I sistemi moderni di comunicazione richiedono ormai un intervallo dinamico più ampio di quello che possono supportare gli attuali convertitori analogico-digitali (ADC). Un modo per ottenere un intervallo dinamico maggiore del sistema consiste nell'usare un amplificatore a guadagno variabile controllato digitalmente (DVGA o Digitally controlled Variable Gain Amplifier), con un ADC ad alta velocità e ad alta risoluzione in un anello AGC (Automatic Gain Control).
In che modo serve tutto ciò? Le informazioni sulle impostazioni di guadagno, rispetto alle quali l'amplificatore è programmato, sono combinate con la tensione misurata dal convertitore per ottenere un valore finale (guadagno + tensione misurata = tensione reale). Dato che il guadagno può essere abbassato, i segnali che normalmente bloccherebbero l'ingresso dell'ADC, possono essere attenuati e misurati. Il DVGA è controllato in tempo reale dal circuito digitale e il guadagno può cambiare in risposta alla modulazione del segnale in ingresso. Questa caratteristica è particolarmente importante per gli schemi di modulazione che sono caratterizzati da un rapporto elevato fra il picco e la media, come quelli GSM, EDGE/EGPRS.
Per ottenere le prestazioni migliori in termini di aumento dell'intervallo dinamico, i segnali più piccoli previsti devono essere elaborati con il guadagno impostato al massimo valore, ma le sequenze di impulsi (burst) di segnale non devono poter bloccare l'ADC. Per questa ragione è importante regolare l'anello AGC al fine di scalare il segnale ben al di sotto del fondo scala dell'ADC. È anche ideale disporre di un controllore dell'anello AGC che sia abbastanza veloce da scalare il guadagno durante gli impulsi di segnale. L'interferenza fra canali adiacenti e quella nel canale stesso devono essere fattorizzate nel calcolo dell'intervallo dinamico. Il livello combinato del segnale desiderato, assieme a qualsiasi segnale di interferenza, deve essere mantenuto al di sotto del livello che produrrebbe il blocco all'ingresso dell'ADC.
Come mostrato nella Fig. 1, il rapporto segnale/rumore (SNR o Signal to noise Ratio) e l'intervallo dinamico privo di spurie (SFDR o Spurious Free Dynamic Range) è ottenuto con segnali di ingresso prossimi al fondo scala. Nella Fig. 2 è mostrata la stessa impostazione amplificatore/ADC con un segnale di ampiezza inferiore. Con una diminuzione di 16 dB dell'ampiezza del segnale il SNR scende di 12 dB e l'SFDR migliora di 5 dB. Questo mostra che esiste un intervallo di ampiezza in ingresso che fornirà una buona fedeltà del segnale e che lo scopo del blocco di controllo automatico del guadagno (AGC) è di mantenere il segnale di ingresso il più possibile in questo intervallo. Per molti ADC l'intervallo fra - 6 dBFS e - 18 dBFS è l'intervallo migliore per garantire un funzionamento ottimale.
Per ottenere il massimo vantaggio dal DVGA esistono alcune procedure chiave che devono essere seguite sin dalle prime fasi della progettazione del sistema. La tensione di alimentazione e la disposizione dei componenti su scheda più opportune sono critiche ai fini delle prestazioni del sistema. Quando si progetta la scheda a livello di sistema, il DVGA e l'ADC dovrebbero essere collocati il più possibile l'uno vicino all'altro. Dovrebbe rimanere spazio solo per un piccolo filtro di rumore fra l'amplificatore e l'ADC.
Il filtro fra il DVGA e l'ADC è necessario perché il DVGA produce un rumore di uscita sull'intera banda dell'amplificatore. Il front end dell'ADC potrebbe avere una banda di un gigaherz o più. Usando un filtro passa banda, si otterrà un miglioramento sostanziale sul rumore di fondo del sistema. Non è necessario un filtro complesso, e un filtro semplice richiederà meno regolazioni della temporizzazione dell'anello AGC. È indesiderabile avere un ritardo eccessivo a causa del filtro. La perdita nel filtro diminuisce direttamente anche il guadagno del sistema. La banda del filtro può essere considerevolmente più ampia di quella del segnale e ridurre ancora gran parte del rumore a banda larga. Un filtro con banda troppo stretta degraderà il segnale compromettendo l'andamento piatto della risposta passa-banda e introducendo un ritardo di gruppo eccessivo.
