door Seyed Tabatabaei, mmTron
Om de datasheetprestaties van ultrasnelle dataconverters te bereiken, die nu klokken tot 64 GS/sec, moet de overdracht van en naar het microgolfdomein vrijwel perfect zijn. Om het onechte dynamische bereik van de dataconverters te behouden, is een nieuwe categorie componenten ontwikkeld die converteert tussen de differentiële en single-ended signaaldomeinen, terwijl signalen buiten de band worden versterkt en gefilterd.
Naarmate de siliciumgeometrieën kleiner worden, vergroten ze de verwerkingscapaciteit van elke SoC-generatie. Wat verrassend is: de bemonsteringsfrequenties voor dataconverters lopen nu boven de 10 GS/sec en wel 64 GS/sec van bedrijven als Texas Instruments (TI), Analog Devices, Intel en Teledyne e2v.
Een van de vele systeemvoordelen is dat deze combinatie van integratie en snelheid de architectuur van microgolffront-ends transformeert. De historische ontvanger met neerwaartse conversie van RF naar IF maakt een buiging voor directe RF-sampling waarbij het microgolfsignaal direct wordt omgezet naar digitaal. Dat is het concept achter softwaregedefinieerde radio.
Hoewel directe RF-bemonsteringssystemen die op de hoogste datasnelheden werken, aanzienlijk gelijkstroom kunnen verbruiken (digitale processors moeten de datasnelheid bijhouden) vereenvoudigen ze het RF-blokdiagram met de daarmee gepaard gaande voordelen van kosten, omvang en gewicht, terwijl ze flexibiliteit en prestatieverbeteringen toevoegen. . Voor systemen met meerdere parallelle kanalen, zoals een volledig actieve phased-array-radar, verbetert directe RF-sampling de synchronisatie en fasecoherentie over de kanalen. Deze architecturale afwegingen geven de voorkeur aan directe RF-bemonstering, te oordelen naar de verdedigings-, communicatie- en instrumentatiesystemen die hiervan gebruik maken.
Verhuizen naar mmWave
Bij het ontwerpen van een systeem dat directe RF-bemonstering gebruikt, vereist de Nyquist-bemonsteringstheorie de bemonsteringsfrequentie fs, om meer dan tweemaal de hoogste frequentie te zijn die wordt bemonsterd om ervoor te zorgen dat de digitale gegevens het originele signaal nauwkeurig weergeven zonder aliasing. Dit betekent dat een analoog-digitaalomzetter (ADC) van 64 GS/Sec in theorie signalen met frequenties tot 32 GHz kan omzetten. Deze frequentieband wordt de eerste Nyquist-zone genoemd. Illustreren, Figuur 1 (a) toont een bemonsterd basisbandsignaal (het blauwe spectrum), waarbij de door bemonstering gegenereerde beelden in rood worden weergegeven. Aliasing treedt op wanneer de band van het bemonsterde signaal groter is dan fs/2, waardoor de beeld- en basisbandspectra elkaar overlappen.
Figuur 1. Het geval van het bemonsteren van een signaal (a) binnen de eerste Nyquist-zone, waar de bovenste frequentie van het signaal kleiner is dan fS/2. De dichtstbijzijnde beelden van het bemonsterde spectrum vallen in de tweede en derde Nyquist-zones. In het geval van onderbemonstering valt de bemonsterde band in de tweede Nyquist-zone en bevinden de dichtstbijzijnde beelden zich in de eerste en derde Nyquist-zone.
Directe RF-bemonstering strekt zich uit tot frequenties boven de eerste Nyquist-zone als de bemonsterde signaalbandbreedte f niet overschrijdts/2. Dit wordt onderbemonstering of harmonische bemonstering genoemd. Figuur 1 (b) illustreert dit geval, waarbij het bemonsterde spectrum in de tweede Nyquist-zone ligt. Omdat onderbemonstering signaalbandbreedtes tot fs/2 kan verwerken, is het nuttig voor mmWave-systemen, waar de bandbreedte doorgaans groot is vanwege het beschikbare spectrum.
