Быстродействующий двухканальный 16‑разрядный ЦАП серии 1273ПА10Т

Микросхемы ЦАП и АЦП относятся к числу компонентов, широко распространенных на мировом рынке электроники, поскольку они обеспечивают взаимодействие цифровых и аналоговых блоков многих систем РЭА. Среди приборов этого класса важное место занимает быстродействующий сдвоенный ЦАП высокой разрядности, ориентированный на многоканальные беспроводные системы широкополосной связи с квадратурной модуляцией, требующие точного соответствия параметров обоих каналов, а также различные инструментальные системы. Помимо параметров, определяющих свойства стандартных ЦАП, таких как частота выборки, время установления, интегральная (INL) и дифференциальная (DNL) нелинейности, для быстродействующих ЦАП вводятся параметры в частотной области — частота обновления выходных данных, SFDR (динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих), IMD (коэффициент интермодуляционных искажений), SNR (отношение сигнал/шум на частоте несущей) и другие. Для реализации требований современной РЭА к таким ЦАП необходимо увеличение их динамического диапазона, статической точности и скорости установления выходного сигнала. ЦАП 1273ПА10 выполнен на коммутируемых источниках тока с использованием сегментированной архитектуры (segmented current source architecture). Данная схемотехника обеспечивает высокую скорость установления сигнала и позволяет сочетать разумные размеры кристалла с высокой разрядностью (динамическим диапазоном) и высокой статической точностью, а также наименьшим уровнем собственных шумов, так называемых кодозависимых глитчей.

Разработка первого отечественного широкополосного 16‑разрядного ЦАП с коммутируемыми источниками тока и сегментированной архитектурой 1273ПА10Т была выполнена НИИЭТ в 2011 году. Прототипом микросхемы является ИС AD9777 фирмы Analog Devices.

Основные технические характеристики ЦАП 1273ПА10Т

Микросхема 1273ПА10Т представляет собой двухканальный 16‑разрядный ЦАП с токовым выходом. Его структурная схема показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема ЦАП 1273ПА10Т

Значения основных электрических параметров приведены в таблице 1.

Микросхема имеет порт последовательного интерфейса, встроенный источник опорного напряжения, умножитель тактовой частоты и два канала цифро-аналогового преобразования.

Каждый канал содержит параллельный интерфейс входных данных, три программно выбираемых цифровых интерполирующих фильтра, цифровой квадратурный модулятор и аналоговый выход в форме пары комплементарных токовых выходов. Амплитуда выходного тока для обоих каналов может быть установлена единственным внешним резистором или для каждого канала от двух отдельных резисторов. Каналы ЦАП работают полностью независимо или соединенными в форме сложного модулятора в архитектуре с подавлением зеркальной боковой полосы.

Микросхема питается от трех источников напряжением 3,3 В и имеет два режима пониженного потребления мощности.

Микросхема выполнена в 88‑выводном металлокерамическом корпусе 4235.88-1, ее масса не превышает 4,5 г.

Интерполяция

ЦАП способен увеличить частоту обновления выходных данных fDAC (частоту дискретизации выходного сигнала по отношению к частоте дискретизации входного fDATA) в 2, 4 или 8 раз. Коэффициент увеличения, называемый коэффициентом интерполяции, устанавливается через SPI.

Цифровые интерполирующие фильтры вычисляют дополнительные отсчеты сигнала. Увеличение частоты дискретизации выходного сигнала позволяет значительно упростить реализацию восстанавливающего аналогового фильтра.

Скорости передачи входных и выходных данных могут быть достигнуты в пределах ограничений, приведенных в таблице 2.

Амплитудная модуляция

Цифровой модулятор, содержащийся в каждом канале ЦАП, способен смешивать сигнал данных с сигналом гетеродина частоты fDAC/2, fDAC/4 или fDAC/8, где fDAC — частота обновления выходных данных ЦАП.

