中的每個電阻和巴倫都可改變，然而隨著每個電阻值的變化，性能參數(shù)也會如表1所示發(fā)生變化。
表1：數(shù)據(jù)定義的幾種應用案例。
讀者必須注意的是最佳元件值之間的差異非常小。巴倫元件具有最大的變化值。圖3中的數(shù)據(jù)顯示DAC寬頻雜訊輸出模式的最佳化;DAC只是在全部可用頻譜頻寬中產(chǎn)生訊號音。
圖3：寬頻雜訊模式中的DAC性能
第一個案例顯示第一奈奎斯特區(qū)的可用功率下降，而第二、第叁和第四奈奎斯特區(qū)中極有可能出現(xiàn)混疊訊號音。案例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，案例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4：SFDR性能對比
圖4和5顯示DAC為單音模式時的記錄數(shù)據(jù)。圖5顯示多個奈奎斯特區(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。讀者應當對參數(shù)規(guī)劃的權(quán)衡取捨有一個更全面的了解，因為隨著設計過程的展開，必須理解這些參數(shù)并為其實現(xiàn)最佳化。顯然，案例1可以透過更換為頻寬更寬的巴倫解決方案加以改善，即案例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，案例3中採用1:2寬頻巴倫，使改善后的功率水平得能夠加以保持，同時進一步改進系統(tǒng)的SFDR。其它重要發(fā)現(xiàn)：在1900MHz附近存在SFDR的「最有效點」。該性能獨立于輸出元件，這是因為DAC存在內(nèi)部阻抗。
圖5：輸出功率水平對比
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