引言

在高速信號(hào)發(fā)生應(yīng)用中，帶寬和分辨率是關(guān)鍵要求。新式信號(hào)發(fā)生應(yīng)用運(yùn)用高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 來產(chǎn)生各種不同類型的波形，包括單音直至具數(shù)百 MHz 帶寬和復(fù)雜的多通道波形。這些應(yīng)用要求高速 DAC 足夠快，以在不犧牲模擬性能的前提下產(chǎn)生這些波形。在很多信號(hào)發(fā)生應(yīng)用中，相位噪聲會(huì)限制通道的數(shù)量以及可能實(shí)現(xiàn)的通道間隔。傳統(tǒng)上，相位噪聲由驅(qū)動(dòng) DAC 時(shí)鐘輸入的時(shí)鐘信號(hào)引起，不過 DAC 增加的任何相位噪聲都會(huì)出現(xiàn)在輸出頻譜中，限制了可能工作的信號(hào)。對(duì)任何通用信號(hào)發(fā)生應(yīng)用而言，理想 DAC 的速度應(yīng)該盡可能快，且噪聲低、線性度高、附加性相位噪聲非常低。這些性能規(guī)格中的任何一項(xiàng)如果缺失，那么所產(chǎn)生的波形都不足以滿足應(yīng)用的要求。

帶寬

在任何信號(hào)發(fā)生應(yīng)用中，最重要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都是帶寬。任何設(shè)計(jì)師都會(huì)問到的第一個(gè)問題是：我需要多大的帶寬來產(chǎn)生想要的信號(hào)? 對(duì)于特定信令協(xié)議或特定應(yīng)用，設(shè)計(jì)師可能需要一定大小的帶寬。無論設(shè)計(jì)師想要實(shí)現(xiàn)的帶寬有多大，DAC 的速度都要至少是想要帶寬的 2 倍，這樣才能實(shí)現(xiàn)想要的帶寬。帶寬與采樣率 (fs) 之間的這種關(guān)系是由哈里奈奎斯特定義的，描述了信號(hào)在采樣系統(tǒng)中的表現(xiàn)。

盡管可以產(chǎn)生帶寬從 DC 直至 fs/2 的信號(hào)，但是這么做常常是不實(shí)際的，因?yàn)檩敵鲱l譜中會(huì)出現(xiàn)所產(chǎn)生信號(hào)的鏡頻信號(hào)。鏡頻信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在 N*fs +/- fout (其中，fout 是所產(chǎn)生信號(hào)的頻率)。實(shí)際上，需要重建濾波器來衰減可能出現(xiàn)在輸出頻譜中任何所產(chǎn)生信號(hào)的鏡頻信號(hào)。即使所產(chǎn)生信號(hào)的帶寬沒有延伸到fs/2，但也接近，鏡頻信號(hào)也會(huì)難以濾除，因?yàn)闉V波器受到各種限制。重建濾波器是用真實(shí)組件在模擬域?qū)崿F(xiàn)。與數(shù)字濾波器不同，這些組件是非理想的，會(huì)導(dǎo)致具紋波及插入損耗的非理想通帶。一般而言，這些濾波器階數(shù)越高，產(chǎn)生的紋波和插入損耗就越大，從而使理想濾波器更加難以設(shè)計(jì)。信號(hào)帶寬越接近 fs/2，濾波器階數(shù)就必須越高，以衰減采樣過程中產(chǎn)生的鏡頻信號(hào)。濾波器階數(shù)越高，所需組件就越多，也就會(huì)產(chǎn)生更大的插入損耗和通帶紋波。

運(yùn)用采樣速率較高的 DAC，會(huì)增大可用帶寬，這將降低對(duì)濾波器的要求，允許濾波器采用較少的組件，降低復(fù)雜性，從而簡化設(shè)計(jì)，產(chǎn)生更好的結(jié)果。LTC2000 是一款高性能、16 位、2.5Gsps 高速 DAC，具有2.5Gsps 采樣率，因此 fs/2 頻率為 1.25GHz。對(duì)于 800MHz 的信號(hào)帶寬，在 1.7GHz 處會(huì)有一個(gè)鏡頻信號(hào)。在想要的頻帶和鏡頻信號(hào)頻率之間有 900MHz。憑借 900MHz 的保護(hù)帶，鏡頻信號(hào)可以用簡單的低通濾波器輕松濾除。具較低采樣速率的 DAC 所產(chǎn)生的鏡頻信號(hào)更靠近想要的頻率，因此需要更加嚴(yán)格和復(fù)雜的濾波器。

