使用兩個(gè)具有多DAC同步功能的AD9139器件進(jìn)行寬帶基帶I/Q發(fā)射器設計

評估和設計支持

電路評估板

AD9139/ADL5375評估板(AD9139-DUAL-EBZ)

數字模式發(fā)生器評估板(AD-DPG3)

設計和集成文件

原理圖、布局文件、物料清單、軟件

電路功能與優(yōu)勢

圖1所示的這個(gè)電路提供一個(gè)同步寬頻帶發(fā)射器，可支持高達1150 MHz的超寬I/Q帶寬。該設計證明了高帶內信號性能，如高無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)、低誤差矢量幅度(EVM)和寬頻帶范圍內的平坦頻率響應。

多個(gè)通道間的同步性能對于象限誤差校正(QEC)尤為重要。啟用多芯片同步時(shí)，轉換器之間的延遲失配可能在一個(gè)時(shí)鐘周期內，并且存在對齊良好的同步時(shí)鐘。

高速同步的挑戰是要在過(guò)程、電壓和溫度(PVT)中達到數模(DAC)時(shí)鐘周期的精度。要達到這種精度，需要在DAC上實(shí)施同步邏輯塊，并且必須在板上精心設計布局和時(shí)鐘方案以與同步邏輯塊配合使用。

該電路可用于支持E頻段中的寬帶點(diǎn)對點(diǎn)應用，這可同時(shí)確保零中頻(ZIF)和復中頻(CIF)。出色的同步性能使其能夠支持雷達等應用中的嚴格對齊要求。

圖1.AD9139-DUAL-EBZ評估板功能框圖

圖2.用于實(shí)現電路的AD9139-DUAL-EBZ評估板

電路描述

圖2所示的電路板使用雙AD9139單通道TxDAC、ADL5375-05寬帶正交調制器和AD9516-1時(shí)鐘發(fā)生器。

AD9139的數據時(shí)鐘輸入(DCI)頻率可高達575 MHz。由于在上升沿和下降沿捕獲的數據均饋入單個(gè)DAC，1×模式下的數據速率可高達1150 MSPS。為支持正交數據，使用了兩個(gè)AD9139器件來(lái)生成基帶數據。每個(gè)通道的模擬輸出分別進(jìn)入自己的低通濾波器。因此，參考設計可支持高達1150 MHz的復合帶寬，如圖3所示。在如此大范圍中的平坦度至關(guān)重要。由于A(yíng)D9139包括一個(gè)可抵消DAC的內在sinc滾降影響的反sinc濾波器，DAC后的濾波器平坦度變得對總平坦度至關(guān)重要。對于并行低電壓差分信號(LVDS)接口，575 MHz的DDR時(shí)鐘頻率很高。需要仔細設計LVDS接口的時(shí)序。

圖3.雙AD9139器件的最大帶寬

正交調制器

ADL5375-05是一款寬帶正交調制器，輸出頻率范圍為400 MHz至6 GHz。ADL5375-05作為I/Q調制器與AD9139接口，該調制器的頻率范圍很寬，為400 MHz至6 GHz。AD9139的輸出和ADL5375-05的輸入共用0.5 V的相同共模電平。

時(shí)鐘產(chǎn)生和考慮事項

考慮到同步要求，兩個(gè)AD9139器件的DACCLK、同步時(shí)鐘和幀時(shí)鐘都必須對齊良好。AD9516-1支持必需的時(shí)鐘分配功能，以及為產(chǎn)生更高頻率而集成的壓控振蕩器(VCO)和鎖相環(huán)(PLL)。禁用VCO和PLL，并且AD9516-1處于時(shí)鐘分配模式時(shí)，更好的時(shí)鐘相位噪聲更利于高速對齊。作為時(shí)鐘分配模式使用時(shí)，在1 GHz輸出，分頻比為1，10 MHz頻偏處，加性相位噪聲為147 dBc/Hz。Rohde & Schwartz SMA100A具有出色的相位噪聲性能，用其作為AD9516-1的輸入時(shí)，AD9516-1的輸出總相位噪聲接近時(shí)鐘分配模式下AD9516-1的最小限值。

AD9139的多芯片同步

雙通道間的同步對于QEC至關(guān)重要。DACCLK和同步時(shí)鐘之間需要布局對稱(chēng)。此外，DACCLK和同步時(shí)鐘之間的相位不得落在建立和保持時(shí)間窗口內（也稱(chēng)為保持在窗口外(KOW)）。

同步機制可以達到在DAC輸出上多個(gè)通道之間在PVT中的失配小于一個(gè)DAC時(shí)鐘周期。以下是實(shí)現測試性能的指南：

1.   DACCLK 1和DACCLK 2必須在A(yíng)D9139的引腳上對齊良好。DACCLK 1和DACCLK 2之間的不匹配將添加到輸出上的最終不匹配中。

2.   同步時(shí)鐘1和同步時(shí)鐘2必須對齊良好，并且分別由DACCLK1和DACCLK2采樣，用作參考。

3.   DACCLK和同步時(shí)鐘之間的相對相位不得落在KOW內，如圖4所示。

圖4.DACCLK和同步時(shí)鐘之間的時(shí)序要求

LVDS接口設計

DCI = 575 MHz時(shí)，在PVT中設計LVDS接口通常是一個(gè)挑戰。本節用一個(gè)例子說(shuō)明如何設計和優(yōu)化該接口。

以圖5為例，DCI = 491 MHz。根據AD9139數據手冊規格，如果DCI和DATA的邊緣在A(yíng)D9139的引腳上對齊良好，當延遲鎖相環(huán)(DLL)相位設置為零時(shí)，KOW（設置時(shí)間 + 保持時(shí)間）可置于有效窗口中間。

