設(shè)計(jì)寬帶寬 多通道系統(tǒng)的逐步注意事項(xiàng)
發(fā)布時(shí)間:2020-11-01 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】下一代航天和國(guó)防以及測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)帶寬從10s到100s MHz橫跨到GHz的瞬時(shí)帶寬。相控陣?yán)走_(dá)、5G無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)、電子戰(zhàn)以及數(shù)字示波器的發(fā)展趨勢(shì)正在推動(dòng)業(yè)內(nèi)向更高帶寬發(fā)展,并且大幅增加系統(tǒng)中的通道數(shù)量。
這些趨勢(shì)使包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘和電源等組件的信號(hào)鏈設(shè)計(jì)變得復(fù)雜化。選擇合適的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、同步多個(gè)通道以及優(yōu)化電源,對(duì)于在多個(gè)通道上實(shí)現(xiàn)必要的帶寬至關(guān)重要。
選擇適合的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器
每個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)都是從對(duì)系統(tǒng)性能影響最大的器件開(kāi)始;在寬帶系統(tǒng)中,最先開(kāi)始的就是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。選擇哪一款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器取決于您對(duì)以下問(wèn)題的回答:
您是否會(huì)使用零中頻(IF)/復(fù)數(shù)混頻器架構(gòu)(如圖1所示)?
● 優(yōu)勢(shì):模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入帶寬和采樣率低于其他架構(gòu),由此可簡(jiǎn)化或消除濾波。
● 劣勢(shì):對(duì)于I和Q路徑,每個(gè)天線元件需要兩個(gè)ADC通道,且混頻器圖像可能會(huì)降低系統(tǒng)性能。
您是否會(huì)使用外差法(如圖2所示)?
● 優(yōu)勢(shì):您只需要一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器通道,且ADC輸入帶寬低于射頻(RF)采樣。
● 劣勢(shì):需要一個(gè)或多個(gè)混頻器,信號(hào)圖像和產(chǎn)生的諧波會(huì)使濾波復(fù)雜化;很難調(diào)整響應(yīng)頻率;必須移動(dòng)本地振蕩器(LO)。
您是否會(huì)使用直接射頻采樣(如圖3所示)?
● 優(yōu)勢(shì):由于信號(hào)鏈簡(jiǎn)化,不再需要混頻器;且使用數(shù)字下變頻器(DDC)和數(shù)控振蕩器(NCO)可以很輕松以數(shù)字方式調(diào)整頻率。
● 劣勢(shì):最高信號(hào)頻率必須在ADC的輸入帶寬內(nèi);需要進(jìn)行頻率規(guī)劃以實(shí)現(xiàn)最高性能。
圖1:“典型的復(fù)數(shù)混頻器架構(gòu)”
圖2:典型的外差架構(gòu)
圖3:典型的射頻采樣架構(gòu)
您需要測(cè)量的最寬帶寬信號(hào)是什么?
● 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的采樣率至少應(yīng)為直接采樣信號(hào)瞬時(shí)帶寬的2.5倍,或是零中頻的1.25倍。
● 為獲得最佳性能,約為瞬時(shí)帶寬10倍的采樣率將使您更輕松避免信號(hào)諧波和雜散。
TI的射頻采樣頻率規(guī)劃器、模擬濾波器和DDC Excel計(jì)算器可以滿足頻率規(guī)劃和濾波要求,并向您展示信號(hào)的復(fù)雜數(shù)字抽取效果。
如前所述,寬帶系統(tǒng)需要高采樣率轉(zhuǎn)換器。例如,信號(hào)帶寬為1 GHz的射頻采樣系統(tǒng)可以從帶~10-GSPS轉(zhuǎn)換速度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中受益,從而避免信號(hào)諧波。目前,TI最快的轉(zhuǎn)換器是ADC12DJ3200,它是一種12位ADC,可在雙通道模式下每通道運(yùn)行3.2 GSPS或在單通道模式下運(yùn)行6.4 GSPS。但即使在單通道模式下,它也不能滿足所需的10-GSPS速度。為了滿足這一要求,適用于DSO、雷達(dá)和5G無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)的靈活3.2GSPS多通道AFE參考設(shè)計(jì)將兩個(gè)ADC12DJ3200組合在一塊板上,如圖4所示。
圖4:多通道AFE參考設(shè)計(jì)框圖
此參考設(shè)計(jì)提供了系統(tǒng)靈活性,因?yàn)樗梢栽谒耐ǖ馈?.2-GSPS模式或雙通道、6.4-GSPS模式下運(yùn)行,或者作為一個(gè)單通道以高達(dá)12.8 GSPS的速度運(yùn)行。我們的適用于高速示波器和寬帶數(shù)字轉(zhuǎn)化器的12.8-GSPS模擬前端參考設(shè)計(jì)說(shuō)明了兩個(gè)ADC的板載交錯(cuò)。
現(xiàn)在,隨著我們新的雙通道5.2-GSPS ADC12DJ5200RF的推出,您的下一代設(shè)計(jì)將具有更高的性能和靈活性。由于ADC12DJ5200RF與ADC12DJ3200兼容引腳,我們很快就可以修改現(xiàn)有的參考設(shè)計(jì),且現(xiàn)在可以提供適用于12位數(shù)字轉(zhuǎn)換器的可擴(kuò)展20.8GSPS參考設(shè)計(jì)。在20.8GSPS時(shí),器件的整個(gè)8-GHz輸入帶寬可以在單個(gè)捕獲中實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。
