【導讀】本文將透露世界首款K波段數據轉換器EV12DS460A背后的設計秘密，介紹為了提高性能和規避CMOS設計限制而引入的超高速制程。同時本文也將解釋，緊湊的單核心數據轉換器核心配合仔細斟酌的設計如何讓EV12DS460A的性能有突破性提高。最后，您可以看到布線和電路簡化的細微差別是設計時應考慮的重要因素。
概述
微波系統設計師一直在追求更高的性能和更高的工作帶寬。簡化設計和降低功耗、尺寸、重量同樣是需考慮的問題。UWB數據轉換器能極大地簡化多通道傳輸系統的設計（如果您對此不了解，請訪問這里）。多年來，利用上述特性開發的器件不可勝數。但是，沒有任何一款器件有最新的數字模擬轉換器(DAC) EV12DS460的性能。事實上，這款新型的DAC的帶寬能跨越高達微波K波段 26.5GHz的巨大頻譜范圍。
在去年的歐洲微波IC會議上涌現了一些關于單片微波IC (MMIC) 的初步想法。早期的技術信息表明這樣的產品能達到X波段（8到12GHz)的性能。隨后，詳細的寬帶測試表明這款DAC的性能遠不止如此。這款器件能工作在8個奈奎斯特區域，底噪極低，雜散極少。
這款器件使人們窺見未來軟件定義微波系統(SDeMS)成為現實的可能性。但是要實現這一目的，有兩個重要的問題需回答：
1.使用什么技術達到如此高的性能？
2.這款DAC的測試結果如何？
本文將展示如何通過規避CMOS的設計限制和引入新的超高速制程實現強大的轉換能力，以及如何使用緊湊的單核數字轉換器配合仔細斟酌的電路設計實現性能的突破。您將看到布線和電路簡化的細微差別是設計時應考慮的重要因素。首先，讓我們看看高層級架構的選擇。
高層級設計
決定性能的兩個要素分別是：
1.基本架構
2.處理技術的速度
絕大多數的高速DAC使用時間交錯的多個核心來提高采樣率。但是，這種方案在還原輸出信號時會遇到問題，難以避免產生信號雜散和由此導致的性能下降。我們沒有使用交織DAC的方式，因為其SFDR性能很差。我們使用分割式架構設計這款DAC。
分割式設計
基本的DAC設計，可簡單理解成一系列的二進制權重電流源被連接到一個加法放大器。每個“2次方”的元素使能與否取決于相關的比特位置。這種設計的優點在于實現簡單，只需有限的元素（每個比特1個）。實際上，要線性放大超過8比特的源的難度極大。
從架構上來說，有一個簡單的方法實現單核心設計。通過采用一種混合式分割設計（如圖1），分立的DAC把轉換任務分成一個m比特的編碼單元和一個2級(n-m)比特二進制權重單元，處理LSB精度。編碼過程需要一些時間延遲，在此之后上述兩個單元的輸出被綜合成最終的多比特轉換結果。
圖1: EV12DS460A的混合式分割DAC架構
如上文所述，要實現超過8bit的線性度難度極大，但是通過把多個比特的轉換分割成MSB和LSB單元，則能夠大大降低核心的復雜度。通過仔細的設計，可以從同一個開關、電阻和電流源建立編碼單元和二進制權重單元。
簡單的單核心設計
任何轉換器設計的起點是保證優秀的靜態精度。在混合式分割設計中，精度由二進制權重LSB單元的誤差決定。
設計的目標是提高SFDR并且規避校準的操作，達到優于0.5LSB的性能。需考慮如下三點數據轉換器配置：
1.2比特編碼器（3段）加10比特權重段 = 13段
2.3比特編碼器（7段）加9比特權重段 = 16段
3.4比特編碼器（15段）加8比特權重段 = 23段