數據有效裕量由如下公式定義。

TDATA VALID MARGIN = TDATA PERIOD ? TDATA SKEW ? TDATA JITTER ? (THOLD + TSETUP)

在整個(gè)過(guò)程變化、電壓和溫度中，TDATA VALID MARGIN必須> 0以確保數據的正確采樣。

When DCI = 491 MHz (see Figure 5),

DCI = 491 MHz（見(jiàn)圖5）時(shí)，

●   TDATA PERIOD = 1018 ps

●   THOLD + TSETUP = 517 ps

●   TDATA SKEW + TDATA JITTER在PVT中必須小于501 ps，這是用戶(hù)實(shí)施的要求。TDATA SKEW包括LVDS數據總線(xiàn)延遲失配、PVT中DCI和DATA總線(xiàn)之間的偏斜等。

要優(yōu)化接口設計，用戶(hù)可執行以下操作：

●   在印刷電路板(PCB)上用盡可能短的相同長(cháng)度的走線(xiàn)。

●   通過(guò)確保以下各項，優(yōu)化現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(PFGA)：

●   DCI和DATA的邊緣在A(yíng)D9139的引腳上對齊良好。

●   在溫度和電壓變化時(shí)，DCI和DATA之間的漂移越小越好。

●   DCI和DATA之間的抖動(dòng)越小越好。

掃描DLL相位后，AD9139的樣本錯誤檢測(SED)功能也可用于檢查DCI和DATA之間的時(shí)序關(guān)系。

圖5.LVDS時(shí)序要求

低通濾波器設計

出于實(shí)驗目的，為了使AD9139的性能不被濾波器限制，在板上設計了一個(gè)在240MHz內具有良好平坦度和群延遲性能的濾波器。在實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，可以通過(guò)增加濾波器的階數來(lái)增強帶外抑制。

圖6所示的濾波器拓撲結構是一個(gè)五階巴特沃茲濾波器，轉折頻率為900 MHz。此濾波器的仿真響應曲線(xiàn)如圖7所示。仿真平坦度為±0.1 dB（直流至240 MHz）。此濾波器的仿真群延遲曲線(xiàn)如圖7所示。

圖6.推薦的DAC調制器接口拓撲（Fc = 900 MHz，五階巴特沃茲濾波器）

圖7.DAC調制器與900 MHz五階巴特沃茲濾波器接口的頻率響應（模擬）

圖8.濾波器的群延遲

布局建議

應特別注意AD9139和ADL5375接口的布局。以下是一些獲得較好噪聲和雜散性能的建議。圖9顯示了一個(gè)遵循這些建議的頂層布局圖：

●   將DAC、濾波器和調制器放在PCB的同一側。

●   收緊濾波器布局：減少L和C的禁區裕量。

●   將對地電容分三路接到GND平面。

●   縮短DAC到調制器的距離。

●   使所有I/Q差分走線(xiàn)長(cháng)度保持良好的匹配。

●   濾波器端接電阻盡可能靠近調制器輸入端放置。

●   DAC輸出50 Ω電阻盡可能靠近DAC放置。

●   L和C使用0402封裝。

●   加寬經(jīng)過(guò)濾波器網(wǎng)絡(luò )的走線(xiàn)以降低信號損耗。

●   在所有DAC輸出走線(xiàn)、濾波器網(wǎng)絡(luò )、調制器輸出走線(xiàn)和LO輸入走線(xiàn)周?chē)O置通孔。

●   將本振(LO)和調制器輸出走線(xiàn)布設在不同的層上或彼此成90°角，防止耦合。

圖9.一般布局建議

訪(fǎng)問(wèn) www.analog.com/CN0432-DesignSupport 獲取設計支持包，在隨附的AD9139-DUAL-EBZ布局文件中了解有關(guān)正確布局的更多信息。

電路評估與測試

下節描述如何設置和測試評估板。這些步驟概述了實(shí)現評估板功能和結果所需的基本步驟。有關(guān)更詳細的信息，請參閱AD9139-DUAL-EBZ評估板快速入門(mén)指南。

需要的設備

需要使用以下硬件：

●   AD9139-DUAL-EBZ

●   AD-DPG3

●   Agilent E3631A電源（或同等電源）

●   頻譜分析儀PXA N9030A

●   Rohde & Schwartz SMA100A信號發(fā)生器

●   帶USB端口的PC

●   USB電纜

需要使用以下軟件：

●   DPG downloader

●   ACE軟件

測試設置

下節描述使用64 QAM數字調制測量鄰道功率(ACP)和調制誤差率(MER)性能的詳細信息。測試設置靈活，也可以執行其它測量。測試設置如下圖10所示。AD9139-DUAL-EBZ評估板的硬件、SPI軟件、快速入門(mén)指南(QSG)以及DPG3硬件和軟件均已發(fā)布。

使用一個(gè)Keysight E3631為P5/P6上的電路板提供5 V電源。使用一個(gè)R&S SMA100A為板上的AD9516-1提供輸入時(shí)鐘。再使用一個(gè)R&S SMA100A為ADL5375-05提供LO時(shí)鐘。AD9139通過(guò)串行外設接口(SPI)軟件進(jìn)行編程。PC上運行的DPGDownloader生成AD9139的發(fā)射矢量并將其下載至DPG3。ADL5375-05的輸出饋入Keysight PXA N9030A。

圖10.測試設置功能框圖

測量結果

圖11.ACP測量，LO = 2.5 G，BW = 6 × 80 = 480 MHz (CIF)

圖12.MER/EVM測量，LO = 2.5 G，BW = 6 × 80 = 480 MHz (CIF)

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