高速信號發(fā)生應用中的關(guān)鍵要求

在高速信號發(fā)生應用中，帶寬和分辨率是關(guān)鍵要求。新型信號發(fā)生應用運用高速數模轉換器（DAC）來(lái)產(chǎn)生各種不同類(lèi)型的波形，包括單音直至具數百兆赫茲帶寬、復雜的多通道波形。這些應用要求高速DAC足夠快，以在不犧牲模擬性能的前提下產(chǎn)生這些波形。在很多信號發(fā)生應用中，相位噪聲會(huì )限制通道的數量以及可能實(shí)現的通道間隔。傳統上，相位噪聲由驅動(dòng)DAC時(shí)鐘輸入的時(shí)鐘信號引起，不過(guò)DAC增加的任何相位噪聲都會(huì )出現在輸出頻譜中，并限制可能產(chǎn)生的信號。對任何通用信號發(fā)生應用而言，理想DAC的速度應該盡可能快，且噪聲低、線(xiàn)性度高、附加性相位噪聲非常低。這些性能規格中的任何一項如果缺失，那么所產(chǎn)生的波形都不足以滿(mǎn)足應用的要求。

帶寬

在任何信號發(fā)生應用中，最重要的設計標準都是帶寬。任何設計師都會(huì )問(wèn)到的第一個(gè)問(wèn)題是：需要多大的帶寬來(lái)產(chǎn)生想要的信號？對于特定信令協(xié)議或特定應用，設計師可能需要一定大小的帶寬。無(wú)論設計師想要實(shí)現的帶寬有多大，DAC的速度都要至少是想要帶寬的2倍。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，描述了信號在采樣系統中的表現。

盡管可以產(chǎn)生帶寬從DC至fs/2的信號，但是這么做常常不實(shí)際，因為輸出頻譜中會(huì )出現所產(chǎn)生信號的鏡頻信號。鏡頻信號會(huì )出現在N×fs±fout（其中，fout是所產(chǎn)生信號的頻率）。實(shí)際上，需要重建濾波器來(lái)衰減可能出現在輸出頻譜中任何所產(chǎn)生信號的鏡頻信號。即使所產(chǎn)生信號的帶寬沒(méi)有延伸到fs/2，但接近于它，鏡頻信號也會(huì )難以濾除。重建濾波器是用真實(shí)元件在模擬域實(shí)現。與數字濾波器不同，這些元件是非理想的，會(huì )導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計。信號帶寬越接近fs/2，濾波器階數就必須越高，以衰減采樣過(guò)程中產(chǎn)生的鏡頻信號。濾波器階數越高，所需元件就越多，也就會(huì )產(chǎn)生更大的插入損耗和通帶紋波。

圖1：LTC2000建議原理圖。

運用采樣速率較高的DAC會(huì )增大可用帶寬，這將降低對濾波器的要求，允許濾波器采用較少的元件，降低復雜性，從而簡(jiǎn)化設計，產(chǎn)生更好的結果。LTC2000是一款高性能、16位、2.5Gsps高速DAC，具有2.5Gsps采樣率，從而fs/2頻率為1.25GHz.因此，對于800MHz的信號帶寬，在1.7GHz處會(huì )有一個(gè)鏡頻信號。在想要的頻帶和鏡頻信號頻率之間有900MHz.憑借900MHz的保護帶，鏡頻信號可以用簡(jiǎn)單的低通濾波器輕松濾除。具有較低采樣速率的DAC所產(chǎn)生的鏡頻信號更靠近想要的頻率，因此需要更加嚴格和復雜的濾波器。

要產(chǎn)生帶寬延伸到fs/ 2的信號，還有另一個(gè)問(wèn)題，即任何DAC都存在SINC（sin（x）/x）滾降，隨著(zhù)頻率升高，這個(gè)問(wèn)題將使所產(chǎn)生的信號衰減。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)準確出現在采樣頻率上的信號。所產(chǎn)生的信號只是一個(gè)DC電壓。對于實(shí)際應用而言，大約60%的奈奎斯特區域（DC至fs/2）沒(méi)有很大的SINC衰減，而可被利用。如果0dB是DC時(shí)的信號電平，那么在60%奈奎斯特頻率處，信號電平會(huì )下降6dB.人們常常在數字域實(shí)現這種滾降的反向補償，以糾正所產(chǎn)生信號的自然滾降。這使DAC能夠產(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函數的滾降會(huì )隨DAC輸出頻率的升高而減輕。