Быстродействие К1273ПА10Т вместе с возможностью цифровой модуляции позволяет реализовать архитектуру прямого преобразования промежуточной частоты от 70 МГц и выше.

Дополнение нулями

Для улучшения равномерности АЧХ в полосе пропускания или компенсации затухания, вносимого выходной характеристикой sin(x)/x ЦАП, может быть включена функция дополнения нулями. Эта опция увеличивает соотношение fDAC/fDATA в два раза, удваивая частоту выборки ЦАП и вставляя выборку, равную середине шкалы (то есть 1000 0000 0000 0000, что эквивалентно выборке нулевого значения сигнала), после каждой выборки данных, исходящей от интерполирующего фильтра.

Комплексная модуляция

Цифровые модуляторы на ИС К1273ПА10Т могут быть объединены в форму комплексного модулятора (рис. 2).

Рис. 2. Реализация комплексного модулятора

Используя это свойство с внешним аналоговым квадратурным модулятором, таким как AD8345, можно создать архитектуру с подавлением зеркальной боковой полосы (рис. 3).

Рис. 3. Двухступенчатое преобразование с повышением частоты и подавлением одной боковой полосы

Для улучшения баланса квадратурной амплитудной модуляции (QAM), улучшения подавления зеркальной боковой полосы и снижения проникновения сигнала гетеродина К1273ПА10Т имеет возможность управления (через порт SPI) коэффициентом передачи и смещением по каждому каналу ЦАП.

Тактовый вход

Тактовые входы К1273ПА10Т могут возбуждаться дифференциально или несимметрично. Для преобразования однопроводного тактового сигнала в дифференциальный может использоваться трансформатор. ИС допускает применение дифференциального сигнала синусоидальной формы с размахом не менее 0,5 В.

Источник опорного напряжения

Микросхема К1273ПА10Т имеет встроенный опорный источник напряжением 1,2 В, который может быть заменен внешним источником.

Внешний источник используется для принудительного задания уровня внутреннего источника простой подачей выхода внешнего источника на вывод REFIO.

Внешний источник опорного напряжения способен обеспечить большую точность, а изменяя его напряжение, можно регулировать ток полной шкалы ЦАП.

Режимы сна и низкого потребления мощности

ИС К1273ПА10Т обеспечивает два метода для программирования сокращения потребляемой мощности: режим сна — когда отключен только выходной ток ЦАП, или режим низкого потребления мощности — когда отключены все цифровые и аналоговые части микросхемы за исключением SPI.

Последовательный порт SPI

Адаптивный, синхронный, последовательный порт, который создает интерфейс со многими промышленными микроконтроллерами и микропроцессорами. Последовательный вход/выход совместим с большинством синхронных форматов передачи данных, включая оба протокола Motorola SPI и Intel SSR. Интерфейс позволяет осуществлять чтение/запись содержащихся в К1273ПА10Т регистров, управляющих всеми режимами его работы. Поддерживается однобайтовая или многобайтовая передача Порт последовательного интерфейса может быть сконфигурирован c одним (двунаправленным) pin’ ввода/вывода (SDIO) или с двумя (однонаправленными) pin’ для ввода и вывода (SDI/SDO).

Виды подключения выходных цепей

Простой дифференциальный выход может быть создан преобразованием токов IOUTA и IOUTB в выходные напряжения замыканием их на GND через одинаковые резисторы (рис. 4).

Рис. 4. Простой дифференциальный выход

Трансформатор, подключенный к дифференциальному выходу, обеспечивает оптимальную характеристику искажений для выходных сигналов, спектр которых находится в полосе пропускания трансформатора (рис. 5).

Рис. 5. Схема с трансформаторным выходом

Аппаратные средства поддержки

В качестве аппаратных средств поддержки для ИМС 1273ПА10Т полностью применимы средства фирмы Analog Devices. Как пример можно привести отладочную плату, описанную в Data Sheet аналога.