高性能通訊系統(tǒng)中的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)

摘要：來自Maxim的兩種新型數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)能夠?yàn)?a href="http://www.nxhydt.com/v/tag/1301/" target="_blank">通信和儀表系統(tǒng)提供更高的動(dòng)態(tài)特性，MAX5886/MAX5887/MAX5888 12位至16位轉(zhuǎn)換器在保持高采樣速率和低功耗的同時(shí)，具有出色的動(dòng)態(tài)特性；14位轉(zhuǎn)換器MAX5195是工作在260Msps采樣速率產(chǎn)品中動(dòng)態(tài)范圍最寬的一款。兩種芯片均可提供小尺寸、表貼封裝，這些DAC還支持多載波UMTS、CDMA和GSM。

現(xiàn)代通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字信息交換所必需的更高的信息帶寬是通過多種調(diào)制和編碼方法實(shí)現(xiàn)的，在發(fā)送器信號(hào)處理鏈路中這些方法要求更寬的動(dòng)態(tài)特性。象UMTS、cdma2000®和GSM/EDGE這樣的應(yīng)用也要求較高的動(dòng)態(tài)性能，它們已接近于從一個(gè)單一的信號(hào)發(fā)生源合成多個(gè)載波的要求。

UMTS每個(gè)發(fā)送器要求最多四個(gè)載波。GSM/EDGE和cdma2000單個(gè)發(fā)送器可能需要四至八個(gè)載波。多載波的合成要求信號(hào)通道具有足夠?qū)挼膭?dòng)態(tài)范圍。作為這種復(fù)雜調(diào)制波形的源頭，DAC已成為信號(hào)通路上的性能瓶頸。

UMTS基站目前正在引入多載波信號(hào)合成。因此，這些基站要求DAC滿足UMTS標(biāo)準(zhǔn)，并留有足夠的盈余。該應(yīng)用中DAC的用武之地還包括，通過在信號(hào)中引入數(shù)字預(yù)失真，對(duì)功放的非線性進(jìn)行修正。僅這一個(gè)方面就會(huì)使DAC的帶寬要求增加三到五倍。這樣，四個(gè)UMTS載波(高達(dá)100MHz)的信號(hào)帶寬就要求更高的采樣速率和更高的模擬輸出頻率。500Msps刷新速率的MAX5888正是為這種應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該器件的性能定義超出了多達(dá)四個(gè)UMTS載波的UMTS規(guī)范要求。

這種DAC的精度和信號(hào)帶寬也可勝任采用高階QAM的通信系統(tǒng)。高達(dá)QAM256的調(diào)制需要更寬的動(dòng)態(tài)范圍來精確產(chǎn)生調(diào)制波形。

GSM/EDGE系統(tǒng)的發(fā)送波形甚至要求DAC提供更高的動(dòng)態(tài)性能。多載波信號(hào)的合成將SFDR、IMD和SNR的要求推到了極限。對(duì)于這些要求苛刻的應(yīng)用，MAX5195可提供業(yè)界最高的SFDR、SNR和IMD。在DDS應(yīng)用中儀表信號(hào)的產(chǎn)生也要求DAC具有優(yōu)越的動(dòng)態(tài)性能，MAX588X系列(MAX5886/MAX5887/MAX5888)和MAX5195非常適合于這種應(yīng)用。

MAX588X系列和MAX5195的優(yōu)勢

MAX588X系列的DAC能夠在很低的功耗水平下提供優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能，具有業(yè)界領(lǐng)先的500Msps最高采樣速率。在50MHz輸出頻率和400Msps刷新速率時(shí)，MAX5888的SFDR超過了67dBc。另外在輸出頻率80MHz時(shí)還具有出色的SNR (-155dB/Hz)和雙音IMD (-72dBc)。這些特性是在500Msps的采樣率，單一3.3V電源和很低的功耗(235mW)下得到的。

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過LVDS接口饋入，這有兩方面的好處：LVDS邏輯可非常有效地支持500Msps數(shù)據(jù)速率，另外差分輸入的數(shù)字信號(hào)也有助于降低數(shù)字接口上的系統(tǒng)噪聲。這在設(shè)計(jì)寬動(dòng)態(tài)范圍系統(tǒng)時(shí)尤其重要。

MAX588X系列的動(dòng)態(tài)性能只遜于新推出的MAX5195，見圖1所示，后者的性能超越了任何其它市售器件。除了優(yōu)異的SFDR性能，它的SNR也以-160dB/Hz的水平領(lǐng)先于業(yè)界，它的雙音IMD (32MHz輸出頻率時(shí)87dBc)也很出色。這款14位DAC的數(shù)字接口是LVPECL，和LVDS相似，也降低了高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸所帶來的系統(tǒng)噪聲。