初步分析表明配置1是最佳的選擇；它的段數最少，因此核心區域最小。但是，它的靜態精度較差。要理解這一點，請考慮12比特量化器能輸出滿福1V峰峰值，表明LSB量化電壓是244 µV (1Vp-p/4096)。模擬實驗表明9比特權重段的匹配是125 µV。這比12比特0.5LSB的性能好兩倍，保證單片DAC的工作。但是，因為權重選項是10比特，無法進一步提高匹配的性能，125 µV是物理性能的極限，所以選項1是不可取的。模擬實驗也表明選項3不可取，因為其對時鐘緩沖的動態載荷過大。
處理技術
規避CMOS制程限制的設計使得轉換路徑更容易實現。這種方案利用Infineon1異質結硅鍺碳雙極型工藝實現較高的原始速度。通過引入NPN雙極型晶體管內在固有的碳元素，B7HF200工藝允許實現極薄的高度摻雜基極。高轉化速度(200GHz Ft)和低阻抗基極是實現DAC高性能的兩個最重要的因素。
這種工藝已經在高速和毫米波應用中應用了超過10年，可用于多種固態微波器件。
圖 2: B7HF200晶體管類型的比較
使用四層銅能夠進一步提高B7HF200的速度，適用于低電流密度的連接。銅幫助降低寄生電流，此寄生電流是高速設計的夢魘。
DAC設計的秘密
EV12DS460A的卓越性能并不是偶然得到的。自20112推出的較慢速的12bit產品以來，這種架構已經進化了數代。即使是早期的產品，性能也是非常優秀的，帶寬達到1.5GHz。
設計過程的重點在于3個通用的設計原則：
1.驅動量化器的動態載荷，減少線長
2.保證工作穩定
3.輸出脈沖整形，減少畸變，提高性能
驅動量化器的動態載荷
量化器的設計，部分是可以重用的（圖3）。右邊是包含16個段的量化器，而左邊是采樣時鐘系統的模擬電路。將它們組合起來，連接兩個電路的橋梁是芯片布線產生的Lp和Cp。
圖3: 簡化EV12DS460A的輸入驅動
為了支持6到7Gsp的采樣率，時鐘源的抖動要低，瞬變時間要短。當6Gsps采樣率時，時鐘周期只有166ps。保證干凈、快速的瞬變是確保快速量化和采樣的重中之重。但是，在這個設計中，相對高的量化器滿量程電流被設置成20mA。為了快速驅動，需要一個復雜的驅動器，包含差分對和輸出電路，其輸出阻抗非常低。
對于這個驅動器電路，輸出阻抗Zout可以表示為：
Zout = (1/gm + Rbb + Rg)/Beta(f), 這里 gm 是晶體管跨導 (1/gm=1,25 ohms), Rbb 是輸出阻抗, Rg 是差分對的輸出阻抗， Beta(f)是三極管的動態電流增益和頻率之間的關系。
考慮到B7HF200工藝的指標(截止頻率 fT = 200 GHz), 20GHz時的電流增益Beta(f) 等于10。同時，極低的雙極型晶體管的固有基極阻抗使Rbb 為25歐姆。
Rg 也應當是越小越好，但是其不能太小，以避免過多地增大偏置電流，導致功耗變大。大約50歐姆是比較合適的值。
最后，初步估算的輸出阻抗是： Zout = (1.25 + 25+ 50)/10 = ~ 7.5 ohms. 低輸出阻抗是器件快速工作的關鍵。
為了維持輸出緩沖的300mV的脈沖幅度，需要用300mV驅動50歐姆的終端 (300mV/50 = 6mA)。 Rg 的進一步優化會略微改善阻抗，但其代價是更高的功耗。將 Rg減半，偏置電流會上升到12mA。
減少線長，保證DAC的穩定性
下面將討論線長的重要性和它對高速設計的寄生效應的影響。上述設計的每一個量化器段都只有50µm寬，所以16段的總信號線長是800 µm (16 x 50 µm)。減少線長是非常有用的。
EV12DS460A的全局時間常數與如下三個因數有關：
1.動態負載電容 (CL) 大約是 0.5 pF (CL=gm.Tf with gm = ΔI/ΔV = ~ 20mA/25mV .Tf 晶體管前向瞬變時間 = 0.8 ps)