De dataconverter bepaalt de prestaties
De dataconverter stuurt de prestaties van een direct RF-bemonsteringssysteem aan. In de ontvanger moet het RF-signaal dat aan de ADC wordt aangeboden optimaal worden afgestemd op de ingangsvereisten van de ADC. In de zender moet de interface aan de uitgang van de digitaal-analoogomzetter (DAC) de betrouwbaarheid van het digitale signaal behouden.
De meeste ultrasnelle ADC's en DAC's gebruiken een differentiële signaalstroom, wat aanzienlijke voordelen biedt:
- verminderde vervorming van de tweede orde,
- onderdrukte common-mode-interferentie,
- betere aarding,
- immuniteit voor substraatkoppeling,
- lagere parasitaire koppeling, en
- verbeterde ruisonderdrukking van de voeding.
RF-systemen zijn echter doorgaans single-ended met een karakteristieke impedantie van 50 Ω. Hoewel de conversie tussen differentieel en enkelzijdig kan worden bereikt met een passieve balun met verlies, vraagt de gevoelige interface tussen de differentiële dataconverters en de single-ended RF-signaalketens om actieve baluns die specifiek zijn ontworpen om de prestaties van de dure dataconverters te maximaliseren.
Rol van de Actieve Balun
In de ontvanger moet het microgolfsignaal dat de ADC aandrijft, worden gefilterd en versterkt tot het maximale ingangsniveau van de ADC, waardoor minimale ruis, harmonischen en intermodulatievervorming of sporen worden toegevoegd. Aan de zendzijde moet de differentiële uitgang van de DAC worden geconverteerd naar single-ended en voldoende worden versterkt om de eindversterkerketen van de zender aan te drijven, waardoor minimale ruis, harmonischen en intermodulatie worden toegevoegd. Een actieve balun integreert de passieve balun met filtering en versterking met weinig ruis/hoge lineariteit.
Figuur 2 toont het blokdiagram van een directe RF-bemonsteringstransceiver en waar de actieve baluns in de signaalstroom passen. Terwijl dezelfde circuitfuncties @mdash; een passieve balun, anti-alias filtering en quasi-differentiële versterkers met lage ruis @mdash; de zend- en ontvangstpaden hebben een tegengestelde signaalstroom, waardoor afzonderlijke MMIC's nodig zijn voor een ADC en DAC.
Afbeelding 2. In een transceiver die gebruikmaakt van directe RF-sampling, integreert de actieve balun een passieve balun met anti-aliasfiltering en breedbandversterkers met lage ruis en hoge lineariteit. De signaalstroom voor een DAC is tegengesteld aan die voor de ADC.
Actieve baluns optimaliseren de interface met de dataconverter en bieden een grote bandbreedte, hoge lineariteit, laag ruisgetal, hoge common-mode-onderdrukking en een hoogspanningszwaai die compatibel is met de ADC of DAC. De ruisvloer van de actieve balun moet bijvoorbeeld veel lager zijn dan de ruisvloer van de ADC. Naast het helpen maximaliseren van de systeemprestaties, zal de actieve balun het gebied op de printplaat (PCB) verkleinen, omdat het handhaven van de fasebalans tussen differentiële signalen bijdraagt aan de circuitgrootte en complexiteit van de PCB-indeling.
De actieve balun van stroom voorzien
Een grote bandbreedte, een laag ruisgetal, een hoge lineariteit en een hoge common-mode-afwijzingsratio zijn belangrijke vereisten voor een actieve balun. Het circuit moet de volledige spanningszwaai van de dataconverter aankunnen, en de ruisvloer moet veel lager zijn dan de ruis van de ADC of DAC.