圖1. 該SFDR曲線在一定輸出頻率范圍內(nèi)對(duì)比了MAX5195和目前最好的競爭器件。

所有這些DAC都采用小型的QFN封裝：MAX588X系列為68引腳而MAX5195為48引腳。無引線的QFN封裝兼有小的外形尺寸(7mm x 7mm)和良好的熱、電性能。裸焊盤提供超低接地阻抗，進(jìn)一步降低了輸出信號(hào)中的雜散信號(hào)。

其他應(yīng)用

這些DAC還可以如何使用呢？我們再來考察一下使用了數(shù)字預(yù)失真技術(shù)的多載波UMTS應(yīng)用。這種應(yīng)用要求很高的動(dòng)態(tài)性能和100MHz的信號(hào)帶寬。有關(guān)雜散輻射的UMTS摸板要求雜散成分在1MHz的測量帶寬內(nèi)不大于-58dBc。圖2給出了在300Msps采樣速率和60MHz單音輸出時(shí)的輸出頻譜。象MAX5888這樣的器件在感興趣的100MHz帶寬內(nèi)具有充足的余量(超出模板要求8dB以上)，為發(fā)送信號(hào)鏈路的各個(gè)環(huán)節(jié)留出了足夠的余量。擴(kuò)頻信號(hào)可進(jìn)一步減少雜散輸出，為設(shè)計(jì)指標(biāo)提供更多余量。


圖2. MAX5888的典型SFDR，圖示為60MHz輸出頻率，100MHz帶寬。

這種應(yīng)用的另一個(gè)重要指標(biāo)是鄰道功率比(ACPR)。圖3顯示了一個(gè)單載波UMTS的譜響應(yīng)，載波對(duì)準(zhǔn)于60MHz。可以看到它與ACPR模板對(duì)于第一和第二相鄰信道的要求(-45dBc和-50dBc)完全符合，且有超過25dB的寬松余量。


圖3. MAX5888的UMTS ACPR頻譜響應(yīng)，圖示為61MHz輸出頻率下單個(gè)滿載載波的情況。

圖4顯示了MAX5888在四載波UMTS應(yīng)用(這可能是所有應(yīng)用中對(duì)ACPR要求最高的)中的ACPR特性。MAX5888 (對(duì)于此類應(yīng)用它是目前性能最高的方案)不僅符合-45dBc和-50dBc的模板要求，而且還留出了超過20dB的余量。


圖4. MAX5888的UMTS ACPR頻譜響應(yīng)，圖示為測試條件下，四個(gè)中心位于61MHz的滿載載波的情況。

CDMA載波合成具有類似的性能指標(biāo)要求。此架構(gòu)的主要規(guī)格是雜散輻射模板，其中包括ACPR模板要求。此標(biāo)準(zhǔn)的模板是變化的，取決于工作波段和發(fā)送器的輸出功率。圖5表示一個(gè)八音系統(tǒng)，各音之間相隔1MHz，IF頻率對(duì)準(zhǔn)于30MHz。對(duì)于不同波段最苛刻的模板組合，在假定的40W發(fā)送功率下，雜散輻射模板電平為-59dBc。在這種最壞的正弦仿真測試條件下，MAX5888仍能以19dB的余量符合CDMA模板要求。


圖5. 這個(gè)八載波測試向量頻譜圖展示了MAX5888優(yōu)異的多音IMD性能，非常適合于CDMA應(yīng)用。選定的輸出頻率中心位于30MHz。

在目前比較流行的無線通信系統(tǒng)中，GSM/EDGE要求的動(dòng)態(tài)范圍最大。過去，多載波發(fā)送器由于受DAC性能的局限無法實(shí)現(xiàn)，但是MAX5195突破了這個(gè)限制，正如它工作于四個(gè)間隔1MHz的正弦音時(shí)的IMD性能所示(圖6)。每個(gè)單音具有-18dBFS的載波電平，以避免DAC輸出信號(hào)被削波。該頻譜圖覆蓋了一個(gè)25MHz的窗口，中心位于48MHz。


圖6. 這個(gè)四載波測試向量頻譜圖展示了MAX5195優(yōu)異的多音IMD性能，非常適合于GSM應(yīng)用。輸出頻率中心位于48MHz。

IMD模板的-70dBc邊界很容易被MAX5888滿足，并留有8dB的余量。在輸出電平方面只需做出很小的讓步(相對(duì)于滿量程-15dB)，性能便可提高6dB。MAX5888的SNR高達(dá)-160dB/Hz，同樣領(lǐng)先于業(yè)界，這使該器件成為目前滿足高標(biāo)準(zhǔn)、多載波GSM/EDGE應(yīng)用要求的最高性能器件。

結(jié)束語

兩種來自Maxim的DAC為通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在多載波信號(hào)合成領(lǐng)域提供了新的選擇。MAX5886/MAX5887/MAX5888系列兼有出色的動(dòng)態(tài)性能和低功率消耗，并具有低噪聲系統(tǒng)級(jí)工作方式。MAX5195以高至260Msps的采樣速率提供目前最高的動(dòng)態(tài)范圍，使多載波GSM合成成為現(xiàn)實(shí)。