I vantaggi di un filtro a banda larga
Quello che segue è un esempio che illustra i vantaggi di un filtro con banda relativamente larga: il nostro amplificatore ha un rumore di ingresso di 2,0 nV/√Hz e 26 dB di guadagno con una banda di 500 MHz. A valle dell'amplificatore si trova un ADC a 14 bit con una velocità di campionamento di 150 MHz e una banda a piena potenza del front end di 1,1 GHz. Senza filtri fra l'amplificatore e l'ADC avremo i seguenti valori di rumore:
Rumore di uscita dell'amplificatore: = 1,8 nV/√Hz*20 V/V*√(600 MHz) = 881 μV di rumore
Rumore di fondo dell'ADC: 71,3 dBFS @ 1V a piena scala = 272 μV
In questo caso l'amplificatore contribuirà con molto più rumore rispetto all'ADC. Un ricevitore WCDMA ha 5 MHz di banda di segnale per canale. Al fine di avere una risposta piatta su 5 MHz sarà usato un filtro da 25 MHz. Per avere una buona reiezione dal filtro, sceglieremo una frequenza IF di 185 MHz (nella terza banda di Nyquist del nostro ADC).
L'aggiunta del filtro fornisce i seguenti risultati:
Rumore di uscita dell'amplificatore: = 1,8 nV/√Hz*20 V/V*√(30 MHz) = 197 μV di rumore
Rumore di fondo dell'ADC: 71,3 dBFS @ 1V a piena scala = 272 μV
Con l'aggiunta del filtro il rumore dell'amplificatore è ora ben al di sotto del rumore di fondo dell'ADC. Quando progettate il filtro, occorre cercare di modellizzare la capacità di ingresso all'ADC, la capacità di uscita dell'amplificatore e le capacità parassite della scheda. In più, i pin di uscita dell'amplificatore e i pin di ingresso dell'ADC avranno approssimativamente 1 nH di induttanza dei fili di giunzione.
Anche con una modellizzazione accurata, una volta che il circuito è realizzato sarà necessario misurare con cura la risposta del filtro e adattarla secondo la necessità per regolare la frequenza centrale del filtro. Maggiore è la frequenza, più è difficile modellizzare in modo accurato il filtro. Inoltre, i componenti più piccoli sono soggetti ad errori di tolleranza.
Una volta che la frequenza IF è stata scelta e la banda del filtro è stata selezionata, deve essere scelta un'impedenza del filtro. Quest'ultima è critica quasi come la banda del filtro e le perdite di inserzione. La scelta della migliore impedenza del filtro richiede un bilanciamento dei requisiti dell'ADC e di quelli dell'amplificatore. Il filtro mostrato nella Fig. 3 è stato progettato per avere un'impedenza di 200 Ohm nella banda passante ed è terminato da una resistenza da 400 Ohm per ridurre le perdite. Avrebbe avuto una risposta in frequenza più piatta se terminata da una resistenza da 200 Ohm.
Il filtro di rumore è stato progettato per avere un'impedenza elevata al di fuori della banda passante sul lato dell'amplificatore. Questo contribuisce a tenere bassa la distorsione dei prodotti mantenendo le correnti di uscita dell'amplificatore il più possibile ridotte. Il filtro è stato progettato anche per avere un'impedenza bassa nella banda di arresto al lato del convertitore, e questo contribuisce a ridurre gli impulsi di corrente provocati dalla commutazione dei condensatori quando l'ADC campiona il segnale in ingresso.
