Nuovi livelli di integrazione con i Dac veloci

L’evoluzione dei sistemi di trasmissione e generazione di segnali a radiofrequenza verso una maggiore integrazione e compattezza richiede che i dispositivi di conversione digitale-analogico divengano più complessi e performanti. La maggiore integrazione richiede l’utilizzo di processi tecnologici “mixed-signal” più avanzati, che permettono di lavorare a frequenze più alte, mantenendo consumi di potenza ragionevoli se non abbattendoli. In questo modo si possono realizzare funzioni tradizionalmente realizzate con componenti discreti, dunque eliminandoli e riducendo la complessità del sistema. Il nuovo convertitore AD9172 di Analog Devices, realizzato in tecnologia Cmos a 28 nm permette di lavorare direttamente nel campo di frequenze dei GHz, supportando la conversione di segnali multibanda, posizionandoli direttamente a portanti programmabili fino a 6 GHz, con risoluzione di 16 bit a 12 Gsps. Con la conversione diretta in Rf, viene eliminato il primo stadio di conversione in radio frequenza. Le applicazioni di tale convertitore digitale-analogico spaziano dai sistemi di comunicazione cellulare, a quelli di trasmissione punto-punto, a quelli di generazione di segnali arbitrari.

Stadio di conversione digitale-analogico e modulazione Rf

Un esempio di architettura di conversione digitale-analogico, con modulazione del segnale complesso alla prima portante, è mostrato nella Fig. 1, dove un segnale digitale in banda base viene convertito in analogico e poi modulato ad una prima portante di lavoro e poi amplificato verso l’antenna oppure traslato nuovamente ad una nuova frequenza portante, secondo le specifiche di sistema. Nella figura è anche riportata la generazione del segnale di temporizzazione per il convertitore Dac e del segnale di oscillazione per il modulatore. La frequenza di lavoro del convertitore Dac dipende dalla banda del segnale in banda base e dal livello di sovracampionamento progettato, con impatto diretto sulla progettazione dei filtri in uscita.Per una conversione multi-banda, dove più segnali in banda base sono modulati a diverse portanti Rf più o meno adiacenti, si può replicare la struttura in figura, con un incremento della complessità e della ridondanza di sistema oppure costruire direttamente in digitale il segnale multi-banda, con un notevole incremento del processamento digitale prima della conversione D-A, la quale si trova a gestire un segnale, “equivalente in banda base” molto complesso, con probabile deterioramento delle caratteristiche di rumore e distorsione in uscita dal convertitore D-A e dal modulatore. La funzione di conversione D-A e modulazione alla prima portante Rf è notevolmente semplificata utilizzando un convertitore D-A diretto in radio frequenza, come l’AD9172, che integra la modulazione del segnale in banda base a una portante Rf, fino a 6 GHZ e la conversione successiva D-A, eliminando di fatto il primo, ed in alcuni casi l’unico, stadio di conversione Rf a discreti. Il convertitore AD9172 integra due canali di conversione, e ciascun canale di conversione gestisce fino a tre segnali in banda base, che possono essere modulati internamente alle rispettive portanti Rf, quindi realizza un segnale multibanda a tre canali.

Aspetti innovativi della conversione diretta Rf

Di seguito i blocchi funzionali di un convertitore D-A diretto Rf, come l’AD9172.

• L’interfaccia digitale, realizzata secondo lo standard Jesd204B, a 8 porte, con velocità massima di 15Gbps. L’interfaccia Jesd204, ormai lo standard per la connettività affidabile dei convertitori D-A e A-D, permette la connettività di segnali a larga banda ed alto contenuto informativo tra i sempre più complessi sistemi di processamento digitale e sistemi di conversione multicanale, presevando la qualità dei segnali e la sincronizzazione tra i diversi canali. Ciò non avviene senza sfide, in quanto le connessioni digitali sono ad alto “bit-rate” e quindi vanno gestite adeguatamente a livello di layout della piastra. Per esempio l’AD9172 può gestire un segnale con banda di circa 6 GHZ e risoluzione di 16 bit, quindi deve acquisire un segnale digitale a 96 Gbps.
• La generazione e gestione del segnale di temporizzazione, che per l’AD9172 può arrivare a 12 GHZ. Questo nuovo convertitore può generare il segnale di clock internamente, a partire da un segnale di riferimento esterno a frequenza più bassa, in quanto integra un sintetizzatore di clock completo, richiedendo solo un semplice filtro passivo esterno. La distribuzione del segnale di clock ad alta frequenza è una funzione sempre molto critica nei sistemi, perché richiede tecniche di layout dedicate e ha un impatto diretto sulle prestazioni dei convertitori. L’AD9172 integrando questa funzione internamente agevola la realizzazione di un sistema più robusto; inoltre rende disponibile il segnale sintetizzato all’esterno, per essere utilizzato da altre parti della piastra.
• L’elaborazione digitale del segnale, che consiste normalmente nel sovracampiomento per adattare i segnali alla velocità di campionamento del convertitore. Nel caso specifico dell’AD9172, questa funzione è suddivisa in due blocchi (per ogni canale), e ciascun blocco include anche dei modulatori digitali, per assegnare ad essi la portante Rf scelta. Il primo blocco lavora su tre canali indipendenti, realizzando un segnale multibanda, che a sua volta puo’ essere interpolato e posizionato su una portante scelta, dal secondo blocco comune di elaborazione. Ciascun segnale in banda base passa attraverso uno stadio di guadagno e di modulazione dedicati ad esso. Il secondo blocco di interpolazione e modulazione integra anche la funzione di protezione dell’amplificatore di potenza Rf. Difatti gli amplificatori di potenza Rf non “gradiscono” segnali ingresso con alte dinamiche o con comportamento impulsivi, che potrebbero presentarsi al loro ingresso, nel caso di guasto o comportamento anomalo dei circuiti precedenti (come lo stesso Dac o lo stadio digitale precedente). La protezione del PA è realizzata attenuando in maniera controllata il segnale processato dal Dac stesso.
• Il blocco di conversione digitale-analogico, a 16 bit e 12 Gsps con uscite programmabili in corrente. La linearità della conversione D-A dipende direttamente da questa funzione chiave, ed essa è funzione diretta della qualità del progetto mixed-signal del convertitore. Ciò permette di ottenere valori di Sfdr (Spurious Free Dynamic Range) migliori di 70 dBc con segnale di uscita a 2,6 GHz e densità di rumore migliore di -164dBm/Hz con segnale di uscita a 2 GHz.
• Il blocco di interfacciamento con il processore di gestione, attraverso una interfaccia seriale, del tipo Spi. Questo è una macchina a stati complessa, che gestisce tutte le modalità operative di questi convertitori avanzati, le fasi di attivazione del dispositivo, delle interfacce digitali e delle configurazioni di test.

