מאת Seyed Tabatabaei, mmTron
כדי להשיג את ביצועי גליון הנתונים של ממירי נתונים מהירים במיוחד, המגיעים כעת ל-64 GS/sek, המשלוח אל ומתחום המיקרוגל חייב להיות כמעט מושלם. כדי לשמר את הטווח הדינמי הבלתי מזויף של ממירי הנתונים, פותחה קטגוריה חדשה של רכיבים הממירים בין תחום האותות הדיפרנציאליים והחד-קצהים תוך הגברה וסינון אותות מחוץ לפס.
כאשר גיאומטריות סיליקון מתכווצות, הן מגדילות את יכולת העיבוד של כל דור SoC. מה מפתיע: תדרי הדגימה של ממירי נתונים פועלים כעת מעל 10 GS/sek ועד ל-64 GS/sek מחברות כמו Texas Instruments (TI), Analog Devices, Intel ו- Teledyne e2v.
בין יתרונות המערכת הרבים, שילוב זה ושילוב המהירות משנה את הארכיטקטורה של חזיתות מיקרוגל. המקלט ההיסטורי עם המרה כלפי מטה מ-RF ל-IF משתחווה לדגימת RF ישירה שבה אות המיקרוגל מומר ישירות לדיגיטלי. זה הרעיון מאחורי רדיו מוגדר תוכנה.
למרות שמערכות דגימת RF ישירה הפועלות בקצבי הנתונים הגבוהים ביותר יכולות לצרוך כוח DC משמעותי - מעבדים דיגיטליים חייבים לעמוד בקצב הנתונים - הם מפשטים את דיאגרמת בלוק RF עם היתרונות הנלווים של עלות, גודל ומשקל תוך הוספת גמישות ושיפורי ביצועים . עבור מערכות עם מספר ערוצים מקבילים, כגון מכ"ם פעיל מלא של מערך פאזות, דגימת RF ישירה משפרת את הסנכרון ואת קוהרנטיות הפאזה על פני הערוצים. פשרות ארכיטקטוניות אלו מעדיפות דגימת RF ישירה, אם לשפוט לפי מערכות ההגנה, התקשורת והמכשור המאמצות אותה.
עובר ל-mmWave
תכנון מערכת שתשתמש בדגימת RF ישירה, תורת הדגימה של Nyquist דורשת את תדירות הדגימה, fs, להיות יותר מפי שניים מהתדירות הגבוהה ביותר הנדגמת כדי להבטיח שהנתונים הדיגיטליים מייצגים במדויק את האות המקורי ללא כינוי. המשמעות היא שממיר אנלוגי לדיגיטלי (ADC) של 64 GS/Sec יכול באופן תיאורטי להמיר אותות עם תדרים ל-32 GHz. פס תדרים זה נקרא אזור Nyquist הראשון. לדמות, איור 1 (א) מציג אות פס בסיס מדוגם (הספקטרום הכחול), כאשר התמונות שנוצרו על ידי הדגימה מוצגות באדום. כינוי מתרחש כאשר הפס של האות הנדגם גדול מ-fs/2, מה שגורם לספקטרום התמונה והפס הבסיסי לחפוף.
איור 1. מקרה של דגימת אות (א) בתוך אזור Nyquist הראשון, שבו התדר העליון של האות קטן מ-fS/2. התמונות הקרובות ביותר של הספקטרום הנדגם נופלות באזור ה-Nyquist השני והשלישי. במקרה של תת-דגימה, הלהקה שנדגמה נופלת באזור Nyquist השני, והתמונות הקרובות ביותר נמצאות באזור Nyquist הראשון והשלישי.
דגימת RF ישירה מתרחבת לתדרים מעל אזור Nyquist הראשון אם רוחב הפס האות הנדגם אינו עולה על fs/2. זה נקרא תת-דגימה או דגימה הרמונית. איור 1 (ב) ממחיש את המקרה הזה, שבו הספקטרום שנדגם נמצא באזור ניקוויסט השני. מכיוון שדגימת תת תטפל ברוחב פס האות עד fs/2, היא שימושית עבור מערכות mmWave, שבהן רוחב הפס גדול בדרך כלל בגלל הספקטרום הזמין.
