Seyed Tabatabaei、mmTron 著
超高速データ コンバータのデータシートのパフォーマンスを達成するには、現在 64 GS/秒のクロックで動作しており、マイクロ波ドメインとの間のハンドオフがほぼ完璧である必要があります。データコンバータのスプリアスフリーダイナミックレンジを維持するために、帯域外信号を増幅およびフィルタリングしながら、差動信号ドメインとシングルエンド信号ドメインの間で変換する新しいカテゴリのコンポーネントが開発されました。
シリコンの形状が縮小すると、各 SoC 世代の処理能力が向上します。驚くべきことに、Texas Instruments (TI)、Analog Devices、Intel、Teledyne e10v などの企業では、データ コンバータのサンプリング周波数が 64 GS/秒を超え、最高で 2 GS/秒にも達しています。
多くのシステム利点の中でも、この統合と速度の組み合わせは、マイクロ波フロントエンドのアーキテクチャを変革しています。 RF から IF へのダウンコンバージョンを備えた歴史的な受信機は、マイクロ波信号が直接デジタルに変換されるダイレクト RF サンプリングに移行しています。それがソフトウェア無線の背後にある概念です。
最高のデータ レートで動作するダイレクト RF サンプリング システムは、大量の DC 電力を消費する可能性がありますが (デジタル プロセッサはデータ レートに対応する必要があります)、柔軟性とパフォーマンスの向上を実現しながら、コスト、サイズ、重量の利点を伴う RF ブロック図を簡素化します。 。フルアクティブフェーズドアレイレーダーなど、複数の並列チャネルを備えたシステムの場合、直接 RF サンプリングによりチャネル全体の同期と位相コヒーレンスが向上します。これらのアーキテクチャ上のトレードオフは、直接 RF サンプリングを採用している防衛、通信、計測システムから判断すると、直接 RF サンプリングに有利です。
ミリ波への移行
直接 RF サンプリングを使用するシステムを設計する場合、ナイキスト サンプリング理論ではサンプリング周波数 f が必要です。s、デジタル データがエイリアシングなしで元の信号を正確に表現することを保証するために、サンプリングされる最高周波数の 64 倍以上にする必要があります。これは、32 GS/秒のアナログデジタル コンバータ (ADC) が理論的には XNUMX GHz の周波数の信号を変換できることを意味します。この周波数帯域は第 XNUMX ナイキスト ゾーンと呼ばれます。説明する、 図1（a） は、サンプリングされたベースバンド信号 (青色のスペクトル) を示し、サンプリングによって生成された画像は赤色で示されています。エイリアシングは、サンプリングされた信号の帯域が fs/2 より大きい場合に発生し、画像とベースバンドのスペクトルが重複します。
図 1. 最初のナイキスト ゾーン内の信号 (a) をサンプリングする場合。信号の上部周波数は f 未満です。S/2.サンプリングされたスペクトルの最も近いイメージは、XNUMX 番目と XNUMX 番目のナイキスト ゾーンに分類されます。アンダーサンプリングの場合、サンプリングされたバンドは XNUMX 番目のナイキスト ゾーンに含まれ、最も近いイメージは XNUMX 番目と XNUMX 番目のナイキスト ゾーンにあります。
ダイレクト RF サンプリングは、サンプリングされる信号帯域幅が f を超えない場合、最初のナイキスト ゾーンを超える周波数まで拡張されます。s/2.これは、アンダーサンプリングまたは高調波サンプリングと呼ばれます。 図1（b） は、サンプリングされたスペクトルが 2 番目のナイキスト ゾーンにある場合を示しています。アンダーサンプリングは信号帯域幅を fs/XNUMX まで処理するため、利用可能なスペクトルにより帯域幅が一般に広いミリ波システムに役立ちます。
データコンバーターがパフォーマンスを設定します
データ コンバータは、ダイレクト RF サンプリング システムのパフォーマンスを推進します。受信機では、ADC に送信される RF 信号が ADC の入力要件に最適に一致する必要があります。送信機では、デジタル - アナログ コンバーター (DAC) の出力のインターフェイスがデジタル信号の忠実度を維持する必要があります。
ほとんどの超高速 ADC および DAC は差動信号フローを使用するため、次のような大きな利点があります。
- 二次歪みを低減し、
- コモンモード干渉を抑制し、
- より良い接地、
- 基板結合に対する耐性、
- より低い寄生結合、および
- 電源ノイズ除去が向上しました。
ただし、RF システムは通常、特性インピーダンスが 50 Ω のシングルエンドです。差動とシングルエンドの間の変換は損失の多いパッシブ バランで実現できますが、差動データ コンバータとシングルエンド RF 信号チェーンの間の繊細なインターフェイスには、高価なデータ コンバータの性能を最大化するように特別に設計されたアクティブ バランが必要です。
アクティブバランの役割
受信機では、ADC を駆動するマイクロ波信号をフィルタリングして ADC の最大入力レベルまで増幅し、ノイズ、高調波、相互変調歪みやスプリアスを最小限に抑える必要があります。送信側では、DAC の差動出力をシングルエンドに変換し、送信機のパワー アンプ チェーンを駆動するのに十分な量に増幅し、追加するノイズ、高調波、相互変調を最小限に抑える必要があります。アクティブ バランは、フィルタリングと低ノイズ/高直線性増幅を備えたパッシブ バランを統合します。
