首款K波段数据转换器EV12DS460A的设计思路分析
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本文将透露世界首款K波段数据转换器EV12DS460A背后的设计秘密，介绍为了提高性能和规避CMOS设计限制而引入的超高速制程。同时本文也将解释，紧凑的单核心数据转换器核心配合仔细斟酌的设计如何让EV12DS460A的性能有突破性提高。最后，您可以看到布线和电路简化的细微差别是设计时应考虑的重要因素。 概述 微波系统设计师一直在追求更高的性能和更高的工作带宽。简化设计和降低功耗、尺寸、重量同样是需考虑的问题。UWB数据转换器能极大地简化多通道传输系统的设计(如果您对此不了解，请访问这里)。多年来，利用上述特性开发的器件不可胜数。但是，没有任何一款器件有最新的数字模拟转换器(DAC) EV12DS460的性能。事实上，这款新型的DAC的带宽能跨越高达微波K波段 26.5GHz的巨大频谱范围。 在去年的欧洲微波IC会议上涌现了一些关于单片微波IC (MMIC) 的初步想法。早期的技术信息表明这样的产品能达到X波段(8到12GHz)的性能。随后，详细的宽带测试表明这款DAC的性能远不止如此。这款器件能工作在8个奈奎斯特区域，底噪极低，杂散极少。 这款器件使人们窥见未来软件定义微波系统(SDeMS)成为现实的可能性。但是要实现这一目的，有两个重要的问题需回答： 使用什么技术达到如此高的性能? 这款DAC的测试结果如何? 本文将展示如何通过规避CMOS的设计限制和引入新的超高速制程实现强大的转换能力，以及如何使用紧凑的单核数字转换器配合仔细斟酌的电路设计实现性能的突破。您将看到布线和电路简化的细微差别是设计时应考虑的重要因素。首先，让我们看看高层级架构的选择。 高层级设计 决定性能的两个要素分别是： 基本架构 处理技术的速度 绝大多数的高速DAC使用时间交错的多个核心来提高采样率。但是，这种方案在还原输出信号时会遇到问题，难以避免产生信号杂散和由此导致的性能下降。我们没有使用交织DAC的方式，因为其SFDR性能很差。我们使用分割式架构设计这款DAC。 分割式设计 基本的DAC设计，可简单理解成一系列的二进制权重电流源被连接到一个加法放大器。每个“2次方”的元素使能与否取决于相关的比特位置。这种设计的优点在于实现简单，只需有限的元素(每个比特1个)。实际上，要线性放大超过8比特的源的难度极大。 从架构上来说，有一个简单的方法实现单核心设计。通过采用一种混合式分割设计(如图1)，分立的DAC把转换任务分成一个m比特的编码单元和一个2级(n-m)比特二进制权重单元，处理LSB精度。编码过程需要一些时间延迟，在此之后上述两个单元的输出被综合成最终的多比特转换结果。 图1: EV12DS460A的混合式分割DAC架构 如上文所述，要实现超过8bit的线性度难度极大，但是通过把多个比特的转换分割成MSB和LSB单元，则能够大大降低核心的复杂度。通过仔细的设计，可以从同一个开关、电阻和电流源建立编码单元和二进制权重单元。 简单的单核心设计 任何转换器设计的起点是保证优秀的静态精度。在混合式分割设计中，精度由二进制权重LSB单元的误差决定。 设计的目标是提高SFDR并且规避校准的操作，达到优于0.5LSB的性能。需考虑如下三点数据转换器配置： 1.2比特编码器(3段)加10比特权重段 = 13段 2.3比特编码器(7段)加9比特权重段 = 16段 3.4比特编码器(15段)加8比特权重段 = 23段 初步分析表明配置1是最佳的选择;它的段数最少，因此核心区域最小。但是，它的静态精度较差。要理解这一点，请考虑12比特量化器能输出满福1V峰峰值，表明LSB量化电压是244 µV (1Vp-p/4096)。模拟实验表明9比特权重段的匹配是125 µV。这比12比特0.5LSB的性能好两倍，保证单片DAC的工作。但是，因为权重选项是10比特，无法进一步提高匹配的性能，125 µV是物理性能的极限，所以选项1是不可取的。模拟实验也表明选项3不可取，因为其对时钟缓冲的动态载荷过大。 处理技术 规避CMOS制程限制的设计使得转换路径更容易实现。这种方案利用Infineon[J.Böck, H.Schäfer, K.Aufinger, R.Stengl, S.Boguth, R.Schreiter, M.Rest, H.Knapp, M.Wurzer, W.Perndl, T.Böttner, and T.F. Meister. “SiGe bipolar technology for automotive radar applications” in Proc. Bipolar/BiCmos Circuits and Technology Meeting (BCTM),Montreal, Canada, Sep. 2004, pp.265-268 ]异质结硅锗碳双极型工艺实现较高的原始速度。通过引入NPN双极型晶体管内在固有的碳元素，B7HF200工艺允许实现极薄的高度掺杂基极。高转化速度(200GHz Ft)和低阻抗基极是实现DAC高性能的两个最重要的因素。 这种工艺已经在高速和毫米波应用中应用了超过10年，可用于多种固态微波器件。 图 2: B7HF200晶体管类型的比较 使用四层铜能够进一步提高B7HF200的速度，适用于低电流密度的连接。铜帮助降低寄生电流，此寄生电流是高速设计的梦魇。 DAC设计的秘密 EV12DS460A的卓越性能并不是偶然得到的。自2011[ François Boré, Marc Wingender, Nicolas Chantier, Andrew Glascott-Jones, Emmanuel Dumaine, Carine Lambert, Sergio Calais. “3 GS/s 7GHz BW 12 Bit MuxDAC for Direct Microwave Signal Generation over L,S or C Bands” in Proc. COMCAS, Tel Aviv, Nov 2011]推出的较慢速的12bit产品以来，这种架构已经进化了数代。即使是早期的产品，性能也是非常优秀的，带宽达到1.5GHz。 设计过程的重点在于3个通用的设计原则： 驱动量化器的动态载荷，减少线长 保证工作稳定 输出脉冲整形，减少畸变，提高性能 驱动量化器的动态载荷 量化器的设计，部分是可以重用的(图3)。右边是包含16个段的量化器，而左边是采样时钟系统的模拟电路。将它们组合起来，连接两个电路的桥梁是芯片布线产生的Lp和Cp。 图3: 简化EV12DS460A的输入驱动 为了支持6到7Gsp的采样率，时钟源的抖动要低，瞬变时间要短。当6Gsps采样率时，时钟周期只有166ps。保证干净、快速的瞬变是确保快速量化和采样的重中之重。但是，在这个设计中，相对高的量化器满量程电流被设置成20mA。为了快速驱动，需要一个复杂的驱动器，包含差分对和输出电路，其输出阻抗非常低。 对于这个驱动器电路，输出阻抗Zout可以表示为： Zout = (1/gm Rbb Rg)/Beta(f), 这里 gm 是晶体管跨导 (1/gm=1,25 ohms), Rbb 是输出阻抗, Rg 是差分对的输出阻抗， Beta(f)是三极管的动态电流增益和频率之间的关系。 |