ממיר הנתונים קובע את הביצועים
ממיר הנתונים מניע את הביצועים של מערכת דגימת RF ישירה. במקלט, אות ה-RF המוצג ל-ADC חייב להיות מותאם בצורה מיטבית לדרישות הקלט של ה-ADC. במשדר, הממשק ביציאה של הממיר הדיגיטלי לאנלוגי (DAC) חייב לשמור על נאמנות האות הדיגיטלי.
רוב ה-ADC וה-DAC המהירים במיוחד משתמשים בזרימת אות דיפרנציאלית, המספקת יתרונות משמעותיים:
- עיוות מופחת מסדר שני,
- הפרעות במצב משותף מדוכא,
- הארקה טובה יותר,
- חסינות בפני צימוד מצע,
- צימוד טפילי תחתון, ו
- דחיית רעשי אספקת חשמל משופרת.
עם זאת, מערכות RF הן בדרך כלל חד-קצה עם עכבה אופיינית של 50 Ω. בעוד שההמרה בין דיפרנציאלית ליחידה יכולה להתבצע עם בלונים פסיביים עם אובדן, הממשק הרגיש בין ממירי הנתונים הדיפרנציאליים לשרשראות אותות RF חד-קצה מחייב בלונים אקטיביים שתוכננו במיוחד כדי למקסם את הביצועים של ממירי הנתונים היקרים.
תפקידו של Balun הפעיל
במקלט, יש לסנן ולהגביר את אות המיקרוגל המניע את ה-ADC לרמת הכניסה המקסימלית של ה-ADC, תוך הוספת רעש מינימלי, הרמוניות ועיוות אינטרמודולציה או דרבנים. בצד השידור, יש להמיר את הפלט הדיפרנציאלי של ה-DAC לחד-קצה ולהגביר במידה מספקת כדי להניע את שרשרת מגבר ההספק של המשדר, תוך הוספת רעש מינימלי, הרמוניות ואינטרמודולציה. באלון אקטיבי משלב את הבלאון הפסיבי עם סינון והגברה עם רעש נמוך/לינאריות גבוהה.
איור 2 מציג את דיאגרמת הבלוק של משדר דגימת RF ישיר והיכן הבלונים הפעילים מתאימים בזרימת האות. בעוד שאותן פונקציות מעגל משולבות @mdash; balun פסיבי, סינון נגד כינוי ומגברי רעש נמוך מעין-דיפרנציאליים @mdash; לנתיבי השידור והקבלה יש זרימת אות הפוכה, המצריכים MMICs נפרדים עבור ADC ו-DAC.
איור 2. במקלט-משדר המשתמש בדגימת RF ישירה, ה-Balun האקטיבי משלב בלון פסיבי עם סינון נגד כינוי ורעש נמוך, ליניאריות גבוהה, מגברים רחבי פס. זרימת האות עבור DAC הפוכה לזו עבור ADC.
בלונים אקטיביים מייעלים את הממשק עם ממיר הנתונים, ומספקים רוחב פס רחב, ליניאריות גבוהה, נתון רעש נמוך, דחיית מצב משותף גבוה ותנודת מתח גבוהה התואמת ל-ADC או DAC. לדוגמה, רצפת הרעש של הבלאון האקטיבי צריכה להיות נמוכה בהרבה מרצפת הרעש של ה-ADC. בנוסף לסיוע במקסום ביצועי המערכת, ה-balun האקטיבי יקטין את השטח במעגל המודפס (PCB), שכן שמירה על איזון הפאזה בין אותות דיפרנציאליים מוסיפה לגודל המעגל ולמורכבות של פריסת ה-PCB.
הפעלת ה-Active Balun
רוחב פס רחב, נתון רעש נמוך, ליניאריות גבוהה ויחס דחיית מצב נפוץ גבוה הם דרישות מפתח עבור balun אקטיבי. המעגל חייב להתמודד עם תנודת המתח בקנה מידה מלא של ממיר הנתונים, ורצפת הרעש שלו צריכה להיות נמוכה בהרבה מהרעש של ה-ADC או ה-DAC.
