Активні балуни з'єднують мікрохвильовий та цифровий світи.
Перейдіть на сайт
Світ технологій 5G
Активні балуни з'єднують мікрохвильовий та цифровий світ
Для досягнення технічних характеристик надвисокошвидкісних перетворювачів даних з тактовою частотою 64 Гвиб/сек передача обслуговування в мікрохвильову область і назад має бути майже ідеальною. Щоб зберегти вільний від паразитних динамічний діапазон перетворювачів даних, було розроблено нову категорію компонентів, які перетворюють диференціальні та несиметричні сигнали, одночасно посилюючи та фільтруючи позасмугові сигнали.
< strong>Сейєд Табатабаї, mmTronОскільки геометрія кремнію стискається вони збільшують обчислювальну потужність кожного покоління SoC. Що дивно: частота дискретизації перетворювачів даних зараз перевищує 10 Гвиб/с і досягає 64 Гвиб/с таких компаній, як Texas Instruments (TI), Analog Devices, Intel і Teledyne e2v.
Серед багатьох переваг системи таке поєднання інтеграції та швидкості змінює архітектуру інтерфейсних НВЧ-систем. Історичний приймач з понижувальним перетворенням з ВЧ в ПЧ схиляється до прямої ВЧ вибірці, коли мікрохвильовий сигнал безпосередньо перетворюється на цифровий. У цьому полягає концепція програмно-визначуваного радіозв'язку.
Хоча системи прямої радіочастотної вибірки, що працюють на найвищих швидкостях передачі даних, можуть споживати значну потужність постійного струму (цифрові процесори повинні підтримувати швидкість передачі даних), вони спрощують блок-схему радіочастот із супутніми перевагами вартості, розміру та ваги, одночасно додаючи гнучкість та підвищення продуктивність. . Для систем з кількома паралельними каналами, таких як повністю активні радари з фазованими гратами, пряма радіочастотна вибірка покращує синхронізацію та фазову когерентність каналами. Ці архітектурні компроміси сприяють прямому відбору радіочастотних сигналів, судячи з систем оборони, зв'язку та контрольно-вимірювальних приладів, що його застосовують.
Перехід на ммхвилі
При розробці системи, яка буде використовувати пряму радіочастотну вибірку, теорія вибірки Найквіста вимагає, щоб частота дискретизації fs була більш ніж удвічі вищою за найвищу частоту дискретизації, щоб гарантувати, що цифрові дані точно представляють вихідний сигнал без накладання спектрів. Це означає, що аналого-цифровий перетворювач (АЦП) зі швидкістю 64 Гвиб/с теоретично може перетворювати сигнали з частотою до 32 ГГц. Ця смуга частот називається першою зоною Найквіста. Для ілюстрації на Мал. 1(a) показаний дискретизований базовий сигнал (синій спектр), а зображення, отримані в результаті дискретизації, показані червоним. Поєднання виникає, коли смуга дискретизованого сигналу перевищує fs/2, що призводить до перекриття спектрів зображення та основної смуги. ” aria-describedby=”caption-attachment-19434″ class=”wp-image-19434 size-large” width= “740” height=”241″ alt=”” />
Мал. 1. Випадок дискретизації сигналу (а) у межах першого Зона Найквіста, де верхня частота сигналу менше fS/2. Найближчі зображення дискретизованого спектру потрапляють до другої та третьої зони Найквіста. У разі недостатньої вибірки смуга вибірки потрапляє до другої зони Найквіста, а найближчі зображення знаходяться у першій та третій зонах Найквіста.
Пряма радіочастотна вибірка поширюється на частоти вище першої зони Найквіста, якщо смуга пропускання сигналу, що дискретизується, не перевищує fs/2. Це називається недостатньою вибіркою чи гармонійною вибіркою. Малюнок 1(b) ілюструє цей випадок, коли вибраний спектр знаходиться у другій зоні Найквіста. Оскільки при недостатній вибірці ширина смуги сигналу досягатиме fs/2, це корисно для систем mmWave, де смуга пропускання зазвичай велика через доступний спектр.
