Esigenze delle applicazioni di generazione di segnali ad alta velocità

Nelle applicazioni di generazione di segnali ad alta velocità la larghezza di banda e la risoluzione sono requisiti fondamentali. Le applicazioni moderne utilizzano convertitori digitali-analogici (ad alta velocità per produrre vari tipi di forme d’onda: da singoli toni a forme d’onda multicanale complesse con larghezze di banda di diverse centinaia di megahertz. Tali applicazioni richiedono l’uso di (Digital-analog converter) abbastanza veloci da produrre queste forme d’onda senza pregiudicare le prestazioni analogiche. In molte di queste applicazioni il rumore di fase limita il numero di canali e la relativa spaziatura. In genere il rumore di fase viene impostato dal clock che gestisce gli ingressi di clock del Dac, ma qualsiasi rumore di fase aggiunto dal Dac compare nello spettro di uscita e può limitare i segnali che si possono generare. Le caratteristiche del Dac ideale per le applicazioni di generazione di segnali di tipo ‘general purpose’ dovrebbero essere velocità, basso rumore, alta linearità e un bassissimo rumore di fase additivo. In mancanza di una di queste caratteristiche, la forma d’onda generata non riesce a soddisfare le esigenze dell’applicazione.

La larghezza di banda

Nelle applicazioni di generazione di segnali il criterio di progettazione più importante è la larghezza di banda. La prima domanda che il progettista si pone è: quanta larghezza di banda mi serve per generare il segnale di interesse? Il progettista può aver bisogno di una certa larghezza di banda per un determinato protocollo di segnalazione o una determinata applicazione. La larghezza di banda che il progettista cerca di ottenere può essere generata solo con un Dac che abbia almeno una velocità doppia rispetto alla larghezza di banda di interesse. Il rapporto esistente tra la larghezza di banda e la frequenza di campionamento (fs) è stato definito da Harry Nyquist e descrive il comportamento dei segnali nei sistemi campionati. È possibile generare un segnale da Dc a fs/2, spesso però non è pratico farlo a causa delle immagini che compaiono nello spettro di uscita. Le immagini compaiono a N*fs +/- fout (dove fout è la frequenza del segnale generato). In pratica occorrono filtri di ricostruzione per attenuare le eventuali immagini che compaiono nello spettro di uscita. Anche se il segnale generato si avvicina a fs/2, senza arrivarci, è difficile filtrare le immagini a causa dei limiti sul filtro. Il filtro di ricostruzione viene utilizzato nel dominio analogico con componenti reali. A differenza dei filtri digitali, questi componenti non sono ideali, il che comporta un passabanda non ideale con ripple e perdita di inserzione. In genere più l’ordine di questi filtri è alto, maggiore sono il ripple e la perdita di inserzione e più difficile risulta progettare un filtro ideale. Più la larghezza di banda del segnale si avvicina a fs/2, maggiore dovrà essere l’ordine del filtro per poter attenuare le immagini prodotte dal processo di campionamento. Tale filtro richiede più componenti e avrà una perdita di inserzione e un ripple di passabanda maggiori. Con un Dac con una frequenza di campionamento più elevata la larghezza di banda utilizzabile aumenta e i requisiti del filtro diminuiscono; il filtro ha meno componenti ed è meno complesso, la progettazione diventa più semplice e i risultati sono migliori. Ad esempio, l’LTC2000 di Linear Technology, un Dac da 2,5Gsps a 16 bit, ha una velocità di campionamento di 2,5Gsps, con una frequenza fs/2 di 1,25GHz. Pertanto, per una larghezza di banda del segnale di 800 MHz, si avrà un’immagine del segnale a partire da 1,7GHz. Ci saranno 900 MHz tra la banda di frequenza di interesse e la frequenza dell’immagine. Con una banda di guardia di 900MHz l’immagine può essere facilmente filtrata con un semplice filtro passa-basso. Un Dac con una frequenza di campionamento inferiore produce immagini più vicine alla frequenza di interesse che richiede un filtro più aggressivo e complesso. Un altro problema derivante dalla generazione di un segnale che supera fs/2 è che, a prescindere dal Dac, si verifica un roll-off SINC (sin(x)/x) che attenua il segnale generato mano a mano che la frequenza aumenta. Il roll-off è zero alla frequenza di campionamento (fs), quindi è impossibile produrre un segnale che compaia esattamente alla frequenza di campionamento; il segnale risultante sarebbe solo una tensione Dc. Nelle applicazioni pratiche il 60% circa della zona di Nyquist (da DC a fs/2) può essere usato senza molta attenuazione Sinc. Se 0dB è il livello del segnale a Dc, al 60% della zona di Nyquist il livello del segnale dovrebbe essere inferiore di 6 dB. Spesso il contrario di questo roll-off viene usato nel dominio digitale e corregge il roll-off naturale del segnale generato. Questo consente ai Dac di produrre forme d’onda con un’ampiezza costante sulla frequenza. L’uso di un Dac più veloce riduce il roll-off della funzione Sinc con il diminuire della frequenza di uscita del Dac.