設(shè)計(jì)時(shí)鐘架構(gòu)
選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器之后,就必須設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)鐘架構(gòu)。為單個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供時(shí)鐘非常簡(jiǎn)單,但是許多系統(tǒng),比如我們的交錯(cuò)設(shè)計(jì),需要同時(shí)為多個(gè)轉(zhuǎn)換器提供時(shí)鐘。例如,大型相控陣系統(tǒng)可以有數(shù)百個(gè)或數(shù)千個(gè)通道。而TI有多個(gè)器件和參考設(shè)計(jì)來(lái)應(yīng)對(duì)此設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
我們的適用于DSO、雷達(dá)和5G無(wú)線測(cè)試儀的多通道JESD204B 15-GHz時(shí)鐘參考設(shè)計(jì)是一個(gè)完整的時(shí)鐘子系統(tǒng)。此設(shè)計(jì)(如圖5所示)包含如LMK61E2可編程振蕩器和LMK04828等多個(gè)時(shí)鐘參考,一個(gè)帶有14個(gè)獨(dú)立時(shí)鐘輸出的時(shí)鐘分配器件,以及兩個(gè)可提供高達(dá)15 GHz的超低相位噪聲時(shí)鐘的LMX2594鎖相環(huán)/合成器(如圖6所示)。此外,LMX2594還可以為帶JESD204B接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器生成同步SYSREF時(shí)鐘。LMX2594還能夠跨越多個(gè)設(shè)備同步時(shí)鐘的相位。在參考設(shè)計(jì)中,您可以找到多個(gè)頻率下的相位噪聲圖(如圖6所示),并發(fā)現(xiàn)通道到通道偏斜的測(cè)量值小于10 ps。
圖5:多通道JESD204B 15-GHz時(shí)鐘框圖
圖6:15 GHz時(shí)的LMX2594相位噪聲
根據(jù)配置,該電路板最多支持兩個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGAs),且可輕松適應(yīng)多達(dá)六個(gè)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)FPGA的時(shí)鐘。然而,許多系統(tǒng)需要更多的通道。對(duì)于這類情況,我們的適用于雷達(dá)和5G無(wú)線測(cè)試儀的高通道數(shù)JESD204B時(shí)鐘生成參考設(shè)計(jì)和適用于雷達(dá)和5G無(wú)線測(cè)試儀的高通道數(shù)JESD204B菊鏈時(shí)鐘參考設(shè)計(jì)能夠在樹(shù)形結(jié)構(gòu)(如圖7所示)或菊花鏈配置中運(yùn)行時(shí)鐘。您可以使用這些方法擴(kuò)展到數(shù)千個(gè)通道,同時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能的影響降至最低。
圖7:JESD204B時(shí)鐘生成參考設(shè)計(jì)樹(shù)形結(jié)構(gòu)框圖
電源設(shè)計(jì)
一旦時(shí)鐘架構(gòu)確定,那么下一個(gè)挑戰(zhàn)就是電源設(shè)計(jì)。由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和時(shí)鐘對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)噪聲敏感,所以大多數(shù)電源設(shè)計(jì)人員都會(huì)采用帶低噪聲、低壓差穩(wěn)壓器的DC/DC轉(zhuǎn)換器(LDO)。然而,經(jīng)過(guò)精心布局和過(guò)濾,在許多電源上經(jīng)常不需要LDO。
前面提到的3.2-GSPS多通道模擬前端參考設(shè)計(jì)具有一個(gè)完整電源,包括DC/DC穩(wěn)壓器和LDO,如圖8所示。此設(shè)計(jì)上的LDO可以用濾波器繞過(guò),以測(cè)試哪些電源對(duì)開(kāi)關(guān)噪聲最敏感。我們的測(cè)試證實(shí),繞過(guò)LDO時(shí)不會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)的性能產(chǎn)生任何影響,也表明了電源效率增高的額外好處。
圖8:3.2-GSPS多通道AFE參考設(shè)計(jì)電源框圖
該電路板包含一系列沿頂部的排針引腳,這些排針引腳支持新的設(shè)計(jì)繞過(guò)板載電源解決方案,例如我們的可最大限度提高12.8GSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的低噪聲電源參考設(shè)計(jì)(如圖9所示),能夠同步所有DC/DC穩(wěn)壓器與主時(shí)鐘,從而更容易濾除轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)噪聲。此外,您可以將時(shí)鐘的相位移到每個(gè)轉(zhuǎn)換器,以便所有轉(zhuǎn)換器不會(huì)同時(shí)切換,從而降低總開(kāi)關(guān)能量。最后,參考設(shè)計(jì)上的DC/DC轉(zhuǎn)換器更加高效,降低了電路板上的總功耗。與最初設(shè)計(jì)一樣,LDO仍然可以被繞過(guò)。
圖9:低噪聲電源參考設(shè)計(jì)框圖
選擇合適的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器只是您面臨的挑戰(zhàn)之一。一旦做出選擇,必須選擇最好的時(shí)鐘和電源設(shè)計(jì),以免降低昂貴的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能。
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