E2V: Впереди планеты всей. АЦП/ЦАП гигагерцового диапазона
Развитие электроники идет по нескольким направлениям. Одно из них — увеличение рабочих частот. И если лет 10–15 назад АЦП/ЦАП можно было встретить лишь в трактах ПЧ, то сейчас возможно производить прямую оцифровку СВЧ сигналов до 4 ГГц, а их прямой синтез — до 24 ГГц. Одним из бесспорных лидеров рынка в этом сегменте является подразделение компании Teledyne E2V, которая успешно конкурирует с аналогичными продуктами компаний Analog Devices и Texas Instruments.
Подразделение Teledyne E2V производящее АЦП/ЦАП располагается в Grenoble, France. Как известно, для поставки высокотехнологичных микросхем как правило нужна лицензия. АЦП/ЦАП тут не исключение, хотя некоторые 8-ми / 10-ти битные модели поставляются и без нее. В любом случае, получить европейскую лицензию обычно существенно легче, нежели американскую.
Рассмотрим же ряд иноваций и применений для продуктов этой компании.
1. Одно ядро — значит одно ядро !
Одним из способов увеличения скорости работы АЦП является чередование каналов (interleaving). Но, все в этой жизни имеет свою цену. Обычно это приводит к возникновению паразитных составляющих в спектре. Поэтому некоторые недобросовестные производители об этом умалчивают. Но это не Teledyne E2V!
Рис. 1 Паразитные составляющие при чередовании каналов
В ряде приложений это может не иметь большого значения. Но, например в радарных применениях эти паразитные составляющие обычно видны как мнимые цели, что критично.
Рис. 2 Мнимые цели
2. Интерфейс ESIstream
Его выгоды по сравнению с распространенным стандартом JESD204 показаны в таблице ниже.
Таблица 1 Сравнение ESIstrem и JESD204
ESIstream | JESD204 | |
Эффективность | Заголовки 12.5% | Заголовки 25% |
Упрощенная реализация | Спецификация 10 страниц | Спецификация 160 страниц |
Требуется логических элементов | 1000 | 8000 |
Меньше задержка | 40 нс на весь линк | Зависит от LMFC синхронизации. Может меняться при каждом включении питания |
Синхронизация | медленная PRBS | нужен внешний SYNC |
Исходный код | Доступен на esistream.com | В ряде случаев является интеллектуальной собственностью |
3. Последовательная синхронизация
Для работы скоростного АЦП обычно требуется два синхронных сигнала: тактовый, который нужен для работы ядра, и сигнал синхронизации, который нужен для УВХ. Одно это требует тщательного проектирования печатной платы (ПП) с учетом возникающих на ней задержек распространения.
Представьте, насколько все усложняется в многоканальной системе, когда необходимо оцифровать синхронно несколько сигналов. Например в антенной фазовой решетке. Для этого случая комания Teledyne E2V вместо параллельных сигналов синхронизации использует специальную кодовую последовательность, которая передается последовательно от АЦП к АЦП и обеспечивает их синхронизацию, независимо от топологии ПП.
Рис. 3 Последовательная синхронизация
4. Сколько бит выбрать, или коварный ENOB
ENOB → (Effecive Number of Bits), или эффективное число бит, важный параметр АЦП, особенно на больших скоростях. Казалось бы, понятно что 12 лучше чем 10, а 10 чем 8. Но это не всегда так, особенно если сравнивать скоростные АЦП разных производителей. На рисунке ниже проведено сравнение ENOB от частоты для EV12AD550 (12 бит) и ADC12D1600 (12 бит). Условия сравнения строго говоря неизвестны, но, вполне возможна ситуация, когда ENOB у 12-ти битного АЦП будет как 10-ти битного или близко к нему. Что, вообще говоря, может быть обидно — стоят то они по разному.
Рис. 4 ENOB в зависимости от частоты
5. О зонах Найквиста замолвите слово
У дискретных систем есть интересное свойство, а именно стробоскопический эффект, когда быстро меняющийся сигнал воспринимается как медленный. Все видели медленно вращающиеся блики на колесах автомобиля, или же почти застывшие лопасти вертолета на видеозаписи. Все дело в наложении частот, когда объект вращается почти кратно к частоте кадра.
В случае с ЦАП, выходной сигнал можно сформировать таким образом, что он будет содержать гармоники порядка N. Лишь бы полоса выходного усилителя ЦАП позволяла, да стоял бы затем соответствующий фильтр. Понятно, что они будут меньше по амплитуде, но в ряде случаев ее вполне достаточно для прямого синеза СВЧ сигналов. Аж до 8-й зоны Найквиста, как говорит нам компания Teledyne E2V. Дело в том, что выход ЦАП может работать в 4-х различных режимах: NRZ, когда выходное напряжение меняется только в момент смены состояния; RTZ, когда генерируется однополярный короткий импульс заданной амплитуды; NRTZ- по сути рзновидность предыдущего и RF, когда генерируется пара коротких разнополярных импульсов заданной ЦАП амплитуды. При этом зоны Найквиста, как мы видим, распределяются по разному.
Рис. 5 Зоны Найквиста
Ниже приведен спектр сигнала около 12 ГГц, полученный данным способом. Его SFDR около 50 дБн — вполне достаточно для многих применений.
Рис. 6 Сигнал 12 ГГц
Аналогичный подход можно использовать и при приеме, для синусоидальных или же повторяющихся импульсных сигналов, даже при больших значениях N.
6. Прямое преобразование вниз
Пример такого преобразования из 2-й зоны Найквиста показан на рисунке ниже.
Рис. 7 Прямое преобразование вниз для L-диапазона
7. Отладки
Пока еще гигагерцовые АЦП/ЦАП удовольствие не дешевое. Помимо сложной обвязки, как правило их использование подразумевает совместную работу с высокопроизводительными цифровыми системами SOC/FPGA. Например, такими как Altera, Xilinx или Lattice.
Для облегчения жизни разработчикам, и получения быстрого результата Teledyne E2V предлагает уже готовые демо-киты. Выглядят они, прямо скажем, несколько фантастично. Стоят наверно тоже. Хотя по любому видимо это будет дешевле, нежели сваять самому.
Рис. 8 Демо-кит FPGA Board EV12AD600
За сим желаю всем доброго здравия, и успешного применения гигагерцовых АЦП/ЦАП в своих проектах.