Перетворювач даних задає продуктивність
Конвертер даних визначає продуктивність
сильний>
Продуктивність системи прямої радіочастотної вибірки визначається перетворювачем даних. У приймачі радіочастотний сигнал, який подається на АЦП, має бути оптимально узгоджений із вхідними вимогами АЦП. У передавачі інтерфейс на виході цифро-аналогового перетворювача (ЦАП) має підтримувати точність цифрового сигналу.
Більшість надвисокошвидкісних АЦП та ЦАП використовують диференціальний потік сигналів. , що дає істотні переваги:
- зниження спотворень другого порядку,
- придушення синфазних перешкод,
- краще заземлення,
- несприйнятливість до зв'язку з підкладкою,
- менший паразитний зв'язок та
- покращено придушення перешкод джерела живлення.
Однак, радіочастотні системи зазвичай є несиметричними з характеристичним опором 50 Ом. Хоча перетворення між диференціальним та несиметричним сигналом може бути виконано за допомогою пасивного симетруючого пристрою з втратами, чутливий інтерфейс між диференціальними перетворювачами даних та несиметричними ланцюгами радіочастотних сигналів вимагає використання активних симетруючих пристроїв, спеціально розроблених для максимізації продуктивності дорогих перетворювачів.
Роль активного балану
У приймачі мікрохвильовий сигнал, керуючий АЦП, повинен фільтруватися та посилюватися до максимального вхідного рівня АЦП, додаючи мінімальний шум, гармоніки та інтермодуляційні спотворення або паразитні складові. На стороні передачі диференціальний вихід ЦАП повинен бути перетворений на несиметричний і достатньою мірою посилений для управління ланцюгом підсилювача потужності передавача, додаючи мінімальний шум, гармоніки та інтермодуляцію. Активний балун поєднує пасивний балун із фільтрацією та посиленням з низьким рівнем шуму та високою лінійністю.
Мал. 2показано блок-схему приймача з прямою радіочастотною вибіркою і показано, де активні балуни вписуються в потік сигналу. Хоча самі функції схеми інтегровані @mdash; пасивний балун, фільтрація перешкод та квазідиференціальні малошумливі підсилювачі @mdash; шляхи передачі та прийому мають протилежний потік сигналів, що потребує окремих MMIC для АЦП та ЦАП.
Малюнок 2. У трансівері, що використовує пряму радіочастотну вибірку, активний перетворювач, що симетрує, об'єднує пасивний симетруючий перетворювач з фільтрацією перешкод і малошумящими широкосмуговими підсилювачами з високою лінійністю. Потік сигналів ЦАП протилежний потоку сигналів для АЦП.
Активні симетруючі пристрої оптимізують інтерфейс із перетворювачем даних, забезпечуючи широку смугу пропускання, високу лінійність, низький коефіцієнт шуму, високе придушення синфазних сигналів та високий розмах напруги, сумісний з АЦП чи ЦАП. Наприклад, рівень шуму активного балуна має бути набагато нижчим, ніж рівень шуму АЦП. Активний балун не тільки допомагає максимізувати продуктивність системи, але й зменшує площу друкованої плати (PCB), оскільки підтримка фазового балансу між диференціальними сигналами збільшує розмір схеми та ускладнює розведення друкованої плати.
Харчування активного балуна
Широка смуга пропускання, низький коефіцієнт шуму, висока лінійність та високий коефіцієнт придушення синфазного сигналу є ключовими вимогами до активного симетруючого пристрою. Схема повинна витримувати повний розмах напруги перетворювача даних, а її власний шум має бути набагато нижчим, ніж шум АЦП або ЦАП.