È importante leggere il datasheet per il particolare convertitore prima di decidere come pilotarlo. Una questione aperta è se adattare o meno l'ingresso dell'ADC. Esistono alcuni convertitori con bassa impedenza, ingressi con buffer che richiedono un'impedenza adattata all'ingresso. Molti convertitori, d'altra parte, hanno ingressi ad alta impedenza che non dovrebbero essere adattati. Il convertitore a 14 bit menzionato in precedenza, è un esempio tipico di convertitore ad alta risoluzione e ad alta velocità, ha un ingresso che è largamente capacitivo (9 pF con clock basso, 6 pF con clock alto). I convertitori di questo tipo sono pilotati da una sorgente a bassa impedenza. I convertitori sono dispositivi a temporizzazione discreta. A un certo punto nel tempo l'ADC campionerà il segnale, e in seguito ignorerà il segnale mentre elabora quel campione. Per l'ADC14155 il datasheet specifica che il segnale è campionato sul fronte discendente del clock. Esso specifica anche che la capacità di ingresso è di 6 pF mentre il clock è alto e di 9 pF quando il clock è basso. Da queste informazioni possiamo vedere che il filtro dovrebbe essere progettato attorno alla capacità di 6 pF in corrispondenza del clock alto. Durante questo tempo l'ADC si sta preparando per campionare l'ingresso analogico. Quando il clock passa al livello basso, il campione è stato prelevato e non dobbiamo preoccuparci della capacità di ingresso fino a che non giunge il momento per il campione successivo. Gli amplificatori offrono il vantaggio di avere un'uscita a bassa impedenza che dà flessibilità al progetto a livello di sistema. Gli amplificatori general purpose offrono una resistenza di uscita molto bassa (< 1 Ohm) e gli amplificatori RF forniscono un intervallo di impedenze attorno a 50 fino a 400 Ohm. Al fine di massimizzare le prestazioni dell'amplificatore, il carico esterno (rispecchiato nell'impedenza caratteristica del filtro), dovrebbe essere il più possibile elevato. Come già accennato, l'ADC dovrebbe essere dotato di una sorgente a bassa impedenza. In laboratorio gli esperimenti hanno mostrato che un filtro di 400 Ohm forniva le prestazioni migliori per il circuito mostrato nella Fig. 3. Combinazioni diverse di amplificatore e ADC potrebbero ben trarre vantaggio da un'impedenza del filtro leggermente diversa.
Tensioni diverse per amplificatori e ADC
Una delle differenze principali fra un amplificatore e un ADC è che un amplificatore deve essere in grado di ricreare un segnale e distribuirlo ad un carico che richiede sia tensione, sia corrente (potenza, in altre parole). Un convertitore ha l'unico scopo di misurare una tensione e di creare un segnale digitale proporzionale a quella tensione. Questa differenza fondamentale comporta diversi requisiti sull'alimentazione. In gran parte delle applicazioni l'amplificatore richiederà un intervallo di tensioni di alimentazione più ampio rispetto al convertitore. Questo è tale che l'amplificatore ha abbastanza margine per fornire potenza in corrispondenza del valore massimo della tensione di segnale. Inoltre, specialmente per catene di segnale accoppiate in DC, una tensione di alimentazione negativa migliorerà immensamente le prestazioni. Avere a disposizione le migliori tensioni di alimentazione sulla scheda è un fattore chiave per portare a termine il progetto con successo. Per minimizzare il rumore sull'alimentazione, si dovrebbero usare i piani di potenza o le tracce molto ampie a bassa induttanza. Un aspetto in comune sia agli amplificatori, sia ai convertitori è la necessità di condensatori di bypass a bassa ESR e a bassa induttanza. Per una migliore integrità del segnale, le correnti portate dai condensatori di bypass non dovrebbero essere instradate vicino alle tracce dei segnali. Inoltre, i condensatori di bypass all'alimentazione non dovrebbero essere connessi al piano di massa, vicino al punto in cui i resistori di terminazione dei segnali si connettono a massa.
Al fine di fornire prestazioni libere da distorsioni a frequenze molto alte si è optato per l'uso dello schema di funzionamento in classe A con collettore aperto (emettitore comune) per amplificatori come l'LMH6515 e l'LMH6555. Questa topologia di amplificatore trae vantaggio dalle tolleranze strette sull'alimentazione, specialmente dati i grandi requisiti sui segnali da una singola alimentazione. Per fortuna sono disponibili alimentazioni con un'eccellente accuratezza nella regolazione. I regolatori di tensione lineari forniranno i livelli minimi di rumore e possono anche offrire un'eccellente accuratezza nella regolazione. Un regolatore come l'LP2989 ha un'accuratezza nominale dell'1,25 % e un'accuratezza da -4 fino a +2,5% sulla temperatura e sulla corrente di carico. Dato che la corrente di alimentazione a riposo del DVGA LMH6515 è superiore rispetto alla corrente fornita al carico, la corrente prelevata dal DVGA sarà in larga misura statica. Questo è uno scenario “caso migliore” per la regolazione all'alimentazione, di modo che l'accuratezza dell'alimentazione sia migliore di quanto specificato.
