Сверхскоростные одноканальные АЦП фирм Texas Instruments и National Semiconductor

Семейство сверхскоростных одноканальных АЦП фирм TI и NS

Еще совсем недавно усиление или генерация синусоидальных сигналов с частотой в несколько ГГц были сложной и престижной задачей. Но сегодня сигналы такой частоты нередко носят несинусоидальный характер и нуждаются как во всестороннем исследовании, так и в оперативной обработке. Для этого нужны аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) высокого быстродействия. В разработке сверхскоростных АЦП свои усилия объединили крупные фирмы мирового значения TI [1] и NS [2].

Основные параметры скоростных АЦП:

• Разрядность (бит).
• Частота (скорость) выборки FS (Гвыб./c).
• Число каналов N.
• SNR (Signal-to-Noise Ratio) — отношение сигнал/шум (дБ).
• SFDR (Spurious-Free Dynamic Range) — свободный от ошибок динамический диапазон.
• THD (Total Harmonic Distortion) — общие гармонические искажения.
• Напряжение питания (1,8 В у описанных в этой статье преобразователей).
• Потребляемая мощность (мВт).
• Тип корпуса, его размеры, масса.
• Рабочий температурный диапазон и т. д.

К скоростным АЦП корпораций TI и NS относят преобразователи со скоростью выборки свыше 10 Мвыб./c. Но мы рассмотрим сверхскоростные АЦП со скоростью выборки в сотни раз выше и достигающей 3 Гвыб./c. Разработка таких АЦП стала возможна благодаря развитию микроэлектроники и схемотехники. Эти микросхемы создаются на основе кремниевой технологии.

В таблице приведены основные параметры одноканальных АЦП фирм TI и NS со скоростью выборки от 1 до 3 Гвыб./c. Всего на данный момент серийно выпускается шесть моделей таких преобразователей. Гораздо больше выпускается двухканальных АЦП, но они заслуживают отдельного разговора.

Экономичные сверхскоростные АЦП ADC081000

Одноканальный АЦП ADC081000 имеет разрешение 8 бит и максимальную частоту преобразования в 1 Гвыб/c при потребляемой мощности всего 1,43 Вт. Функциональная диаграмма микросхемы ADC081000 преобразователя показана на рис. 1. Помимо самого АЦП, микросхема содержит источник опорного напряжения VREF, канал опорной частоты с делителем частоты на 2, индикатор выхода за заданные пределы и демультиплексор. Есть встроенная система самокалибровки.

Рис. 1. Функциональная диаграмма микросхемы ADC081000

Микросхема выполнена в корпусе NVX128, имеющем 128 выводов и размеры 20×20×1,1 мм. Внешний вид корпуса и наименования его выводов показаны на рис. 2.

Рис. 2. Корпус микросхемы ADC081000

Основные параметры микросхемы ADC081000:

• Работа от одного источника питания +1,9 ±0,1 В.
• Разрешение: 8 бит.
• Максимальная скорость преобразования: 1 Гвыб./с.
• Потребляемая от источника питания мощность: 1,45 Вт (тип.).
• Мощность в режиме отключения: 9 мВт (тип.).
• Температурный диапазон (коммерческий вариант): от –40 до +85 °C.
• Корпус с 128 выводами.
• Входное напряжение: от 600 до 800 мВ п-п (от пика до пика).
• Входная емкость: каждого входа — 1,6 пФ, между входами — 0,02 пФ.
• Входное дифференциальное сопротивление: 100 Ом.
• Напряжение тактовых импульсов на дифференциальном входе CLK: от 0,6 до 2 В п-п.

АЦП имеют передаточную характеристику, то есть зависимость напряжения на выходе (в напряжение пересчитываются коды АЦП) от разности напряжения на его дифференциальных входах. В первом приближении эта зависимость линейная, а точнее линейно-ступенчатая. Для микросхемы ADC081000 она показана на рис. 3. Число ступенек составляет 2^N, где N — число битов разрядности. Например, для 8-битового АЦП оно равно 2⁸ = 256.

Рис. 3. Передаточная характеристика АЦП

Временная диаграмма работы АЦП — микросхемы ADC081000 — показана на рис. 4. Она, естественно, привязана к последовательности тактовых импульсов. Более детальные временные диаграммы работы можно найти в документации на ту или иную конкретную модель преобразователя.

