И. Воронов

Интегральные цифро-аналоговые преобразователи Analog Devices

    B прошлом номере мы рассмотрели характеристики новых цифро-аналоговых преобразователей невысокого быстродействия и проследили тенденции их развития. В этой статье мы перейдём к рассмотрению быстродействующих ЦАП для коммуникационных приложений и прямых цифровых синтезаторов.

    Коммуникации являются одной из самых динамично развивающихся областей электроники, и спрос на разнообразные услуги связи неуклонно растёт. Ограниченность частотного ресурса при росте числа потребителей приводит к ужесточению требований к качеству синтезируемых сигналов, усложнению методов модуляции и всё более активному применению цифровой обработки сигналов. Специально для оценки ИС для коммуникационных приложений были введены новые параметры оценки характеристик ИС в спектральной области. К ним можно отнести динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих, (далее SFDR — Spurious-Free Dynamic Range), динамический диапазон сигнала с несколькими несущими (далее MPR — Multitone Power Ration) и коэффициент гармонических искажений.

    Высокие технические требования на рынке коммуникаций сочетаются с жёсткими ограничениями продажной цены оборудования и услуг. Для удовлетворения этим противоречивым требованиям был создан целый ряд ИС, обладающих улучшенными динамическими характеристиками и более низкой стоимостью. Под низкой стоимостью понимается не только удешевление самой ИС, но и комплексная оптимизация затрат, определяющих конечную стоимость изделия. Этому способствует облегчение и снижение стоимости разработки, создание функционально более пол-ных изделий, снижение требований к “обвязке” ИС и другие. Так, выпускаются ЦАП с встроенным цифровым интерполяционным фильтром, облегчающим построение реконструкционного аналогового фильтра. Применение внутреннего умножителя тактовой частоты позволяет использовать далее дешёвый внешний тактовый генератор и облегчает выполнение требований электромагнитной совместимости. Упрощение и преемственность разработок обеспечивается объединением ИС в семейства, в пределах которых компоненты полностью взаимозаменяемы. Активно развивается класс новых изделий — прямых цифровых синтезаторов, представляющих собой законченное однокристальное решение, для воплощения которого ранее требовалось несколько ИС. Немаловажно и обеспечение низкой потребляемой мощности, наличие режимов энергосбережения и малые физические размеры корпусов ИС.

    Перейдём к рассмотрению технических параметров новых ЦАП, характеристики которых сведены в табл. 1. Приведённые значения SFDR измерялись в полосе частот от постоянного тока до половины частоты преобразования, на полном размахе сигнала; MRP измерялся на сигнале, состоящем из 8 несущих частот с разносом 110 кГц.

Таблица 1. Параметры коммуникационных ЦАП.

    * Стоимость указана для партии в 100 штук, без учета локальных налогов.

    Семейство TxDACФ дешёвых КМОП быстродействующих ЦАП состоит из ИС AD9708, AD9760, AD9762 и AD9764 с разрядностью 8, 10, 12 и 14 бит, соответственно. Все ИС этого семейства совместимы по выводам, имеют параллельный интерфейс, встроенный источник опорного напряжения и дифференциальный токовый выход для работы непосредственно на трансформатор. При разработке этих преобразователей бы-ли приняты специальные меры для улучшения динамических параметров схемы. ЦАП обладают низкой потребляемой мощностью, параметры нормируются при напряжении питания 3 В, имеется режим снижения энергопотребления. Для регулировки амплитуды выходного сигнала выходной ток полной шкалы может изменяться от 20 до 2 мА без ухудшения параметров. Токовый выход может использоваться в несимметричном включении или даже как выход по напряжению. Основной областью применения этих ЦАП является одноканальное и многоканальное передающее коммуникационное оборудование, использующее цифровую модуляцию. К ним относятся как беспроводные передающие системы базовых станций сотовой связи и WLL, так и кабельные передатчики — ADSL и HFC-модемы и другое оборудование. ИС выпускаются в корпусах типа SOIC и TSSOP с 28 выводами для индустриального температурного диапазона.