Spesso i dispositivi di conversione D-A vengono utilizzati per la generazione di segnali di temporarizzazione, sia da un segnale di riferimento generato esternamente in digitale, che con oscillatori digitali integrati nel D-A. È questo il caso anche dell’AD9172, dove ciascun modulatore digitale può essere configurato come oscillatore, con frequenza del segnale programmabile con grossa precisione (non come semplice sottomultiplo intero), rispetto al segnale di temporarizzazione di riferimento, realizzato in pratica una funzione Dds estremanente flessibile.

Aspetti applicativi della conversione diretta Rf

Le difficoltà di utilizzo di un dispositivo ad alta frequenza, come un convertitore D-A operante in radiofrequenza, riguardano principalmente il progetto circuitale e il relativo layout delle interfacce. Come accennato le interfacce del dispositivo sono: le connessioni ad alta velocità Jesd204B; i segnali di temporizzazione, come il clock, sia in ingresso che uscita; le uscite analogiche in radiofrequenza; le alimentazioni. Le connessioni digitali Jesd204B, che lavorano, per l’AD9172, fino a 15 Gbps, richiedono una particolare attenzione sopratutto nella realizzazione del layout, dove le connessioni vanno mantenute il più corte possibile, simmetriche (linee differenziali) su un solido piano di massa, evitando, se possibile, i passaggi da un piano all’altro della piastra. L’AD9172 integra un blocco di equalizzazione in ingresso, per compensare le perdite di trasmissione lungo le linee. I segnali di temporizzazione per un convertitore sono essenziali per ottenere le prestazioni di progetto, sia nella loro qualità che nella sincronizzazione tra i diversi segnali di temporizzazione stessi. Così per i segnali di riferimento e controllo della interfaccia Jesd204B va gestita la loro relazione con il clock del convertitore, in modo che una interferenza o rumore su di essi non venga interpretato come informazione di sincronismo. Il clock del convertitore ha un impatto diretto sulla qualità del segnale analogico in uscita, e l’AD9172, integrando la sua generazione, permette di ridurne la criticità, infatti la frequenza del clock di ingresso può essere ridotta fino ad un minimo di 25 MHZ. Lo stadio di uscita analogico dei convertitori D-A ad alta velocità è in corrente e differenziale. Le correnti massime dei due rami dell’AD9172 sono programmabili e lavorano su un’impedenza di 100 Ω. La catena di segnale a radiofrequenza è normalmente del tipo “single-ended”, quindi al convertitore D-A viene fatto seguire un Balun, che lavora, come prassi, su 50 Ω di impedenza. In questo stadio vanno utilizzate tutte le tecniche di progettazione a radiofrequenza, come l’isolamento tra corrente continua e segnale utile, e la simmetria del layout. I convertori veloci operano ormai con alimentazioni comprese tra 1 e 2,5 V (1 e 1,8 V per l’AD9172), suddivise tra i diversi blocchi funzionali interni, in modo da isolare i circuitri critici da quelli più rumorosi. Le alimentazioni critiche sono quelle relative ai blocchi analogici e delle temporizzazioni, quindi su queste linee di alimentazione vanno di prassi utlizzati dei regolatori lineari a bassissimo rumore, i condensatori di filtro vanno positionati quanto vicini possibile agli ingressi delle alimentazioni. Il layout delle alimentazioni è altrettanto critico, per evitare interferenze tra di esse, come pure il dimensionamento dei regolatori stessi, che deve tener conto delle diverse modalità operative del convertitore (ampiezza e frequenza dei segnali trattati).