Il rumore di fase

Un altro importante elemento di cui tenere conto nelle applicazioni di generazione di segnali è il rumore di fase sull’uscita che condiziona la spaziatura tra i segnali e può limitare l’ordine di modulazione producibile. A un maggiore rumore di fase aggiunto nel processo di generazione del segnale corrispondono un Snr inferiore e un maggiore tasso di errore di bit del segnale generato. Il jitter è una misura della precisione del passaggio a zero del segnale nel dominio del tempo. Un segnale perfetto mostra un passaggio a zero nello stesso punto in ogni periodo di tempo. In realtà questi passaggi a zero si verificano con una certa distribuzione temporale. Se tale distribuzione viene trasferita nel dominio della frequenza, il rumore di fase può essere visto come una dispersione spettrale intorno al tono fondamentale. In caso di più toni a distanza ravvicinata, l’Snr di un tono può essere degradato dalla dispersione spettrale dei toni adiacenti, con conseguente riduzione del tasso di errore di bit e della precisione del segnale prodotto. Per evitare una perdita di integrità del segnale occorre ridurre il rumore di fase introdotto nel segnale generato. Il modo più semplice per evitare di introdurre un rumore di fase in un sistema di generazione di segnali consiste nell’iniziare con un clock bassissimo che trasporta meno rumore sul segnale generato. È anche importante notare che l’attenuazione del rumore di fase del clock del segnale generato che si verifica è proporzionale al rapporto tra il segnale generato e la frequenza di clock. Tale rapporto indica che, generando segnali in bassa frequenza con una frequenza di clock elevata si ottiene, sul segnale di uscita, un rumore di fase inferiore rispetto a quello prodotto generando un segnale in alta frequenza con lo stesso clock. Se lo spettro generato è ampio, i segnali generati alla fine dello spettro mostrano un rumore di fase maggiore rispetto ai segnali a frequenze inferiori. L’LTC6946 è un sintetizzatore di frequenza in grado di produrre segnali da 370 MHz a 5,7 GHz senza un Vco esterno. Questo dispositivo ha un eccellente rumore di fase e spurie in uscita spurie molto basse e può essere utilizzato come sorgente di clock nelle applicazioni di generazione di segnali. Quando l’LTC6946 viene usato per controllare il Dac ad alta velocità LTC2000, il rumore di fase è abbastanza basso per la maggior parte delle applicazioni di generazione di segnali più esigenti. Nella Fig. 1 è illustrato lo schema di un LTC6946 con un LTC2000. La Fig. 2 mostra il diagramma del rumore di fase dell’LTC6946 e dell’LTC2000. L’LTC6946 utilizza un Vco interno con buone prestazioni di rumore di fase. È possibile ottenere un rumore di fase ancora più basso utilizzando l’LTC6945 con Vco esterno. Nei sintetizzatori LTC6945 e LTC6946 la fonte principale del rumore di fase è il Vco. L’LTC2000 ha un rumore additivo di -165 dBc/rHz con un offset di 1 MHz quando produce un tono di uscita di 65 MHz. In questo modo il rumore di fase del clock domina il rumore di fase additivo dello stesso LTC2000. Per evitare che altri rumori disturbino i segnali di uscita, occorre adottare adeguate tecniche di progettazione per la sezione di uscita analogica.

