von Seyed Tabatabaei, mmTron
Um die Datenblattleistung von Ultrahochgeschwindigkeits-Datenkonvertern zu erreichen, die jetzt auf 64 GS/s takten, muss die Übergabe zum und vom Mikrowellenbereich nahezu perfekt sein. Um den störungsfreien Dynamikbereich der Datenwandler zu bewahren, wurde eine neue Komponentenkategorie entwickelt, die zwischen dem Differenz- und Single-Ended-Signalbereich umwandelt und gleichzeitig Out-of-Band-Signale verstärkt und filtert.
Wenn die Siliziumgeometrien schrumpfen, erhöhen sie die Verarbeitungsfähigkeit jeder SoC-Generation. Was überrascht: Die Abtastfrequenzen für Datenkonverter liegen mittlerweile bei über 10 GS/Sek. und bei Unternehmen wie Texas Instruments (TI), Analog Devices, Intel und Teledyne e64v sogar bei 2 GS/Sek.
Zu den vielen Systemvorteilen gehört, dass diese Integrations- und Geschwindigkeitskombination die Architektur von Mikrowellen-Frontends verändert. Der historische Empfänger mit Abwärtskonvertierung von HF auf ZF beugt sich der direkten HF-Abtastung vor, bei der das Mikrowellensignal direkt in ein digitales Signal umgewandelt wird. Das ist das Konzept hinter softwaredefiniertem Radio.
Obwohl direkte HF-Abtastsysteme, die mit den höchsten Datenraten betrieben werden, erheblichen Gleichstrom verbrauchen können – digitale Prozessoren müssen mit der Datenrate Schritt halten –, vereinfachen sie das HF-Blockdiagramm mit den damit verbundenen Vorteilen in Bezug auf Kosten, Größe und Gewicht und sorgen gleichzeitig für mehr Flexibilität und Leistungsverbesserungen . Bei Systemen mit mehreren parallelen Kanälen, wie etwa einem vollaktiven Phased-Array-Radar, verbessert die direkte HF-Abtastung die Synchronisation und Phasenkohärenz über die Kanäle hinweg. Diese architektonischen Kompromisse begünstigen die direkte HF-Abtastung, gemessen an den Verteidigungs-, Kommunikations- und Instrumentierungssystemen, die sie einsetzen.
Wechsel zu mmWave
Beim Entwurf eines Systems, das direkte HF-Abtastung verwendet, erfordert die Nyquist-Abtasttheorie die Abtastfrequenz fs, um mehr als das Doppelte der höchsten abgetasteten Frequenz zu betragen, um sicherzustellen, dass die digitalen Daten das Originalsignal ohne Aliasing genau wiedergeben. Dies bedeutet, dass ein Analog-Digital-Wandler (ADC) mit 64 GS/Sek. theoretisch Signale mit Frequenzen bis 32 GHz umwandeln kann. Dieses Frequenzband wird als erste Nyquist-Zone bezeichnet. Um zu veranschaulichen, Abbildung 1 (a) zeigt ein abgetastetes Basisbandsignal (das blaue Spektrum), wobei die durch die Abtastung erzeugten Bilder in Rot dargestellt sind. Aliasing tritt auf, wenn das Band des abgetasteten Signals größer als fs/2 ist, was dazu führt, dass sich Bild- und Basisbandspektrum überlappen.
Abbildung 1. Der Fall der Abtastung eines Signals (a) innerhalb der ersten Nyquist-Zone, wobei die obere Frequenz des Signals kleiner als f istS/2. Die nächstgelegenen Bilder des abgetasteten Spektrums fallen in die zweite und dritte Nyquist-Zone. Im Falle einer Unterabtastung fällt das abgetastete Band in die zweite Nyquist-Zone und die nächstgelegenen Bilder befinden sich in der ersten und dritten Nyquist-Zone.
Die direkte HF-Abtastung erstreckt sich auf Frequenzen oberhalb der ersten Nyquist-Zone, wenn die abgetastete Signalbandbreite f nicht überschreitets/2. Dies wird als Unterabtastung oder harmonische Abtastung bezeichnet. Abbildung 1 (b) veranschaulicht diesen Fall, bei dem das abgetastete Spektrum in der zweiten Nyquist-Zone liegt. Da die Unterabtastung Signalbandbreiten bis fs/2 verarbeiten kann, ist sie für mmWave-Systeme nützlich, bei denen die Bandbreite aufgrund des verfügbaren Spektrums typischerweise groß ist.