    Относительно недавно стало известно о появлении второго поко-ления ЦАП семейства TxDACФ, состоящего из ИС AD9750, AD9752 и AD9754. Эти ИС унаследовали все положительные черты ИС предыду-щего поколения и совместимы с ними по расположению выводов и функциям. По сравнению с предыдущим семейством, они обладают более высокими параметрами на верхних частотах рабочего диапазона и приблизительно на 8 дБ большим SFDR. Однако, эти параметры нормируются при напряжении питания аналоговой части 5 В, что вызывает большее потребление энергии. Семейство ориентированно на те же области применения, что и предыдущее, однако, лучшие параметры позволяют применять ИС этого семейства в системах W-CDMA, измерительном оборудовании и т. п.

    Сдвоенный 10-разрядный ЦАП AD9761 обладает параметрами, сходными с ИС AD9760, но имеет цифровой интерполяционный фильтр, обеспечивающий удвоение частоты преобразования и затухание в полосе подавления более 62,5 дБ. Такое решение позволяет значительно упростить построение аналогового реконструкционного фильтра. ЦАП предназначен для цифровых систем передачи, использующих квадратурную модуляцию, для обеспечения которой необходимо точное соответствие параметров обоих каналов. ИС имеет встроенный источник опорного напряжения и параллельный мультиплексируемый интерфейс. ИС выпускаются в корпусах типа SSOP для индустриального температурного диапазона.

    В скором будущем ожидается расширение номенклатуры сдвоенных ЦАП, аналогичных по своим характеристикам семейству AD976X. Развитие семейства AD975X ожидается в направлении расширения диапазона рабочих частот с сохранением достигнутых высоких параметров. Два 10-разрядных ЦАП AD9731 и AD9732 имеют сходные параметры. Первый из них был создан для замены AD9721, ставшего индустриальным стандартом. AD9731 имеет идентичную с ним разводку выводов и функции, но выполнен по технологии BiCMOS и имеет в 2,5 раза меньшее потребление энергии при более высокой частоте преобразования и в 4 раза меньшую стоимость. Как и предшественник, AD9731 имеет двуполярное питание. AD9732 по своим параметрам аналогичен AD9731, но имеет однополярное питание и несколько меньшую потребляемую мощность. Обе ИС практически совместимы по выводам, отличия заключаются в разводке отрицательного питания. Как и AD9721, ИС имеют значение энергии выброса (глича) всего 4 пВс, диапазон частот преобразования достигает 170 МГц. Обе ИС выпускаются в корпусах типа SSOP для индустриального температурного диапазона.

    14-разрядный ЦАП AD9774 предназначен для преобразования сигнала в областях, где необходим чрез-вычайно высокий динамический диапазон. ИС имеет встроенный 4-кратный интерполяционный фильтр, обеспечивающий значительное упрощение построения аналогового реконструкционного фильтра. ЦАП имеет встроенный источник опорного напряжения и умножитель частоты входного сигнала. Данный ЦАП предназначен для восстановления сигналов с широким динамическим диапазоном. В скором будущем появится ЦАП AD9772, отличающийся повышенной до 200 МГц частотой преобразования.

    Относительно недавно появились прямые цифровые синтезаторы частоты DDS. По сравнению со своими предшественниками — синтезаторами на основе фазовой подстройки частоты, — они обладают рядом преимуществ. К ним относится простота осуществления фазовой и частотной модуляции (манипуляции) несущей частоты, простота обеспечения заданного значения фазы сигнала и отсутствие разрыва фазы, быстрое установление сигнала и высокое разрешение установки параметров. Однако, синтезаторы на основе фазовой подстройки частоты остаются непревзойденными по уровню фазовых шумов (до -120 дБ) и возможности синтезировать частоты до нескольких ГГц, кроме этого, они более дешёвые и потребляют меньшую мощность. Основными областями применения DDS являются базовые станции, кабельные модемы, средства связи CDMA, SSFH и SSDS. Сравнительные характеристики прямых цифровых синтезаторов приведены в табл. 2. Следует сразу пояснить, что частота синтезируемого сигнала составляет, как правило, 0,4 от частоты преобразования ЦАП.

Таблица 2. Параметры прямых цифровых синтезаторов.

    * Стоимость указана для партии в 100 штук, без учета локальных налогов.