Progettazione Rf adeguata

I vantaggi derivanti dall’uso di Dac e sorgenti di clock ad alte prestazioni svaniscono se non si utilizzano tecniche adeguate per progettare il circuito stampato. Senza una simmetria, bypass e barriere adeguati la forma d’onda generata può risultare danneggiata, con introduzione di rumore e altre spurie. Nella figura 3 si vede lo schema tipico di un LTC2000. Questo dispositivo ha una densità spettrale del rumore maggiore di 158dBm/rHz per segnali fino a 500MHz, il che garantisce un rapporto segnale-rumore elevato per una vasta gamma di frequenze generate. L’Sfdr (Spurious free dynamic range) è maggiore di 74dB fino a 500MHz e maggiore di 68dB SFDR per frequenze di uscita fino a 1GHz. Per ottimizzare le prestazioni dell’LTC2000 è indispensabile un layout adeguato. Le uscite del Dac devono essere considerate come una coppia differenziale e disposte il più simmetricamente possibile. Qualsiasi asimmetria nella rete di uscita può comportare un differenziale di tensione tra i segnali differenziali. Tale differenziale provoca un disturbo di modo comune che comporta una distorsione e un rumore indesiderati nello spettro di uscita; per evitarlo serve che le linee di trasmissione di ogni uscita siano simmetriche. Nella Fig. 4 si vede un esempio di layout. Occorre prestare molta attenzione affinché anche i vias lungo le linee di trasmissione siano simmetrici su entrambi i lati. In questo modo le linee di trasmissione contribuiscono a ridurre l’accoppiamento di segnali potenzialmente dannosi nel segnale generato. I vias e una buon layout possono contribuire a proteggere le uscite analogiche da segnali dannosi. I Dac per la generazione di segnali hanno tre porte che pongono una serie di problemi di progettazione: l’ingresso di clock, l’uscita analogica e gli ingressi di dati. Un ingresso dei dati collocato vicino all’uscita o al clock si collega a quei segnali provocando la comparsa di toni spuri nello spettro di uscita. Allo stesso modo, un clock collegato all’uscita analogica a causa di un layout scadente riduce l’integrità del segnale generato. Per ottenere prestazioni ottimali dal Dac occorre prevedere barriere adeguate tra la sezione digitale, i segnali di clock e la sezione di uscita analogica. Spesso è opportuno indirizzare segnali digitali, segnali di clock e le uscite analogiche su layer separati del circuito in modo da ridurre al minimo l’interazione tra i segnali. Nella Fig. 4 è illustrato il layout dell’LTC2000, con indicazione del modo in cui isolare i segnali digitali, quelli di clock e le uscite analogiche. Nella figura le tracce digitali sono indirizzate su un layer interno della scheda ed emergono solo attraverso i fori di vias delle piazzole dell’LTC2000. La traccia del clock è molto breve, è circondata da vias per isolare il segnale e non è indirizzata dalle tracce digitali o dalle uscite analogiche. Le tracce di uscita sono il più simmetriche possibile e circondate da barriere che proteggono le uscite analogiche da segnali aggressivi. Con un layout di questo tipo e un clock di campionamento pulito, l’LTC6946 e l’LTC2000 possono produrre forme d’onda straordinariamente pulite, adatte per la maggior parte delle applicazioni di generazione di segnali.

Ideale per segnali a basso rumore

Le applicazioni di generazione di segnali hanno bisogno di frequenze di campionamento elevate per migliorare le immagini e ridurre la complessità del filtro di uscita. La frequenza di campionamento elevata riduce l’inevitabile Sinc roll-off presente in tutti i Dac. Con una frequenza di campionamento di 2,5 Gsps, l’LTC2000 fornisce una larghezza di banda adeguata per applicazioni di generazione di segnali esigenti, pur mantenendo prestazioni eccellenti in termini di spettro e rumore. Queste applicazioni hanno bisogno di clock di campionamento puliti, a basso rumore di fase, per consentire brevi distanze tra toni adiacenti. L’LTC2000, temporizzato dall’LTC6946, presenta un basso rumore di fase senza bisogno di un Vco esterno. Il rumore di fase additivo dell’LTC2000 è quasi impercettibile nello spettro di uscita. Con un layout e barriere adeguati intorno ai segnali fondamentali, questo dispositivo offre prestazioni adatte per la maggior parte delle applicazioni di generazione di segnali. I segnali generati non presentano contenuto spurio e richiedono un filtraggio minimo. L’LTC2000 è il dispositivo ideale per generare segnali a basso rumore con un’elevata purezza di spettro fino a diverse centinaia di MHz, inoltre offre la frequenza di campionamento e le prestazioni necessarie per risolvere i problemi che caratterizzano le moderne applicazioni di generazione di segnali.

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