wersja mobilna
Online: 726 Sobota, 2016.12.03

Technika

Różnicowy duplekser uwalnia od problemów ze sterowaniem szybkiego ADC

czwartek, 14 stycznia 2016 10:11

Przetworniki analogowo-cyfrowe z bezpośrednim próbkowaniem są źródłem wielu niepożądanych produktów mieszania częstotliwości, podobnie jak jest to w przypadku zwykłych pasywnych mieszaczy. W przypadku szybkich przetworników składowe sumacyjne i różnicowe procesu przemiany sięgają częstotliwości gigahercowych i są one efektami stanów przejściowych, szpilek napięciowych powstających przy przełączaniu kondensatorów w układach próbkujących podczas procesu śledzenia sygnału wejściowego przez przetwornik. Dodatkowo zaburzenia przewodzone pojawiające się w obwodach wejściowych od zewnętrznych pól elektromagnetycznych pogłębiają te problemy. Im większa szybkość konwersji i dokładność działania takich przetworników, tym niestety problemy z niepożądanymi produktami związanymi z przełączaniem obwodów cyfrowych się też pogłębiają.

Rys. 1. Driver przetwornika A/C dla pasma 20-400 MHz z wykorzystaniem dupleksera

Liniowe składowe przemiany częstotliwości, a więc sumy i różnice, nie są wielkim problemem ponieważ w większości przypadków wypadają poza pasmo wejściowe, co najwyżej powodują one niewielkie błędy wzmocnienia. Gorsze są składowe nieliniowe, bo wiele z nich mieści się w paśmie użytecznym, nie daje odfiltrować i tym samym powodują one zniekształcenia sygnału wejściowego, a także problemy czasowe.

Projektanci obwodów w.cz. starają się opisane problemy rozwiązywać w sposób podobny jak robiono to w przypadku pasywnych mieszaczy częstotliwości, a więc poprzez filtrację sygnałów, co niekoniecznie sprawdza się po stronie uzyskiwanych efektów takich działań. To dlatego, że poziomy składowych niepożądanych oraz liczba takich sygnałów zakłócających jest większa, często zaskakująco duża. Filtracja nie jest prosta, bo wymaga rozbudowanych sieci filtrujących, nad działaniem których trudno zapanować, aby jeden obwód nie wpływał na drugi i całość miała wyrównaną charakterystykę.

Układ LT2107 to przetwornik 12-bitowy A/C o szybkości próbkowania 210 MSps, którego obwody wejściowe zapewniają 80 dB wartość współczynnika SNR. Do poprawnej pracy układ wymaga, aby obwody wejściowe w.cz. miały bardzo dobry współczynnik VSWR w zakresie częstotliwości do gigaherców, a więc w całym paśmie, gdzie mogą pojawiać się sygnały niepożądane.

To wymaganie nie jest często uznawane za obowiązujące dla częstotliwości większych niż 5 GHz w nowoczesnych szybkich przetwornikach. Niemniej okazuje się, że produkty niepożądane pojawiają się na każdej harmonicznej sygnału zegarowego jako sumy i różnice między tymi harmonicznymi a sygnałem użytecznym i do 2 GHz nie da się zaobserwować żadnego spadku ich amplitudy. Co więcej, wysoki współczynnik SNR przetwornika LTC2107 okazuje się tu i zaletą i wadą, bo większej pojemności kondensatory w układzie próbkowania zwiększają moc tych składowych niepożądanych wynikających z mieszania, ale jednocześnie zwiększają możliwości kompensacji tych składowych poprzez odpowiedni dobór impedancji obwodu wejściowego.

Z opisanych powodów w obwodach wejściowych umieszcza się filtry tłumiące składowe niepożądanego mieszania i w większości przypadków ich użycie zapewnia dobre wyniki. Problemem jest jednak koszt implementacji wynikający z ich skomplikowania. Liczba komponentów filtru przepustowego tłumiącego składowe niepożądane jest 2-3 razy większa niż filtru zaporowego (odbiciowego) tego samego rządu. Duże skomplikowanie powoduje w konsekwencji problemy ze strojeniem i pasożytniczymi rezonansami własnymi i impedancjami rozproszenia.

Z tych powodów Linear Technology proponuje, aby do sterowania przetwornikiem wykorzystać szybki wzmacniacz-driver różnicowy, taki jak LTC6409, który zapewni na wyjściu niską impedancję dającą poprawne wysterowanie na jego wyjściu i dopasowanie falowe na wejściu z małym współczynnikiem fali stojącej w pełnym paśmie. Taki wzmacniacz zapewnia także dobre straty odbiciowe (return loss - S22).