    Семейство прямых цифровых синтезаторов AD9830/31/32/35 характеризуется малым потреблением и относительно небольшим быстродействием. Все члены семейства имеют 32-разрядный фазовый аккумулятор, 4 регистра сдвига фазы и 2 регистра установки частоты, переключаемые отдельными внешними вывода-ми. Это позволяет легко осуществлять фазовую и частотную модуляцию и перескок с частоты на частоту. Все они имеют 10-разрядный выходной ЦАП с источником опорного напряжения и возможностью подстройки полного размаха выходного напряжения. AD9831/32 характеризуются низким потребляемым током и напряжением питания 3 В, в то время как AD9830/35 обладают большей выходной частотой. Совместимые по выводам AD9832 и AD9835 выпускаются в маленьких корпусах типа TSSOP с 16 выводами и имеют по-следовательный интерфейс. Также совместимые AD9830 и AD9831 выпускаются в корпусах типа TQFP с 48 выводами, имеют параллельный интерфейс и вход сброса фазового аккумулятора, обеспечивающий син-хронизацию нескольких синтезаторов. Все синтезаторы имеют режим пониженного потребления. Синтезаторы AD9850/51 обладают большим быстродействием по сравнению с предыдущим семейством. Они имеют 32-разрядный фазовый аккумулятор, фазовый сдвиг задаётся 5-разрядным числом. Управление осуществляется 40-бит словами, за-гружаемыми последовательно по SPI-подобному интерфейсу или побайтно по параллельному. Синтезатор имеет 10-разрядный выходной ЦАП с встроенным источником опорного напряжения и регулировкой размаха выходного сигнала. На кристале имеется компаратор, позво-ляющий использовать синтезатор в качестве генератора меандра произвольной частоты. Оба синтезатора совместимы по выводам, выпускаются в корпусах типа SSOP и имеют режим пониженного энергопо-требления. Синтезатор AD9851 отличается большим быстродействием — максимальная частота преобразования для него составляет 180 Мгц — и встроенным умножителем тактовой частоты. Синтезаторы характеризуются низкими фазовыми шумами, составляющими -130 дБ при сдвиге на 1 кГц, без учёта фазовых шумов умножителя тактовой частоты. Потребляемая мощность определяется напряжением питания и частотой преобразования и практически одинакова для обоих приборов: на частоте 125 Мгц потребляемый ток составляет 55 мА при напряжении 3,3 В. Ожидается появление синтезатора, полностью совместимого с описанными, но имеющего частоту преобразования до 300 МГц. Схемы выпускаются в корпусах типа SSOP для индустриального диапазона температур.

    ИС AD9856 выполняет функции цифрового квадратурного модулятора. Входные цифровые данные обрабатываются интерполяционным фильтром и в цифровом виде домножа-ются на квадратурные синусоидальные сигналы, генерируемые прямым цифровым синтезатором. Результаты перемножения складываются и после прохождения фильтра, компенсирующего ослабление сигнала sinx/x, преобразуются 12-разрядным ЦАП в выходной аналоговый сигнал. ИС предназначена для построения фазовых манипуляторов от BPSK, QPSK и GMSK до 256-QAM, но может использоваться и просто как высококачественный прямой цифровой синтезатор. ИС AD9853 обладает ещё большим набором функций и представляет собой законченный цифровой передатчик. Кроме функций модулятора, она обеспечивает помехоустойчивое кодирование с использованием кодов Рида-Соломона, скремблирование передаваемых данных и вставку преамбулы при передаче пакетов. Специально для применения с указанными схемами выпускается усилитель с программируемым коэффициентом усиления AD8320. Указанный комплект представляет собой законченный передающий тракт кабельного модема, но область применения указанных ИС не ограничивается проводными модемами. Они с успехом могут применяться в передающих трактах различных радиосредств. Таким образом, можно констатировать бурное развитие быстродействующих цифро-аналоговых преобразователей фирмы Analog Devices Inc. как в сторону улучшения техниче-ских характеристик стандартных преобразователей, так и увеличения степени интеграции за счёт объединения на одном кристалле высококачественной аналоговой части и быстродействующей малопотребляющей цифровой схемы.

Фирма «AUTEX Ltd.»
Тел. (095) 334-7741, 334-9151
Факс (095) 334-8729, 234-9991
E-mail: info@autex.ru