אתה יכול לעמוד בדרישות אלה עם balun אקטיבי המשתמש בתהליך טרנזיסטור דו-קוטבי הטרוג'נקי (HBT). GaAs HBTs יכולים להשיג ביצועים טובים דרך 20 GHz, ו-InP שימש עבור מגברי רעש נמוך עד מעל 100 GHz. בלונים אקטיביים המיוצרים ב-HBT הם קטנים מאוד, ומאפשרים טביעת רגל קומפקטית על גבי ה-PCB. יש להם גם רעש פאזה נמוך, פי 10 עד פי 20 מאשר עיצוב המיוצר בתהליך פסאודומורפי גבוה של ניידות אלקטרונים טרנזיסטור (pHEMT).
החיסרון העיקרי של מכשירי HBT הוא נתון הרעש הגבוה יחסית שלהם. לדוגמה, ל-mmTron Ka-Band balun אקטיבי המיועד ל-64 GS/Sec ADC יש נתון רעש מינימלי של 6 dB, בהשוואה לעיצוב pHEMT שלו עם נתון רעש מתחת ל-3.5 dB. השטח של העיצוב מבוסס HBT, לעומת זאת, קטן פי 3 מה-pHEMT MMIC המקביל.
בכל תהליך טֶכנוֹלוֹגִיָה הוא משתמש בו, Balun אקטיבי מאלץ פשרה בין השגת נתון הרעש הנמוך ביותר או הליניאריות הגבוהה ביותר. לדוגמה, התקני pHEMT המשמשים ב-TMC160 האקטיבי Balun של mmTron משיגים נתון רעש ממוצע של 1.5 dB על פני רוחב פס פעולה של 3 GHz עד 20 GHz וכניסה IP3 של 15 dBm. הגדלת הקלט IP3 ל-21 dBm מגדילה את נתון הרעש ל-3.5 dB. פשרות אלו ואחרות הן חלק מהעיצוב של ה-balun הפעיל, אשר לרוב מותאם לעבודה עם ממירי נתונים ספציפיים.
איור 3. לוח הערכה זה עבור DAC דו-ערוצי של Texas Instruments משתמש ב-balun פעיל בכל פלט. כל בלון אקטיבי משולב באריזת QFN בחלל אוויר בגודל 7 מ"מ × 7 מ"מ.
איור 3 מציג את לוח ההערכה עבור TI מרובה-Nyquist, דו-ערוצי DAC (DAC39RF10). עם עיבוד שני הערוצים, קצב נתוני הקלט המרבי הוא 10.24 GS/SEC, המוכפל ל-20.48 GS/SEC אם נעשה שימוש בערוץ בודד בלבד. כל פלט של ה-DAC מזין ממטרון balun אקטיבי, כל אחד משולב באריזת QFN עם חלל אוויר בגודל 7 מ"מ על 7 מ"מ. השימוש בבלונים אקטיביים מפשט את עיצוב הממשק ואינו צורך שטחי PCB רבים. כדי לתמוך בממירי נתונים רב-ערוציים, ניתן לשלב מספר ערוצי balun פעילים בחבילת QFN אחת.
העתיד
האימוץ של דגימת RF ישירה במערכות מיקרוגל ו-mmWave יצר הזדמנות לקטגוריה חדשה של רכיבי מיקרוגל, ה-Balun הפעיל. תפקידו לממשק בין ממירי הנתונים המהירים לבין שרשראות האותות המסורתיות של מיקרוגל ו-mmWave, תוך שמירה על הטווח הדינמי נטול הדורבן של ה-DAC וה-ADC. הבלונים האקטיביים משלבים את הבלונים הפסיביים המסורתיים עם הגברה וסינון באריזה קטנה לתלייה משטחית, המפשטת את עיצוב המערכת ואת פריסת ה-PCB.
על הסופר
בעבר, Tabatabaei היה מנכ"ל Teramics, חברת שירותי עיצוב שהתמקדה גם בשוק mmWave. הניסיון שלו ב-mmWave משתרע על Endwave Corporation, אחת החברות החלוצות בתעשייה, שם שימש כסמנכ"ל סמיקונדקטור מוצרים.
תפקידים קודמים כוללים מנהל הנדסי של ארגון המיקרו-אלקטרוניקה בתוך Hewlett Packard (כיום Keysight Technologies), M/A-COM והמעבדה למדעי הפיזיקה.
לד"ר טבטבאי יש דוקטורט. מאוניברסיטת מרילנד, קולג' פארק, ותעודת ניהול מבית הספר לעסקים של MIT Sloan.