U kunt aan deze eisen voldoen met een actieve balun die gebruikmaakt van een heterojunctie bipolair transistorproces (HBT). GaAs HBT's kunnen goede prestaties behalen via 20 GHz, en InP is gebruikt voor versterkers met weinig ruis tot boven 100 GHz. Actieve baluns vervaardigd in HBT zijn zeer klein, waardoor een compact oppervlak voor montage op de printplaat mogelijk is. Ze hebben ook een lage faseruis, 10x tot 20x lager dan een ontwerp dat is vervaardigd met een pseudomorfisch transistorproces met hoge elektronenmobiliteit (pHEMT).
Het belangrijkste nadeel van HBT-apparaten is hun relatief hoge ruiscijfer. Een mmTron Ka-Band actieve balun ontworpen voor een 64 GS/Sec ADC heeft bijvoorbeeld een minimaal ruisgetal van 6 dB, vergeleken met het pHEMT-ontwerp met een ruisgetal van minder dan 3.5 dB. Het gebied van het op HBT gebaseerde ontwerp is echter 3x kleiner dan dat van de equivalente pHEMT MMIC.
Welk proces dan ook technologie er gebruik wordt gemaakt, dwingt een actieve balun een afweging af tussen het bereiken van het laagste ruisgetal of de hoogste lineariteit. De pHEMT-apparaten die worden gebruikt in mmTron's TMC160 actieve balun bereiken bijvoorbeeld een gemiddeld ruisgetal van 1.5 dB over een werkbandbreedte van 3 GHz tot 20 GHz en een ingangs-IP3 van 15 dBm. Als u de ingang IP3 verhoogt naar 21 dBm, neemt het ruisgetal toe tot 3.5 dB. Deze en andere afwegingen maken deel uit van het ontwerp van de actieve balun, dat vaak is geoptimaliseerd om met specifieke dataconverters te werken.
Figuur 3. Dit evaluatiebord voor een tweekanaals DAC van Texas Instruments gebruikt een actieve balun aan elke uitgang. Elke actieve balun is geïntegreerd in een QFN-pakket met luchtholte van 7 mm x 7 mm.
Figuur 3 toont het evaluatiebord voor een TI multi-Nyquist, tweekanaals DAC (DAC39RF10). Wanneer beide kanalen worden verwerkt, is de maximale invoergegevenssnelheid 10.24 GS/SEC, wat verdubbelt tot 20.48 GS/SEC als er slechts één kanaal wordt gebruikt. Elke uitgang van de DAC voedt een actieve mmTron-balun, elk geïntegreerd in een QFN-pakket met luchtholte van 7 mm x 7 mm. Het gebruik van actieve baluns vereenvoudigt het ontwerp van de interface en neemt niet veel PCB-ruimte in beslag. Ter ondersteuning van meerkanaals dataconverters kunnen meerdere actieve balunkanalen in één QFN-pakket worden geïntegreerd.
De toekomst
De toepassing van directe RF-bemonstering in microgolf- en mmWave-systemen heeft de mogelijkheid gecreëerd voor een nieuwe categorie microgolfcomponenten, de actieve balun. Zijn rol is om een interface te vormen tussen de hogesnelheidsdataconverters en traditionele microgolf- en mmWave-signaalketens, waarbij het spoorvrije dynamische bereik van de DAC en ADC behouden blijft. De actieve balun integreert de traditionele passieve balun met versterking en filtering in een klein opbouwpakket, waardoor het systeemontwerp en de PCB-indeling worden vereenvoudigd.
Over de auteur
Voorheen was Tabatabaei CEO van Teramics, een ontwerpdienstenbedrijf dat zich ook richtte op de mmWave-markt. Zijn mmWave-ervaring strekt zich uit tot Endwave Corporation, een van de baanbrekende bedrijven in de branche, waar hij VP was van halfgeleider producten.
Eerdere functies waren onder meer technisch manager van de micro-elektronica-organisatie binnen Hewlett Packard (nu Keysight Technologies), M/A-COM en het Laboratorium voor Fysische Wetenschappen.
Dr. Tabatabaei heeft een Ph.D. van de Universiteit van Maryland, College Park, en een managementcertificaat van de MIT Sloan School of Business.