Rys. 2. Przykład drivera zapewniającego poprawne wysterowanie przetwornika w paśmie DC-100 MHz

Następnie zaś trzeba dodać za wzmacniaczem różnicowy duplekser zapewniający pochłanianie niepożądanych produktów mieszania częstotliwości działający na częstotliwościach gigahercowych. Jego konstrukcja bazuje na ceramice współwypalanej niskotemperaturowo (LTCC - Low Temperature Co-fired Ceramic), w której tworzone są elementy składowe LC filtru i łączone w sieć filtrującą. Moduł filtru na bazie ceramiki LTCC charakteryzuje się wąską tolerancją elementów składowych (z możliwością laserowego trymowania) i małymi wymiarami.

Taki filtr w postaci dupleksera dla potrzeb sterowania przetwornikiem A/C opracowała firma Soshin Electric Japan. Jest on włączony pomiędzy driver LTC6430 zapewniający dużą liniowość i duże wzmocnienie w szerokim paśmie w.cz. i p.cz. a także zapewnia dopasowanie falowe 50 Ω oraz konwerter A/C. Niestety powyżej 500 MHz jego straty odbiciowe są za duże w stosunku do tego, co wymaga przetwornik LTC2107. Przykładowo przy 1 GHz straty odbiciowe wynoszą 10 dB a przetwornik wymaga więcej niż 20 dB, aby cały zakres przetwarzania był wolny od zniekształceń SFDR - Spurious Free Dynamic Range. 10 dB strat odbiciowych przy częstotliwości 1 GHz niestety pogarsza zakres SFDR o 20 dB.

Filtr ceramiczny HMD6117J-T firmy Soshin zapewnia eliminację niepożądanych składowych mieszania w paśmie powyżej 400-500 MHz do około 3 GHz. Ma on charakter tłumiący - wyfiltrowane składowe są tracone w dołączonych rezystorach terminujących. Jego użycie razem z LTC6430, tak jak pokazano na rysunku 1, zapewnia proste i kompaktowe rozwiązanie trudnego problemu i zapewnia efektywną konwersję A/C w paśmie od 20 MHz do 400 MHz, bez zakłóceń od aliasingu lub produktów mieszania na harmonicznych zegara.

W połączeniu z LTC6409, jak pokazano na rysunku 2, razem z filtrem opartym na duplekserze LTCC otrzymuje się rozwiązanie konwertera A/C pracującego w paśmie od DC do 100 MHz lub przy niewielkim pogorszeniu parametrów nawet do 200 MHz.

Z kolei do aplikacji, gdzie wymagany jest jak najlepszy współczynnik SNR, duplekser HMD6117J-T nadal może być wykorzystany w roli filtra po to, aby poprawić straty odbiciowe na wysokich częstotliwościach i uprościć konstrukcję i layout płytki drukowanej. Może on także być używany, aby zredukować szumy lub poprawić odpowiedź częstotliwościową linii transmisyjnej lub baluna w.cz.

Takie linie są wykorzystywane, gdy wejściowy wzmacniacz taki jak LTC2107 jest oddalony o ok. kilkanaście centymetrów od wejścia. Wymaga to połączenia go symetryczną linią transmisyjną, wykorzystania balunów, co powoduje odbicia sygnału, pojawienie się składowych asymetrycznych i niepożądanych sprzężeń.

Rys. 3. Mozaika płytki drukowanej z HMD6117J-T i LTC2107

Wiele z takich niekorzystnych zjawisk, mimo że dotyczą one domeny sygnałów wspólnych, przenosi się na składowe różnicowe i degraduje wartość współczynnika SFDR. Duplekser jest w stanie tę pojawiającą się asymetrię ograniczyć i poprawić jakość użytych linii transmisyjnych lub balunów, zwłaszcza powyżej 400 MHz. Transformatory symetryzujące (baluny) mają zwykle zbyt dużo reaktancji pasożytniczych, aby dobrze działały z szybkim przetwornikiem A/C, stąd użycie dupleksera eliminuje wiele ich wad.

Na koniec warto dodać, że gdy linia transmisyjna, którą sygnał wejściowy dociera do przetwornika od wejścia, wykonana jest w postaci mikropaskowej na laminacie PCB, to kontrola impedancji i dopasowanie takiej linii do standardowego obciążenia 50 Ω nie jest prosta, bo każda przelotka lub płaszczyzna masy wpływa negatywnie na impedancję lub powoduje sprzężenia. W efekcie dobrze dopasowana linia zajmuje sporo miejsca na laminacie, nierzadko znacznie więcej niż duplekser o wymiarach 3,2×2,5 mm.

Podsumowanie

Uzyskanie katalogowych parametrów konwersji w szybkim przetworniku A/C z bezpośrednim próbkowaniem wymaga poświęcenia znacznej uwagi integralności sygnału wejściowego oraz wszystkich elementów dołączonych do toru wejściowego. Różnicowy duplekser LTCC jest w stanie rozwiązać wiele dokuczliwych problemów związanych z nieciągłością impedancji linii, reaktancjami pasożytniczymi wywołujących zakłócenia wysokoczęstotliwościowe na skutek mieszania się harmonicznych sygnału zegarowego przetwornika z sygnałem wejściowym.

Derek Redmayne
Linear Technology

www.linear.com