要產(chǎn)生帶寬延伸到 fs/2 的信號(hào)，還有另一個(gè)問題，即任何 DAC 都存在 SINC (sin(x)/x) 滾降，隨著頻率升高，這個(gè)問題將使所產(chǎn)生的信號(hào)衰減。這種滾降在采樣頻率 (fs) 處有一個(gè)零點(diǎn)，從而不可能產(chǎn)生一個(gè)準(zhǔn)確出現(xiàn)在采樣頻率上的信號(hào)。所產(chǎn)生的信號(hào)只是一個(gè) DC 電壓。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言，大約 60% 的奈奎斯特區(qū)域 (DC 至 fs/2) 沒有很大的 SINC 衰減。如果 0dB 是 DC 時(shí)的信號(hào)電平，那么在 60% 奈奎斯特頻率處，信號(hào)電平會(huì)下降 6dB。人們常常在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)這種滾降的反向波形，以糾正所產(chǎn)生信號(hào)的自然滾降。這允許 DAC 產(chǎn)生隨頻率變化具恒定幅度的波形。如果使用更高速度的 DAC，那么SINC 函數(shù)的滾降會(huì)隨 DAC 輸出頻率的升高而減輕。

相位噪聲

在信號(hào)發(fā)生應(yīng)用中，另一個(gè)需要考慮的重要因素是輸出的相位噪聲。輸出信號(hào)中出現(xiàn)的相位噪聲限制信號(hào)之間的間隔，且可能限制可以實(shí)現(xiàn)的調(diào)制階數(shù)。在信號(hào)發(fā)生過程中，相位噪聲越大，所產(chǎn)生信號(hào)的 SNR 就越低，其誤碼率也就越高。抖動(dòng)可用來衡量信號(hào)在時(shí)間域的過零準(zhǔn)確度。一個(gè)完美的信號(hào)會(huì)在每個(gè)周期中的相同時(shí)點(diǎn)過零。實(shí)際上，這些過零點(diǎn)在時(shí)間上會(huì)有一定的分散性。如果這種分散性轉(zhuǎn)換到頻率域，就可以看到在基音周圍以頻譜泄漏形式出現(xiàn)的相位噪聲。如果有幾個(gè)音調(diào)相互靠近，那么某個(gè)音調(diào)的 SNR 可能因其相鄰音調(diào)的頻譜泄漏而劣化，這會(huì)使信號(hào)誤碼率變差，降低所產(chǎn)生信號(hào)的準(zhǔn)確度。通過降低在所產(chǎn)生信號(hào)中引入的相位噪聲，可以避免這種信號(hào)完整性損失。

避免給信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)引入相位噪聲的最簡單方法，是用一個(gè)相位噪聲極低的時(shí)鐘來啟動(dòng)。相位噪聲較低的時(shí)鐘傳遞給所產(chǎn)生信號(hào)的相位噪聲較低。還有一點(diǎn)很重要，加在所產(chǎn)生信號(hào)上的時(shí)鐘相位噪聲的衰減幅度正比于所產(chǎn)生信號(hào)頻率與時(shí)鐘采樣速率之比。這種正比關(guān)系意味著，與通過用高采樣頻率時(shí)鐘產(chǎn)生高頻信號(hào)相比，如果用同樣的時(shí)鐘產(chǎn)生低頻信號(hào)，就會(huì)在輸出信號(hào)上產(chǎn)生較小的相位噪聲。如果所產(chǎn)生的頻譜很寬，那么相對(duì)于較低頻率端，所產(chǎn)生的信號(hào)在頻譜高端會(huì)有更大的相位噪聲。

LTC6946 是一款頻率合成器，不用外部 VCO 就可產(chǎn)生從 370MHz 直至 5.7GHz 的信號(hào)。該器件具備卓越的相位噪聲性能和非常低的寄生分量，適合作為信號(hào)發(fā)生應(yīng)用的時(shí)鐘源使用。用 LTC6946 驅(qū)動(dòng) LTC2000 高速 DAC 時(shí)，所產(chǎn)生的相位噪聲足夠低，適合大多數(shù)要求嚴(yán)苛的信號(hào)發(fā)生應(yīng)用。LTC6946 驅(qū)動(dòng) LTC2000 的典型原理圖如圖 1 所示。圖 2 顯示了 LTC6946 和 LTC2000 的相位噪聲曲線。LTC6946 含有一個(gè)內(nèi)部 VCO，可在便利性和相位噪聲之間做出權(quán)衡。如果使用 LTC6945 和一個(gè)外部 VCO，還能實(shí)現(xiàn)更低的相位噪聲。就 LTC6945 和 LTC6946 頻率合成器而言，起主導(dǎo)作用的相位噪聲源是 VCO。在產(chǎn)生 65MHz 輸出音調(diào)時(shí)，LTC2000 在 1MHz 偏移有 -165dBc/Hz 附加噪聲。這確保與 LTC2000 本身的附加性相位噪聲相比，時(shí)鐘相位噪聲起主導(dǎo)作用。為了避免其他噪聲導(dǎo)致輸出信號(hào)劣化，在模擬輸出電路部分應(yīng)該注意使用恰當(dāng)?shù)牟季址椒ā?/p>