2.金屬信號線的被動寄生電容(CP)大約是0.5 pF
3.金屬信號線的被動寄生電感 (LP)大約是 50 pH
在最壞的條件下，全局時間常量ΣT可根據下式計算：
ΣT = Zout.CL + Zout.CP + LP/Zout, so ΣT = 7.5?. 0.5pF + 7.5 ?.500fF + 50pH/7.5 ? = 3.75 ps + 3.75 ps + 6.66 ps = ~14 ps
這個時間常量與DAC數據的35ps上升和下降時間 (tr/tf)有關。而且，在這一層級上，tr/tf 分別表示整個時鐘周期(166ps)的少于20%的時間，其能產生足夠快的時鐘邊沿，支持10GHz的初步帶寬估算，達到DAC的設計目標。
在初步的估算之外，我們使用一些特別的技術保證DAC的動態穩定性。我們實現最大過沖(+4%)和最小回彈(-2%)的性能。B7HF200工藝提供低阻抗的鍍銅技術，幫助進一步調節和改善芯片的關鍵節點。由此產生的優異的性能（純凈的6GHz采樣）在圖4中以階躍響應的形式表示。
圖4: 加負載后30ps上升時間的階躍響應
通過輸出脈沖整形提高動態性能
我們提供四種輸出脈沖整形模式（NRZ, NRTZ, RTZ, RF)以幫助系統設計師根據特定的輸出頻帶裁剪DAC的動態響應性能，從而使設計更加便利。大多數的量化器畸變與開關瞬變有關。任何開關的毛刺都會疊加在最后的輸出信號上（圖5）。如果能夠移除這些毛刺，輸出的頻譜純凈度將大大提高。
圖5: DAC 脈沖整形的概念圖和NRTZ、RF模式的擴展波形
為了實現上述的脈沖整形，我們在每個瞬變環節的邊緣之前強制把DAC輸出截止為0，可以在NRTZ和RF模式的圖中看到輸出的波形。脈沖整形通過3線串行接口控制，其有兩個用戶可控的參數：整形脈沖寬度（RPW）和整形脈沖中心（RPB)。如果所有的毛刺都被移除，脈沖中心必然與瞬變邊緣的中心一致。注意，這種技術犧牲了少量的輸出信號強度（與RPW定義的區域有關）。
特性曲線（圖6）表明脈沖整形帶來的優勢。這些數據展示了兩種RPW設置（如果您對信號偏置不了解，請閱讀這里）時橫跨8個奈奎斯特區間的高達27GHz (采樣率fs = 6 & 7Gsps)的頻譜。注意采樣率的提高顯著地擴展了典型的SINC (sin(x)/x) DAC 輸出特性曲線。
圖6: 兩種脈沖整形模式下DAC EV12DS460的輸出功率譜 (采樣率 6/7Gsps)
由于波形整形（H3從-57dBm提到到-69dBm)，三次諧波的性能提高了+12dB，極大地提高了DAC的性能。為了對比，我們在6Gsps采樣率，Fout = 2940MHz的條件下使用有波形整形（NRTZ模式）和無波形整形（NRZ模式）產生如下的頻譜（圖7）。在NRTZ模式下，波形整形帶來的性能提升非常明顯。
圖7: 6 GSps，Fout = 2940MHz時的單音頻譜，有波形整形和無波形整形
實測的性能
輸出3dB帶寬最大7GHz，采樣率6Gsps保證產生3GHz的瞬時帶寬。有用的輸出功率在X波段非常明顯（圖8a）。曲線表示一個第四奈奎斯特區間的11950MHz的單音載波，SFDR為50dBc。這里4次諧波主導SFDR。這個載波頻譜是仔細選擇的，為了在X波段的邊沿，使諧波信號更容易被觀察到，因為它們以自然的諧波順序出現。
如果提高載波頻率到K波段（圖8），信號參考設置為在第8奈奎斯特區間的23950MHz，2次諧波主導SFDR（-36.5dBc) 。顯然，諧波的純凈度有明顯提高。
圖8: 11950 MHz 和 23950 MHz 處的SFDR