相位噪聲

在信號發(fā)生應用中，另一個(gè)需要考慮的重要因素是輸出的相位噪聲。輸出信號中出現的相位噪聲限制信號之間的間隔，且可能限制可以實(shí)現的調制階數。在信號發(fā)生過(guò)程中，相位噪聲越大，所產(chǎn)生信號的SNR就越低，其誤碼率也就越高。抖動(dòng)可用來(lái)衡量信號在時(shí)間域的過(guò)零準確度。一個(gè)完美的信號會(huì )在每個(gè)周期中的相同時(shí)點(diǎn)過(guò)零。實(shí)際上，這些過(guò)零點(diǎn)在時(shí)間上會(huì )有一定的分散性。如果這種分散性轉換到頻率域，就可以看到在基音周?chē)灶l譜泄漏形式出現的相位噪聲。如果有幾個(gè)音調相互靠近，那么某個(gè)音調的SNR可能因其相鄰音調的頻譜泄漏而劣化，這會(huì )使信號誤碼率變差，降低所產(chǎn)生信號的準確度。通過(guò)降低在所產(chǎn)生信號中引入的相位噪聲，可以避免這種信號完整性損失。

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

圖2：LTC2000建議布局。

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。該器件具備卓越的相位噪聲性能和非常低的寄生分量，適合作為信號發(fā)生應用的時(shí)鐘源使用。用LTC6946驅動(dòng)LTC2000高速DAC時(shí)，所產(chǎn)生的相位噪聲足夠低，適合大多數要求嚴苛的信號發(fā)生應用。LTC6946含有一個(gè)內部VCO，可在便利性和相位噪聲之間做出權衡。如果使用LTC6945和一個(gè)外部VCO，還能實(shí)現更低的相位噪聲。就LTC6945和LTC6946頻率合成器而言，起主導作用的相位噪聲源是VCO.在產(chǎn)生65MHz輸出音調時(shí)，LTC2000在1MHz偏移有-165dBc/rHz附加噪聲。這確保與LTC2000本身的附加性相位噪聲相比，時(shí)鐘相位噪聲起主導作用。為了避免其他噪聲導致輸出信號劣化，在模擬輸出電路部分應該注意使用恰當的布局方法。

恰當的RF布局

設計印刷電路板時(shí)，如果沒(méi)有采用恰當的設計及布局規則，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(méi)有恰當的對稱(chēng)性、旁路和勢壘，所產(chǎn)生的模擬輸出波形就有可能出現誤差，還可能引入噪聲及其他寄生分量。圖1顯示了LTC2000的典型原理圖。就直至500MHz的信號而言，LTC2000的噪聲頻譜密度好于158dBm/rHz，這有助于在很寬的信號頻率范圍內保持很高的信噪比。該器件的無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）直至500MHz均好于74dB，而對于直至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)行恰當的布局。DAC的輸出應該作為一個(gè)差分對來(lái)對待，并盡可能以對稱(chēng)的路徑傳送。輸出網(wǎng)絡(luò )中的任何非對稱(chēng)性都可能導致差分信號之間出現壓差。這種電壓差將導致共模干擾，進(jìn)而在輸出頻譜中產(chǎn)生不想要的失真和噪聲。通過(guò)使每個(gè)輸出的傳輸線(xiàn)實(shí)現對稱(chēng)性，可以避免這種干擾。

可以通過(guò)通孔以及良好的布局保護模擬輸出免受干擾信號影響。信號發(fā)生DAC有3個(gè)端口，并帶來(lái)了布局挑戰：時(shí)鐘輸入、模擬輸出和數據輸入。如果數據輸入走線(xiàn)靠近輸出或時(shí)鐘，那么數據信號會(huì )耦合到這些信號中，在輸出頻譜中引起雜散噪聲。類(lèi)似地，如果時(shí)鐘信號由于不良布局而耦合到模擬輸入中，就會(huì )影響所產(chǎn)生信號的完整性。設計電路板時(shí)，通過(guò)在數字電路、時(shí)鐘信號和模擬輸出電路之間設置恰當的勢壘，可以使DAC實(shí)現最高性能。恰當的做法是，在不同的層上傳送數字信號、時(shí)鐘信號和模擬輸出，以最大限度降低這些信號之間的相互影響。圖2顯示了LTC2000的布局，同時(shí)顯示了怎樣隔離數字信號、時(shí)鐘信號和模擬輸出。在該圖中，數字走線(xiàn)布設在電路板內層上，僅通過(guò)通孔連接到LTC2000焊盤(pán)。時(shí)鐘走線(xiàn)非常短，由通孔包圍以隔離信號，而且不會(huì )布設在數字走線(xiàn)或模擬輸出旁邊。輸出走線(xiàn)要盡可能對稱(chēng)，并由保護模擬輸出免受干擾信號影響的勢壘包圍。遵循這些布局指導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(mǎn)足要求最嚴苛的信號發(fā)生應用的需求。