Рис. 4. Временная диаграмма работы микросхемы ADC081000

АЦП имеет десятки характеристик, они приведены в его техническом описании (Datasheet), которое размещено на сайтах фирм TI [1] и NS [2]. На рис. 5 показаны графики зависимости искажений синусоидального сигнала от температуры и напряжения источника питания. Степень искажений оценивается в дБ. Например, общий коэффициент гармоник THD вычисляется как:

Рис. 5. Зависимость искажений синусоидального сигнала от температуры и напряжения источника питания

Часто искажения АЦП оцениваются спектром его выходного сигнала при подаче на вход синусоидального напряжения с заданной частотой. В спектре, помимо линии самого сигнала, могут присутствовать шумы и линии так называемых фундаментальных гармоник, то есть гармоник входного сигнала, сигнала частоты преобразования и их интермодуляционных продуктов. Полоска внизу спектра позволяет оценить шум АЦП (рис. 6), его частотную равномерность, наличие отдельных пиков и т. д.

Рис. 6. Спектр выходного сигнала при подаче на вход синусоидального сигнала

АЦП питается напряжением +1,9 ±0,1 В и потребляет малую (для таких устройств) мощность от источника питания. Разреше-ние в 8 бит позволяет использовать АЦП в цифровых запоминающих осциллографах, различных радиочастотных преобразователях, спутниковых и коммутационных системах и аппаратуре тестирования компонентов.

Подача сигналов на вход сверхскоростного АЦП

Как правило, все сверхскоростные АЦП имеют симметричный дифференциальный вход, позволяющий передавать широкополосные сигналы через линии передачи типа витой пары или сдвоенного коаксиального кабеля. Большим достоинством таких линий передачи является их высокая защищенность от помех, имеющих обычно синфазный характер и подавляемых дифференциальными входными цепями АЦП. Симметричный входной сигнал подается прямо на входы АЦП, обычно через разделительные конденсаторы.

Если входной сигнал несимметричный, то, как правило, необходимо применять специальное согласующее устройство, превращающее несимметричный сигнал в симметричный. Если сигнал не содержит постоянную составляющую, то устройство преобразования может быть построено на основе широкополосного трансформатора (рис. 7). Хорошим решением является применение сверхширокополосного трансформатора на отрезках линий передачи.

Рис. 7. Схема преобразования несимметричного радиосигнала в симметричный, подаваемый на дифференциальный вход АЦП

Более совершенным является устройство на базе операционного усилителя, показанное на рис. 8. В данном случае использован экранированный сверхширокополосный операционный усилитель LMH6555 фирмы NS.

Рис. 8. Схема подключения к источнику сигнала через согласующий усилитель на основе операционного усилителя

Часто источник входного сигнала удален от АЦП и согласующей цепи. В этом случае для защиты от помех подача сигнала осуществляется через экранированный (обычно коаксиальный) кабель. Но это увеличивает паразитную емкость входной цепи и снижает полосу частот АЦП. Второй операционный усилитель (внизу на рис. 8) устраняет этот недостаток. Он используется как повторитель напряжения, подающий на экран (а иногда и на оболочку кабеля) сигнал с выхода VCMO АЦП.

Хотя в самой микросхеме предусмотрены меры по защите от импульсных выбросов источника питания, все же желательно применять источники с малым уровнем пульсаций и особенно импульсных помех. Рекомендуется подавать питание на АЦП от обычного линейного стабилизатора напряжения, подобного тому, что показан на рис. 9.

Рис. 9. Схема стабилизатора питающего напряжения, устраняющая его выбросы (пики)

Экономичный АЦП ADC081500 со скоростью преобразования 1,5 Гвыб./c

Микросхема ADC081500 (рис. 10) — это сверхскоростной одноканальный 8-битовый АЦП со скоростью преобразования 1,5 Гвыб./c и потребляемой от источника питания мощностью всего в 1,2 Вт. По отношению скорости преобразования к потребляемой мощности он значительно превосходит описанную ранее микросхему. Это большое преимущество данного АЦП при его использовании в портативных устройствах с батарейным и аккумуляторным питанием.

Рис. 10. Функциональная диаграмма микросхемы ADC081500

Зависимость SNR и коэффициента гармонических искажений THD от частоты входного сигнала показана на рис. 11. Графики имеют малую изрезанность кривых, что является признаком отработанности технологии.

Рис. 11. Зависимость SNR и коэффициента гармонических искажений THD от частоты входного сигнала

На рис. 12 показана зависимость коэффициента передачи от частоты входного сигнала. Этот график обобщенно характеризует АЦП как квазилинейную систему со свойствами фильтра нижних частот.

Рис. 12. Зависимость коэффициента передачи от частоты входного сигнала

Спектры АЦП на разной частоте входного сигнала и преобразования показаны на рис. 13. Можно заметить малый уровень шума и практически полное отсутствие линий спектра, кроме тех, что представляют входной сигнал.