這些圖線還包含著其他突出的性能指標。每張圖里都展示了中頻點的非諧波雜散。這些雜散與DAC 4:1輸入多路復用器的不完全混合信號抑制有關。這些雜散的峰值在-80dBm，相當好。DAC的底噪大約接近-110dBm。
在實驗室里使用單音或多音的信號測試數據轉換器并不困難。這些測試的結果并不能完全表明DAC的性能。當今的數據通信系統在大塊帶寬上部署復雜的模塊，所以我們需要更有效的寬帶測試方法。這時噪聲功率比(NPR)非常有用。它在一個較寬的帶寬上測試DAC，能表明信號如何包含多個非相干窄帶頻率，以及它們在被DAC混合之時如何互相影響和互相干涉。顯然，一款NPR指標接近理想n-bit器件的NPR指標的DAC是非常優秀的寬帶器件。
NPR測試通常由一組高斯噪聲功率密度的數字譜實現。對這個數字譜在頻域使用（數字）陷波濾波器將在感興趣的帶寬內得到一個“安靜”的區域。然后把這個數字譜發送給DAC，NPR的值通過計算陷波內外的功率密度比的平均值得出。對于一個理想的DAC，陷波內的信號功率只和量化噪聲有關。而對于現實的DAC，量化噪聲由熱噪聲、時鐘抖動帶來的噪聲和通道間交調帶來的噪聲有關。
這款器件的寬帶NPR如下圖（圖9）所示。7Gsps的采樣率帶來3.150GHz的合成帶寬。NPR是42.6dB，等效的有效位數(ENOB)為8.6。注意NPR的平坦度一直到3325MHz的位置都相當好。
圖9: 3.15 GHz帶寬，30MHz陷波的寬帶NPR
圖10中的第二個NPR特性在22GHz的范圍內復制了3.150/2.700GHz的NPR譜。這時DAC的采樣率為7/6Gsps，工作模式是RF模式。這些圖線表明提高采樣率帶來的優勢之一。它不僅影響DAC產生的最大瞬時帶寬，還擴展了高奈奎斯特區間的SINC特性和輸出功率。
圖 10:多奈奎斯特區間的重復的NPR譜 —— 7Gsps時K波段的NPR有明顯提高
其他尖端的DAC
德州儀器最近有一款14bit 8.9Gsps RF DAC，使用40nm CMOS工藝，支持4G LTE的應用。它的SFDR在8.9Gsps（Fout = 4300MHz）時是50dBc3。雖然這款DAC可以支持8.9Gsps的采樣率，但是沒有任何超過4300MHz的測試數據，而絕大多數的微波頻段都超過4300MHz。
Analog Devices公司也在開發一款11/16bit, 12Gsps的DAC (AD9161/AD9162)，其RF模式（也叫作混合模式）下的采樣率能達到12Gsps。在RF模式下，因為每半個時鐘周期數據會反向，似乎DAC在以12Gsps的采樣率采樣。而對于RF模式下的EV12DS460A （圖5），數據反向被沒有被考慮進標稱的采樣率（6Gsps）。因此，EV12DS460A和AD9161/62的采樣率是相同的。這一點也可以由3GHz的瞬時帶寬證明。
Analog Devices的器件在前兩個奈奎斯特區間的最佳的SFDR是65dBc (Fclock = 5Gsps, Fout = 4000MHz）。但是，其性能在超過7500MHz的位置急劇下降。輸出功率在Fout = 7500MHz時只有 -66dBm，因此它無法在X波段和K波段很好地工作。
結語
EV12DS460的發布給微波工程師帶來一款帶寬從DC一直到K波段頻率的寬帶DAC。雖然這款器件并不是唯一的Gsps采樣率的DAC，但是如同上文所述，它是第一款合成帶寬跨多個奈奎斯特區域，同時保持優秀的頻譜純度的DAC。它為全新的毫米波應用開拓了一個激動人心的新領域。
參考文獻
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