図2 に、ダイレクト RF サンプリング トランシーバーのブロック図と、アクティブ バランが信号フローに適合する場所を示します。同じ回路機能が統合されていますが、@mdash;パッシブバラン、アンチエイリアスフィルタリング、疑似差動低ノイズアンプ @mdash;送信パスと受信パスでは信号の流れが逆になるため、ADC と DAC に個別の MMIC が必要になります。
図2. ダイレクトRFサンプリングを使用するトランシーバーでは、アクティブ・バランは、アンチエイリアス・フィルタリングと低ノイズ、高直線性、広帯域アンプを備えたパッシブ・バランを統合しています。 DAC の信号の流れは ADC の信号の流れと逆になります。
アクティブバランは、データコンバータとのインターフェースを最適化し、広帯域幅、高い直線性、低い雑音指数、高いコモンモード除去、およびADCまたはDACと互換性のある高い電圧スイングを提供します。たとえば、アクティブ バランのノイズ フロアは、ADC のノイズ フロアよりもはるかに低くなければなりません。アクティブバランは、システムパフォーマンスの最大化に役立つだけでなく、差動信号間の位相バランスを維持することで回路サイズと PCB レイアウトの複雑さが増すため、プリント基板 (PCB) 上の面積も削減します。
アクティブバランへの電力供給
広い帯域幅、低い雑音指数、高い直線性、および高いコモンモード除去比は、アクティブバランの重要な要件です。回路はデータ コンバータのフルスケール電圧振幅を処理する必要があり、そのノイズ フロアは ADC または DAC のノイズよりもはるかに低くなければなりません。
ヘテロ接合バイポーラ トランジスタ (HBT) プロセスを使用するアクティブ バランを使用すると、これらの要件を満たすことができます。 GaAs HBT は 20 GHz まで良好な性能を達成でき、InP は 100 GHz 以上までの低ノイズアンプに使用されています。 HBT で製造されたアクティブ バランは非常に小さいため、PCB 上のコンパクトな表面実装フットプリントが可能になります。また、位相ノイズも低く、擬似高電子移動度トランジスタ (pHEMT) プロセスで製造された設計よりも 10 倍から 20 倍低くなります。
HBT デバイスの主な欠点は、ノイズ指数が比較的高いことです。たとえば、64 GS/秒 ADC 用に設計された mmTron Ka バンド アクティブ バランの最小雑音指数は 6 dB ですが、pHEMT 設計の雑音指数は 3.5 dB 未満です。ただし、HBT ベースの設計の面積は、同等の pHEMT MMIC よりも 3 分の XNUMX です。
どの工程でも テクノロジー アクティブバランを使用すると、最低の雑音指数を達成するか最高の直線性を達成するかのトレードオフが強制されます。たとえば、mmTron の TMC160 アクティブ バランで使用されている pHEMT デバイスは、1.5 GHz ～ 3 GHz の動作帯域幅および 20 dBm の入力 IP3 にわたって 15 dB の平均雑音指数を達成しています。入力 IP3 を 21 dBm に増やすと、雑音指数は 3.5 dB に増加します。これらおよびその他のトレードオフはアクティブ バランの設計の一部であり、特定のデータ コンバータで動作するように最適化されることがよくあります。
図3. Texas InstrumentsのデュアルチャネルDAC用のこの評価ボードは、各出力でアクティブバランを使用しています。各アクティブ バランは、7 mm × 7 mm のエアキャビティ QFN パッケージに統合されています。
図3 に、TI マルチ ナイキスト、デュアル チャネル DAC (DAC39RF10) の評価ボードを示します。両方のチャネルを処理する場合、最大入力データ レートは 10.24 GS/SEC ですが、20.48 つのチャネルのみを使用する場合は 7 倍の 7 GS/SEC になります。 DAC の各出力は mmTron アクティブ バランに供給され、それぞれが XNUMX mm x XNUMX mm のエアキャビティ QFN パッケージに統合されています。アクティブバランの使用によりインターフェースの設計が簡素化され、PCB 面積をあまり消費しません。マルチチャネル データ コンバータをサポートするために、複数のアクティブ バラン チャネルを単一の QFN パッケージに統合できます。
未来
マイクロ波およびミリ波システムでの直接 RF サンプリングの採用により、新しいカテゴリのマイクロ波コンポーネントであるアクティブ バランの機会が生まれました。その役割は、高速データコンバータと従来のマイクロ波およびミリ波信号チェーンの間のインターフェースを提供し、DAC および ADC のスプリアスフリーのダイナミックレンジを維持することです。アクティブ バランは、増幅およびフィルタリングを備えた従来のパッシブ バランを小型の表面実装パッケージに統合し、システム設計と PCB レイアウトを簡素化します。
著者,
タバタベイ氏は以前、やはりミリ波市場に重点を置いた設計サービス会社である Teramics の CEO を務めていました。彼のミリ波経験は、業界の先駆的企業の 1 つである Endwave Corporation にまで及び、そこで彼は副社長を務めました。 半導体 製品。
以前の役職には、Hewlett Packard (現 Keysight Technologies)、M/A-COM、および物理科学研究所内のマイクロエレクトロニクス組織のエンジニアリング マネージャーが含まれます。
タバタベイ博士は博士号を取得しています。メリーランド大学カレッジパーク校で学位を取得し、MIT スローン ビジネス スクールで経営証明書を取得しています。