Рис. 13. Спектры АЦП на разной частоте входного сигнала и преобразования

Сверхскоростные 8-битовые АЦП ADC083000 и ADC08B3000 со скоростью преобразования до 3 Гвыб./с

Микросхема ADC083000 — самая скоростная из одноканальных АЦП: скорость выборки у нее достигает 3 Гвыб./c. Столь высокая скорость преобразования достигнута путем применения двух 1,5-ГГц АЦП (рис. 14), работающих «параллельно» с одним входным дифференциальным сигналом. Перед каждым из АЦП установлен буферный усилитель. Внизу на рис. 14 показан блок логики, управляющий работой всех узлов преобразователя. Естественно, он значительно сложнее, чем у ранее описанных АЦП.

Рис. 14. Функциональная диаграмма микросхемы ADC083000

Одна из временных диаграмм работы этого АЦП представлена на рис. 15. Вообще такой АЦП характеризуется множеством диаграмм, которые приведены в документации на него.

Рис. 15. Временные диаграммы работы микросхемы ADC083000

АЦП использует последовательный порт. Диаграмма работы этого порта для микросхемы ADC083000 показана на рис. 16. Подобные диаграммы характерны и для других моделей АЦП.

Рис. 16. Временные диаграммы последовательного порта микросхемы ADC083000

Графики частотной зависимости отношения сигнал/шум (SNR) и гармонических искажений (THD) показаны на рис. 17. Их малый уровень свидетельствует о малых искажениях АЦП, связанных с собственными шумами и нелинейностью.

Рис. 17. Частотная зависимость отношения сигнал/шум (SNR) и гармонических искажений (THD)

Спектр микросхемы ADC083000 представлен на рис. 18. Спектр демонстрирует малый уровень шумов, но и большое число паразитных линий спектра.

Рис. 18. Спектр микросхемы ADC083000

Зависимость коэффициента передачи от частоты входного сигнала для микросхемы ADC083000 приведена на рис. 19. Даже на частоте вблизи 3 ГГц линия этой зависимости проходит заметно выше уровня –3 дБ.

Рис. 19. Зависимость коэффициента передачи от частоты входного сигнала для микросхемы ADC083000

Еще одна микросхема АЦП этого класса — ADC08B3000 — имеет в обозначении букву «B», что указывает на наличие на выходах АЦП буфера (рис. 20). Буфер имеет небольшую емкость, около 4 кбайт. Временные диаграммы работы буфера описаны в документации на этот АЦП.

Рис. 20. Функциональная диаграмма микросхемы ADC08B3000

Зависимость коэффициента передачи от частоты входного сигнала для микросхемы ADC08B3000 показана на рис. 21. Буфер заметно сглаживает эту важную зависимость.

Рис. 21. Зависимость коэффициента передачи от частоты входного сигнала для микросхемы ADC08B3000

Новый 12-битовый сверхскоростной АЦП ADS5400-SP с аналоговым буфером

Описанные выше АЦП имели невысокую разрядность — 8 бит, что соответствует 256 значениям выходного кода. При такой разрядности дискретизация сигнала отчетливо видна на его осциллограммах. Это знают все пользователи массовых цифровых осциллографов. В связи с этим постоянно возникает необходимость в АЦП более высокого разрешения с более высокой разрядностью. Фирма TI, понимая это, разработала и выпустила первые 12-битовые сверхскоростные АЦП — ADS5400-SP и ADS5400.

Отметим некоторые параметры микросхемы ADS5400-SP:

• Частота дискретизации (преобразования): 1 ГГц.
• Максимальная частота входного сигнала: 2,1 ГГц.
• Разрядность: 12 бит.
• SFDR = 65 дБc на частоте 1,2 ГГц.
• SNR = 57 дБ FS на частоте 1,2 ГГц.
• Семь тактовых циклов Latency.
• Дифференциальный вход с напряжением 1,5–2 В п-п (программируемым).
• Совместимый с LVDS выход с одной или двумя шинами.
• Потребляемая от источника питания мощность: 2,2 Вт.
• Встроенный аналоговый буфер.
• Керамический 100-выводный корпус.
• Рабочий температурный диапазон для аппаратуры военного назначения: от –55 до +125 °C.

На рис. 22 представлена функциональная диаграмма микросхемы ADS5400-SP. Из принципиально новых ее элементов следует отметить буфер на входе внутреннего АЦП. Он выполняет функцию Trace and Hold (TH), существенно корректирующую и расширяющую АЧХ АЦП. В результате АЧХ может иметь полосу частот, значительно превосходящую половину частоты дискретизации (FS/2).

Рис. 22. Функциональная диаграмма микросхемы ADS5400-SP

Упрощенный вид корпуса микросхемы ADS5400-SP с указанием назначения его выводов представлен на рис. 23, а чертеж корпуса с указанием его размеров дан на рис. 24.

