Сейед Табатабаи, mmTron
Для достижения технических характеристик сверхвысокоскоростных преобразователей данных с тактовой частотой 64 Гвыб/сек передача обслуживания в микроволновую область и обратно должна быть почти идеальной. Чтобы сохранить динамический диапазон преобразователей данных без паразитных помех, была разработана новая категория компонентов, которые преобразуют дифференциальные и несимметричные сигналы, одновременно усиливая и фильтруя внеполосные сигналы.
Поскольку геометрия кремния сжимается, они увеличивают вычислительную мощность каждого поколения SoC. Что удивительно: частоты дискретизации преобразователей данных сейчас превышают 10 Гвыб/с и достигают 64 Гвыб/с у таких компаний, как Texas Instruments (TI), Analog Devices, Intel и Teledyne e2v.
Среди многих преимуществ системы такое сочетание интеграции и скорости меняет архитектуру интерфейсных СВЧ-систем. Исторический приемник с понижающим преобразованием из ВЧ в ПЧ склоняется к прямой ВЧ выборке, при которой микроволновый сигнал напрямую преобразуется в цифровой. Это концепция программно-определяемого радио.
Хотя системы прямой радиочастотной выборки, работающие на самых высоких скоростях передачи данных, могут потреблять значительную мощность постоянного тока (цифровые процессоры должны поддерживать скорость передачи данных), они упрощают блок-схему радиочастот с сопутствующими преимуществами стоимости, размера и веса, одновременно добавляя гибкость и улучшая производительность. . Для систем с несколькими параллельными каналами, таких как полностью активные радары с фазированной решеткой, прямая радиочастотная выборка улучшает синхронизацию и фазовую когерентность по каналам. Эти архитектурные компромиссы благоприятствуют прямому отбору радиочастотных сигналов, судя по системам обороны, связи и контрольно-измерительных приборов, которые его применяют.
Переходим на mmWave
При проектировании системы, которая будет использовать прямую радиочастотную выборку, теория выборки Найквиста требует частоты дискретизации fs, чтобы более чем в два раза превышать самую высокую частоту дискретизации, чтобы гарантировать, что цифровые данные точно представляют исходный сигнал без наложения спектров. Это означает, что аналого-цифровой преобразователь (АЦП) со скоростью 64 Гвыб/с теоретически может преобразовывать сигналы с частотой до 32 ГГц. Эта полоса частот называется первой зоной Найквиста. Проиллюстрировать, Рисунок 1 (a) показывает дискретизированный базовый сигнал (синий спектр), а изображения, созданные в результате дискретизации, показаны красным. Совмещение возникает, когда полоса дискретизированного сигнала превышает fs/2, что приводит к перекрытию спектров изображения и основной полосы частот.
Рис. 1. Случай дискретизации сигнала (а) в пределах первой зоны Найквиста, когда верхняя частота сигнала меньше fS/2. Ближайшие изображения дискретизированного спектра попадают во вторую и третью зоны Найквиста. В случае недостаточной выборки полоса выборки попадает во вторую зону Найквиста, а наиболее близкие изображения находятся в первой и третьей зонах Найквиста.
Прямая радиочастотная выборка распространяется на частоты выше первой зоны Найквиста, если полоса пропускания дискретизируемого сигнала не превышает f.s/2. Это называется недостаточной выборкой или гармонической выборкой. Рисунок 1 (b) иллюстрирует этот случай, когда выбранный спектр лежит во второй зоне Найквиста. Поскольку при недостаточной выборке ширина полосы сигнала будет достигать fs/2, это полезно для систем миллиметрового диапазона, где полоса пропускания обычно велика из-за доступного спектра.
Преобразователь данных обеспечивает производительность
Преобразователь данных обеспечивает производительность системы прямой радиочастотной выборки. В приемнике радиочастотный сигнал, подаваемый на АЦП, должен быть оптимально согласован с входными требованиями АЦП. В передатчике интерфейс на выходе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) должен поддерживать точность цифрового сигнала.
Большинство сверхбыстродействующих АЦП и ЦАП используют дифференциальный поток сигналов, что обеспечивает значительные преимущества:
- уменьшение искажений второго порядка,
- подавление синфазных помех,
- лучшее заземление,
- невосприимчивость к связи с субстратом,
- снижение паразитной связи и
- улучшенное подавление помех источника питания.
Однако радиочастотные системы обычно являются несимметричными с характеристическим сопротивлением 50 Ом. Хотя преобразование между дифференциальным и несимметричным сигналом может быть выполнено с помощью пассивного симметрирующего устройства с потерями, чувствительный интерфейс между дифференциальными преобразователями данных и несимметричными цепями радиочастотных сигналов требует использования активных симметрирующих устройств, специально разработанных для максимизации производительности дорогих преобразователей данных.
Роль активного балуна
В приемнике микроволновый сигнал, управляющий АЦП, должен фильтроваться и усиливаться до максимального входного уровня АЦП, добавляя минимальный шум, гармоники и интермодуляционные искажения или помехи. На стороне передачи дифференциальный выход ЦАП должен быть преобразован в несимметричный и усилен в достаточной степени для управления цепью усилителя мощности передатчика, добавляя минимальный шум, гармоники и интермодуляцию. Активный балун объединяет пассивный балун с фильтрацией и усилением с низким уровнем шума и высокой линейностью.