Der Datenkonverter legt die Leistung fest
Der Datenkonverter steigert die Leistung eines direkten HF-Abtastsystems. Im Empfänger muss das dem ADC zugeführte HF-Signal optimal an die Eingangsanforderungen des ADC angepasst werden. Im Sender muss die Schnittstelle am Ausgang des Digital-Analog-Wandlers (DAC) die Wiedergabetreue des digitalen Signals aufrechterhalten.
Die meisten Ultrahochgeschwindigkeits-ADCs und -DACs verwenden einen differenziellen Signalfluss, der erhebliche Vorteile bietet:
- reduzierte Verzerrung zweiter Ordnung,
- unterdrückte Gleichtaktstörungen,
- bessere Erdung,
- Immunität gegenüber Substratkopplung,
- geringere parasitäre Kopplung und
- verbesserte Rauschunterdrückung der Stromversorgung.
HF-Systeme sind jedoch typischerweise Single-Ended mit einer charakteristischen Impedanz von 50 Ω. Während die Umwandlung zwischen Differenzial und Single-Ended mit einem verlustbehafteten passiven Balun erfolgen kann, erfordert die empfindliche Schnittstelle zwischen den Differential-Datenkonvertern und den Single-Ended-HF-Signalketten aktive Baluns, die speziell darauf ausgelegt sind, die Leistung der teuren Datenkonverter zu maximieren.
Rolle des aktiven Baluns
Im Empfänger muss das Mikrowellensignal, das den ADC antreibt, gefiltert und auf den maximalen Eingangspegel des ADC verstärkt werden, wodurch minimales Rauschen, Oberwellen und Intermodulationsverzerrungen oder Störungen hinzugefügt werden. Auf der Sendeseite muss der Differenzausgang des DAC in einen Single-Ended-Ausgang umgewandelt und ausreichend verstärkt werden, um die Leistungsverstärkerkette des Senders anzutreiben und so minimales Rauschen, Oberwellen und Intermodulation hinzuzufügen. Ein aktiver Balun integriert den passiven Balun mit Filterung und rauscharmer Verstärkung mit hoher Linearität.
Figure 2 zeigt das Blockdiagramm eines Transceivers mit direkter HF-Abtastung und wo die aktiven Baluns in den Signalfluss passen. Während die gleichen Schaltkreisfunktionen @mdash integriert sind; ein passiver Balun, Anti-Alias-Filterung und quasi-differentielle rauscharme Verstärker @mdash; Die Sende- und Empfangspfade haben einen entgegengesetzten Signalfluss, sodass separate MMICs für einen ADC und DAC erforderlich sind.
Abbildung 2. In einem Transceiver mit direkter HF-Abtastung integriert der aktive Balun einen passiven Balun mit Anti-Alias-Filterung und rauscharmen Breitbandverstärkern mit hoher Linearität. Der Signalfluss für einen DAC ist dem für den ADC entgegengesetzt.
Aktive Baluns optimieren die Schnittstelle zum Datenwandler und bieten große Bandbreite, hohe Linearität, niedrige Rauschzahl, hohe Gleichtaktunterdrückung und einen hohen Spannungshub, der mit dem ADC oder DAC kompatibel ist. Beispielsweise sollte das Grundrauschen des aktiven Baluns viel niedriger sein als das Grundrauschen des ADC. Der aktive Balun trägt nicht nur zur Maximierung der Systemleistung bei, sondern reduziert auch die Fläche auf der Leiterplatte (PCB), da die Aufrechterhaltung der Phasenbalance zwischen Differenzsignalen die Schaltungsgröße und die Komplexität des PCB-Layouts erhöht.
Stromversorgung des aktiven Baluns
Große Bandbreite, niedrige Rauschzahl, hohe Linearität und ein hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis sind wichtige Anforderungen an einen aktiven Balun. Die Schaltung muss den gesamten Spannungshub des Datenwandlers bewältigen und ihr Grundrauschen sollte viel niedriger sein als das Rauschen des ADC oder DAC.