Рис. 23. Корпус микросхемы ADS5400-SP сверху и назначение выводов

Рис. 24. Чертеж корпуса микросхемы ADS5400-SP

Зависимость параметров SNR и SFDR от частоты преобразований и частоты входного сигнала показана на рис. 25 и 26. Это контурные графики, дающие хорошее представление о тонкостях отображаемой зависимости — особенно граничных линий, разделяющих различные области графиков. В то же время нужно отметить, что главный параметр оценивается по цвету графика, то есть с не очень высокой точностью.

Рис. 25. Зависимость отношения SNR от частоты преобразований и частоты входного сигнала

Рис. 26. Зависимость SFDR от частоты преобразований и частоты входного сигнала

Спектр АЦП следует оценивать на различной частоте входного сигнала. Графики спектра при четырех значениях частоты входного сигнала попарно даны на рис. 27 и 28.

Рис. 27. Спектр микросхемы ADS5400-SP при частоте входного сигнала 250 и 900 МГц

Рис. 28. Спектр микросхемы ADS5400-SP при частоте входного сигнала 1,3 и 1,7 ГГц

Зависимость дифференциальной и интегральной нелинейности от выходных кодов микросхемы ADS5400-SP при частоте преобразований 1 ГГц показана на рис. 29.

Рис. 29. Зависимость от выходных кодов микросхемы ADS5400-SP при частоте преобразований 1 ГГц: а) дифференциальной нелинейности; б) интегральной нелинейности

Для оценки полосы частот АЦП при малых сигналах можно использовать график зависимости, показанный на рис. 30. Фактически это АЧХ АЦП при его малосигнальном приближении. Еще раз отметим, что у данного типа АЦП полоса частот входного сигнала может заметно превышать половину максимальной частоты дискретизации.

Рис. 30. Зависимость нормированного коэффициента передачи микросхемы ADS5400-SP от частоты входного сигнала

Конфигурация аналоговых входов микросхемы ADS5400-SP представлена на рис. 31. Микросхема содержит квазидифференциальный буфер, выполненный на биполярных транзисторах, и встроенное устройство Simple and Hold. В целом это реализует метод Trace and Hold (слежение с приостановкой), существенно улучшающий динамические показатели АЦП.

Рис. 31. Конфигурация аналоговых входов микросхемы ADS5400-SP

Вход АЦП реализован как симметричный. Если нужно работать с несимметричным сигналом, можно использовать схему, представленную на рис. 32.

Рис. 32. Схема подачи на микросхему ADS5400-SP несимметричного сигнала

Сверхскоростные АЦП требуют тактовых импульсов со сверхвысокой частотой. Реализованная в микросхеме ADS5400-SP конфигурация входов тактовых импульсов представлена на рис. 33. При несимметричном источнике тактовых импульсов можно использовать схему их подачи на АЦП, показанную на рис. 34.

Рис. 33. Конфигурация входов тактовых импульсов

Рис. 34. Пример подачи несимметричных тактовых импульсов

Полная схема организации генератора тактовых импульсов с применением первичного кварцевого генератора с частотой 10 МГц показана на рис. 35. Такой генератор задает набор тактовых импульсов и для работы других цифровых устройств.

Рис. 35. Схема организации генератора тактовых импульсов

Выпускается также микросхема ADS5400. Она выполнена в более миниатюрном корпусе (рис. 36). Он имеет 100 выводов и размеры 16×16×1,2 мм.

Рис. 36. Корпус микросхемы ADS5400

На рис. 37 показана зависимость SNR от частоты преобразований и частоты входного сигнала, представленная в виде контурного графика.

Рис. 37. Зависимость SNR от частоты преобразований и частоты входного сигнала

Аналогичная зависимость SFDR от частоты преобразований и частоты входного сигнала дана на рис. 38.

Рис. 38. Зависимость SFDR от частоты преобразований и частоты входного сигнала

Большинство других видов зависимости подобны тем, что приведены для микросхемы ADS5400-SP. В целом эти микросхемы идентичны.

Заключение

Описанные в статье микросхемы АЦП являются новым поколением одноканальных сверхскоростных АЦП с частотой дискретизации от 1 до 3 Гвыб./c, созданных крупными мировыми фирмами TI и NS. Они стали основой при создании широкой номенклатуры двухканальных сверхскоростных АЦП.

Сверхскоростные АЦП нашли широкое применение в цифровых запоминающих осциллографах, измерительных и тестирующих приборах, цифровых коммуникационных устройствах и устройствах связи, системах спутниковой связи и электронных устройствах гражданского и военного назначения.

Литература

1. http://www.ti.com
2. http://www.national.com