Рисунок 2 показана блок-схема приемопередатчика с прямой радиочастотной выборкой и показано, где активные балуны вписываются в поток сигнала. Хотя те же функции схемы интегрированы @mdash; пассивный балун, фильтрация помех и квазидифференциальные малошумящие усилители @mdash; пути передачи и приема имеют противоположный поток сигналов, что требует отдельных MMIC для АЦП и ЦАП.
Рисунок 2. В трансивере, использующем прямую радиочастотную выборку, активный симметрирующий преобразователь объединяет пассивный симметрирующий преобразователь с фильтрацией помех и малошумящими широкополосными усилителями с высокой линейностью. Поток сигналов для ЦАП противоположен потоку сигналов для АЦП.
Активные симметрирующие устройства оптимизируют интерфейс с преобразователем данных, обеспечивая широкую полосу пропускания, высокую линейность, низкий коэффициент шума, высокое подавление синфазных сигналов и высокий размах напряжения, совместимый с АЦП или ЦАП. Например, уровень шума активного балуна должен быть намного ниже, чем уровень шума АЦП. Активный балун не только помогает максимизировать производительность системы, но и уменьшает площадь печатной платы (PCB), поскольку поддержание фазового баланса между дифференциальными сигналами увеличивает размер схемы и усложняет компоновку печатной платы.
Питание активного балуна
Широкая полоса пропускания, низкий коэффициент шума, высокая линейность и высокий коэффициент подавления синфазного сигнала являются ключевыми требованиями к активному симметрирующему устройству. Схема должна выдерживать полномасштабное колебание напряжения преобразователя данных, а ее минимальный уровень шума должен быть намного ниже, чем шум АЦП или ЦАП.
Вы можете удовлетворить эти требования с помощью активного балуна, в котором используется процесс биполярного транзистора с гетеропереходом (HBT). GaAs HBT могут достигать хороших характеристик в диапазоне частот до 20 ГГц, а InP используется для малошумящих усилителей до частот выше 100 ГГц. Активные балуны, изготовленные из HBT, очень малы, что позволяет занимать компактную площадь для поверхностного монтажа на печатной плате. Они также имеют низкий фазовый шум, в 10-20 раз ниже, чем у конструкции, изготовленной с использованием псевдоморфного транзистора с высокой подвижностью электронов (pHEMT).
Основным недостатком устройств HBT является их относительно высокий коэффициент шума. Например, активный балун Ka-диапазона mmTron, рассчитанный на АЦП с частотой 64 Гвыб/с, имеет минимальный коэффициент шума 6 дБ по сравнению с его конструкцией pHEMT с коэффициентом шума ниже 3.5 дБ. Однако площадь конструкции на основе HBT в 3 раза меньше, чем у эквивалентной MMIC pHEMT.
Какой бы процесс technology он использует активный балун, который заставляет найти компромисс между достижением минимального коэффициента шума или максимальной линейностью. Например, устройства pHEMT, используемые в активном балуне TMC160 компании mmTron, достигают среднего коэффициента шума 1.5 дБ в рабочей полосе частот от 3 до 20 ГГц и входном IP3 15 дБм. Увеличение входного IP3 до 21 дБм увеличивает коэффициент шума до 3.5 дБ. Эти и другие компромиссы являются частью конструкции активного балуна, который часто оптимизируется для работы с конкретными преобразователями данных.
Рисунок 3. Эта оценочная плата для двухканального ЦАП Texas Instruments использует активный балун на каждом выходе. Каждый активный балун встроен в корпус QFN с воздушной полостью размером 7 × 7 мм.
Рисунок 3 показана оценочная плата для двухканального ЦАП TI Multi-Nyquist (DAC39RF10). При обработке обоих каналов максимальная скорость входных данных составляет 10.24 Гвыб/сек, которая удваивается до 20.48 Гвыб/сек, если используется только один канал. Каждый выход ЦАП питает активный балун mmTron, каждый из которых встроен в корпус QFN с воздушной полостью 7 x 7 мм. Использование активных балунов упрощает конструкцию интерфейса и не занимает много места на печатной плате. Для поддержки многоканальных преобразователей данных несколько активных симметрирующих каналов могут быть интегрированы в один пакет QFN.
Будущее
Внедрение прямой выборки радиочастотных сигналов в микроволновых и миллиметровых системах создало возможность для новой категории микроволновых компонентов — активных симметрирующих устройств. Его роль заключается в обеспечении интерфейса между высокоскоростными преобразователями данных и традиционными цепями сигналов микроволнового и миллиметрового диапазона, сохраняя динамический диапазон ЦАП и АЦП без помех. Активный балун объединяет традиционный пассивный балун с усилением и фильтрацией в небольшом корпусе для поверхностного монтажа, что упрощает проектирование системы и разводку печатной платы.
Об авторе
Ранее Табатабаи был генеральным директором Teramics, компании, предоставляющей дизайнерские услуги, также ориентированной на рынок миллиметровых волн. Его опыт работы с миллиметровыми волнами распространяется на Endwave Corporation, одну из новаторских компаний в отрасли, где он занимал должность вице-президента по полупроводник продукции.
Ранее занимал должности инженерного менеджера подразделения микроэлектроники в Hewlett Packard (ныне Keysight Technologies), M/A-COM и Лаборатории физических наук.
Доктор Табатабаи имеет докторскую степень. Университета Мэриленда в Колледж-Парке и сертификат менеджмента Школы бизнеса Слоана Массачусетского технологического института.