圖 1：LTC2000 和 LTC6946 方框圖

圖 2：LTC2000 和 LTC6946 的相位噪聲，F(xiàn)out = 80MHz

恰當(dāng)?shù)?RF 布局

設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，如果沒有采用恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)及布局規(guī)則，那么使用高性能 DAC 和時(shí)鐘源的好處就會(huì)大打折扣。如果沒有恰當(dāng)?shù)膶?duì)稱性、旁路和勢壘，所產(chǎn)生的模擬輸出波形就有可能出現(xiàn)訛誤，還可能引入噪聲及其他寄生分量。圖 3 顯示了 LTC2000 的典型原理圖。就直至 500MHz 的信號(hào)而言，LTC2000 的噪聲頻譜密度好于 158dBm/Hz，這有助于在很寬的信號(hào)頻率范圍內(nèi)保持很高的信噪比。該器件的無寄生動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR) 直至 500MHz 均好于 74dB，而對(duì)于直至 1GHz 的輸出頻率而言，SFDR 則好于 68dB。為了最大限度提高 LTC2000 的性能，需要進(jìn)行恰當(dāng)?shù)牟季?。DAC 的輸出應(yīng)該作為一個(gè)差分對(duì)來對(duì)待，并盡可能以對(duì)稱的路徑傳送。輸出網(wǎng)絡(luò)中的任何非對(duì)稱性都可能導(dǎo)致差分信號(hào)之間出現(xiàn)壓差。這種電壓差將導(dǎo)致共模干擾，進(jìn)而在輸出頻譜中產(chǎn)生不想要的失真和噪聲。通過使每個(gè)輸出的傳輸線實(shí)現(xiàn)對(duì)稱性，可以避免這種干擾。圖 4 所示是一個(gè)布局實(shí)例。應(yīng)該注意，要確保傳輸線兩側(cè)的通孔都要對(duì)稱設(shè)置。沿傳輸線排列通孔有助于減少可能耦合到所產(chǎn)生信號(hào)中的干擾信號(hào)。

圖 3：LTC2000 建議原理圖

圖 4：LTC2000 建議布局

可以通過通孔以及良好的布局保護(hù)模擬輸出免受干擾信號(hào)影響。信號(hào)發(fā)生 DAC 有 3 個(gè)端口，并帶來了布局挑戰(zhàn)：時(shí)鐘輸入、模擬輸出和數(shù)據(jù)輸入。如果數(shù)據(jù)輸入走線靠近輸出或時(shí)鐘，那么數(shù)據(jù)信號(hào)會(huì)耦合到這些信號(hào)中，在輸出頻譜中引起雜散噪聲。類似地，如果時(shí)鐘信號(hào)由于不良布局而耦合到模擬輸入中，就會(huì)影響所產(chǎn)生信號(hào)的完整性。設(shè)計(jì)電路板時(shí)，通過在數(shù)字電路、時(shí)鐘信號(hào)和模擬輸出電路之間設(shè)置恰當(dāng)?shù)膭輭?，可以? DAC 實(shí)現(xiàn)最高性能。恰當(dāng)?shù)淖龇ǔ３Ｊ?，在不同的層上傳送?shù)字信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和模擬輸出，以最大限度降低這些信號(hào)之間的相互影響。圖 4 顯示了 LTC2000 的布局，同時(shí)顯示了怎樣隔離數(shù)字信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和模擬輸出。在該圖中，數(shù)字走線布設(shè)在電路板內(nèi)層上，僅通過通孔連接到 LTC2000 焊盤。時(shí)鐘走線非常短，由通孔包圍以隔離信號(hào)，而且不會(huì)布設(shè)在數(shù)字走線或模擬輸出旁邊。輸出走線要盡可能對(duì)稱，并由保護(hù)模擬輸出免受干擾信號(hào)影響的勢壘包圍。遵循這些布局指導(dǎo)原則并采用干凈的采樣時(shí)鐘，LTC6946 和 LTC2000 就能產(chǎn)生非常干凈的波形，滿足要求最嚴(yán)苛的信號(hào)發(fā)生應(yīng)用的需求。

結(jié)論

信號(hào)發(fā)生應(yīng)用需要高采樣率，以增大想要信號(hào)與鏡頻信號(hào)的頻率間隔，降低輸出濾波器的復(fù)雜性。高采樣率可減少所有 DAC 中不可避免地存在的 SINC 滾降。LTC2000 的采樣率為 2.5Gsps，為要求嚴(yán)苛的信號(hào)發(fā)生應(yīng)用提供了足夠的帶寬，同時(shí)仍然提供卓越的頻譜和噪聲性能。信號(hào)發(fā)生應(yīng)用需要干凈、低相位噪聲的采樣時(shí)鐘，以允許更小的相鄰音調(diào)間隔。LTC2000 采用 LTC6946 提供的時(shí)鐘，無需外部 VCO，就可提供卓越的相位噪聲性能。LTC2000 的附加性相位噪聲在輸出頻譜中幾乎檢測不到。在 LTC2000 的關(guān)鍵信號(hào)周圍采用恰當(dāng)?shù)牟季趾蛣輭?，其噪聲和頻率性能就可滿足大多數(shù)要求嚴(yán)苛的信號(hào)發(fā)生應(yīng)用的需求。所產(chǎn)生的信號(hào)沒有寄生分量，僅需要最低限度的濾波。 LTC2000 非常適合產(chǎn)生低噪聲、高頻譜純度、高達(dá)數(shù)百 MHz 的信號(hào)。該器件提供了解決新式信號(hào)發(fā)生應(yīng)用中出現(xiàn)之問題所需的采樣速率和性能。