Sie können diese Anforderungen mit einem aktiven Balun erfüllen, der einen Heterojunction-Bipolartransistor-Prozess (HBT) nutzt. GaAs-HBTs können bis 20 GHz eine gute Leistung erzielen, und InP wurde für rauscharme Verstärker bis über 100 GHz verwendet. In HBT gefertigte aktive Baluns sind sehr klein und ermöglichen eine kompakte Oberflächenmontage auf der Leiterplatte. Sie weisen außerdem ein geringes Phasenrauschen auf, das 10- bis 20-mal niedriger ist als ein Design, das mit einem pseudomorphen pHEMT-Prozess (High Electron Mobility Transistor) hergestellt wurde.
Der Hauptnachteil von HBT-Geräten ist ihr relativ hoher Rauschwert. Beispielsweise hat ein aktiver Ka-Band-Balun von mmTron, der für einen ADC mit 64 GS/Sek. ausgelegt ist, eine minimale Rauschzahl von 6 dB, verglichen mit seinem pHEMT-Design mit einer Rauschzahl unter 3.5 dB. Die Fläche des HBT-basierten Designs ist jedoch dreimal kleiner als die des entsprechenden pHEMT-MMIC.
Welcher Prozess auch immer Technologie Dabei erzwingt ein aktiver Balun einen Kompromiss zwischen dem Erreichen der niedrigsten Rauschzahl oder der höchsten Linearität. Beispielsweise erreichen die im aktiven Balun TMC160 von mmTron verwendeten pHEMT-Geräte eine durchschnittliche Rauschzahl von 1.5 dB über eine Betriebsbandbreite von 3 GHz bis 20 GHz und einen Eingangs-IP3 von 15 dBm. Durch Erhöhen des Eingangs-IP3 auf 21 dBm erhöht sich die Rauschzahl auf 3.5 dB. Diese und andere Kompromisse sind Teil des Designs des aktiven Baluns, das häufig für die Verwendung mit bestimmten Datenkonvertern optimiert ist.
Abbildung 3. Dieses Evaluierungsboard für einen Zweikanal-DAC von Texas Instruments verwendet einen aktiven Balun an jedem Ausgang. Jeder aktive Balun ist in einem 7 mm × 7 mm großen Air-Cavity-QFN-Gehäuse integriert.
Figure 3 zeigt die Evaluierungsplatine für einen TI Multi-Nyquist-Zweikanal-DAC (DAC39RF10). Bei der Verarbeitung beider Kanäle beträgt die maximale Eingangsdatenrate 10.24 GS/SEC, was sich auf 20.48 GS/SEC verdoppelt, wenn nur ein einzelner Kanal verwendet wird. Jeder Ausgang des DAC speist einen aktiven mmTron-Balun, der jeweils in einem 7 mm x 7 mm großen Air-Cavity-QFN-Gehäuse integriert ist. Die Verwendung aktiver Baluns vereinfacht das Design der Schnittstelle und verbraucht nicht viel Leiterplattenfläche. Um mehrkanalige Datenkonverter zu unterstützen, können mehrere aktive Balun-Kanäle in einem einzigen QFN-Gehäuse integriert werden.
Die Zukunft
Die Einführung der direkten HF-Abtastung in Mikrowellen- und mmWave-Systemen hat eine Chance für eine neue Kategorie von Mikrowellenkomponenten geschaffen, den aktiven Balun. Seine Aufgabe besteht darin, eine Schnittstelle zwischen den Hochgeschwindigkeits-Datenkonvertern und herkömmlichen Mikrowellen- und mmWave-Signalketten zu bilden und so den störungsfreien Dynamikbereich des DAC und ADC zu bewahren. Der aktive Balun integriert den herkömmlichen passiven Balun mit Verstärkung und Filterung in einem kleinen oberflächenmontierbaren Gehäuse und vereinfacht so das Systemdesign und das PCB-Layout.
Über den Autor
Zuvor war Tabatabaei CEO von Teramics, einem Designdienstleistungsunternehmen, das sich ebenfalls auf den mmWave-Markt konzentriert. Seine mmWave-Erfahrung erstreckt sich auf die Endwave Corporation, eines der Pionierunternehmen der Branche, wo er als Vizepräsident tätig war Halbleiter Produkte.
Zu seinen früheren Positionen gehörten technischer Leiter der Mikroelektronik-Organisation bei Hewlett Packard (jetzt Keysight Technologies), M/A-COM und das Laboratory for Physical Sciences.
Dr. Tabatabaei hat einen Ph.D. von der University of Maryland, College Park, und ein Managementzertifikat von der MIT Sloan School of Business.