Ці вимоги можна задовольнити за допомогою активного балуна, в якому використовується процес біполярного транзистора з гетеропереходом (HBT). GaAs HBT можуть досягати хороших характеристик в діапазоні частот до 20 ГГц, а InP використовується для підсилювачів малого шуму до частот вище 100 ГГц. Активні балуни, виготовлені з HBT, дуже малі, що дозволяє займати компактну площу поверхового монтажу на друкованій платі. Вони також мають низький фазовий шум, в 10-20 разів нижче, ніж у конструкції, виготовленої з використанням псевдоморфного транзистора з високою рухливістю електронів (pHEMT). Основним недоліком пристроїв HBT є їх відносно високий коефіцієнт шуму. Наприклад, активний балун Ka-діапазону mmTron, розрахований на АЦП з частотою 64 Гвиб/с, має мінімальний коефіцієнт шуму 6 дБ порівняно з його конструкцією pHEMT з коефіцієнтом шуму нижче 3,5 дБ. Однак площа конструкції на основі HBT у 3 рази менша, ніж у еквівалентної MMIC pHEMT.
Який би технологічний процес він не використовував, активний перетворювач, що симетрує, вимагає компромісу між досягненням мінімального коефіцієнта шуму або максимальною лінійністю. Наприклад, пристрої pHEMT, що використовуються в активному балуні TMC160 компанії mmTron, досягають середнього коефіцієнта шуму 1,5 дБ у робочій смузі частот від 3 до 20 ГГц та вхідному IP3 15 дБм. Збільшення вхідного IP3 до 21 дБм збільшує коефіцієнт шуму до 3,5 дБ. Ці та інші компроміси є частиною конструкції активного балуна, який часто оптимізується для роботи з конкретними перетворювачами даних. =”async” aria-describedby=”caption-attachment-19436″ class=”wp-image-19436 size” -medium” width=”300″ height=”279″ alt=”Оцінювальна плата ЦАП Texas Instruments” />< p id="caption-attachment-19436" class="wp-caption-text">Мал. 3. Ця оцінка Плата двоканального ЦАП Texas Instruments використовує активний балун на кожному виході. Кожен активний балун вбудований у корпус QFN з повітряною порожниною розміром 7×7 мм.
Мал. 3показано оцінну плату для двоканального ЦАП TI Multi-Nyquist (DAC39RF10). При обробці обох каналів максимальна швидкість вхідних даних становить 10,24 Гвиб/сек, яка подвоюється до 20,48 Гвиб/сек, якщо використовується лише один канал. Кожен вихід ЦАП живить активний балун mmTron, кожен із яких вбудований у корпус QFN з повітряною порожниною 7 x 7 мм. Використання активних балунів полегшує конструкцію інтерфейсу і не займає багато місця на друкованій платі. Для підтримки багатоканальних перетворювачів даних кілька активних симетруючих каналів можуть бути інтегровані в один корпус QFN.
Майбутнє
Впровадження прямої вибірки радіочастотних сигналів у мікрохвильових та міліметрових системах створило можливість для нової категорії мікрохвильових компонентів – активних симетруючих пристроїв. Його роль полягає у забезпеченні інтерфейсу між високошвидкісними перетворювачами даних та традиційними ланцюгами сигналів мікрохвильового та міліметрового діапазону, зберігаючи динамічний діапазон ЦАП та АЦП без перешкод. Активний балун поєднує традиційний пасивний балун із посиленням та фільтрацією в невеликому корпусі для поверхневого монтажу, спрощуючи проектування системи та розведення друкованої плати.
Сейєд Табатабаї заснував mmTron у 2020 році, натхненний розробкою революційних продуктів MMIC, що забезпечують новий рівень вихідної потужності, ефективності та лінійності для додатків mmWave.
Раніше Табатабаї був генеральним директором Teramics, компанії, що надає дизайнерські послуги, яка також орієнтована на ринок міліметрових хвиль. Його досвід роботи з міліметровими хвилями поширюється на Endwave Corporation, одну з новаторських компаній у галузі, де він обіймав посаду віце-президента з напівпровідникової продукції. Раніше він обіймав посади технічного менеджера підрозділу мікроелектроніки в Hewlett Packard (тепер Keysight Technologies), M/A-COM та Лабораторія фізичних наук. Доктор Табатабаї має докторський ступінь. з Університету Меріленда в Коледж-Парку та сертифікат менеджменту Школи бізнесу Слоана Массачусетського технологічного інституту.
