16-битные АЦП-приемники на основе технологии SiP — без лицензии на импорт

Быстродействующие приемники — составная часть цепей с понижением частоты — широко используются как в высокоскоростных измерительных приборах, так и в высокочувствительных базовых станциях. Они основаны на АЦП последнего поколения с частотой выборки свыше 100 МГц и разрешающей способностью до 16 бит. Зарубежные компании имеют огромный опыт в использовании высокоскоростных 16-битных АЦП, который оставляет российских производителей такой техники далеко позади.
Сейчас SiP-технология успешно применяется в таких устройствах, как носители USB-памяти и высокочастотные модули в составе беспроводных телефонных трубок. Недавно компания Linear Technology Corporation (LTC) начала использовать SiP-технологию в конструкции DC/DC-преобразователей (семейство uModule LTM4600 и LTM8020), что значительно упростило разработку источников питания для широкого круга применений. Теперь компания LTC распространила опыт в SiP-технологии на изготовление быстродействующих 16-битных приемников. Накопленный за годы практический опыт в сочетании с использованием быстродействующих АЦП, в производстве которых компания является одним из мировых лидеров, а также высокоскоростных операционных усилителей, позволил получить высокопроизводительное решение в компактном корпусе.
Приемная подсистема LTM9001 μModule объединяет 16-битный АЦП с быстродействием 130 Mвыборок/с, усилитель с фиксированным коэффициентом усиления, сглаживающий фильтр и шунтирующую емкость (см. рис. 1).

Рис. 1. Упрощенная схема ВЧ-приемника

Устройство классифицировано правительством США по ECCN 5A991 как «приемная подсистема», и для ввоза ее в Россию не требуется получение экспортной лицензии.

Приемник μModule состоит из гибридной сборки активных блоков и пассивных компонентов, расположенных на 4-слойной подложке с повышенной по сравнению с используемыми ранее подложками жесткостью и термической стабильностью. Первым представителем серии стал вариант LTM9001-AA, основанный на 16-битном АЦП с быстродействием 130 Mвыборок/с. Коэффициент усиления усилителя — 20 дБ при входном сопротивлении 200 Ом и входном размахе напряжения ±250 мВ. Между выходом усилителя и входами АЦП введена согласующая цепь. Кроме того, предусмотрен двухполюсный полосовой фильтр с центральной частотой 162,5 МГц (±25 МГц), который позволяет избежать наложения спектров и ограничить шум усилителя. Другие варианты исполнения LTM9001 с различными типами фильтров находятся в разработке.

В настоящее время элементы для беспроводных базовых станций часто востребованы и в высокочувствительной контрольно-измерительной аппаратуре. Хотя анализаторы спектра пока тяготеют к большему числу ступеней понижения частоты, чем, например, в базовых станциях, тенденция к сокращению числа таких ступеней оказывает влияние на разработку высокопроизводительных и высокоскоростных АЦП, а также на высокочастотные усилители, что позволяет избежать последней ступени понижения частоты. В то время, как полоса частот модулирующего сигнала составляет несколько мегагерц, АЦП, как правило, используют промежуточную частоту (ПЧ) выше 100 МГц, и большинство приемников используют высокоселективные фильтры между ВЧ-смесителем и драйвером АЦП.
В большинстве коммуникационных систем для селекции используется фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ-фильтр, англ. SAW) или, по возможности, два ПАВ-фильтра, разделенные усилителем, который позволяет восполнить потери, вносимые пассивными цепями. В контрольно-измерительной аппаратуре такой селективный фильтр может быть комплексным R–L–C-фильтром, либо активным фильтром на операционных усилителях, но чаще всего применяются многоступенчатые фильтры, которые позволяют осуществлять необходимые для измерения настройки. Именно поэтому в приемнике µModule имеется разделение на АЦП и драйвер АЦП. Поскольку предшествующий фильтр имеет более высокий порядок, то нет необходимости помещать комплексный фильтр между самим АЦП и драйвером АЦП.

Как правило, ВЧ-тракты рассчитывают на входное сопротивление 50 Ом (или кратное ему). Дифференциальный (симметричный) сигнальный тракт рассчитан обычно на 200 Ом, что позволяет легко согласовать его подключение к несимметричной линии. Импеданс же традиционного входа АЦП не только не кратен 50 Ом, но и является комплексным из-за входной структуры с переключаемыми конденсаторами, которая генерирует обратные импульсы на частоте выборки; и поэтому его не так просто рассчитать.
Обычно радиоинженеру требуется знать входную характеристику мощности АЦП в дБм, но этот параметр никогда не представлен в технических описаниях к АЦП. Более удачен следующий метод: зная диапазон входного напряжения и входной импеданс, следует вычислить входную мощность. Входной диапазон АЦП обычно известен, но входное сопротивление, как уже упоминалось, является активным, то есть не имеет фиксированного значения. Для входной мощности LTM9001-AA, имеющего диапазон входного напряжения ±250 мВ и дифференциальный вход на 200 Ом, легко получаем значение — 14 дБм.
Низкий уровень шума в сочетании с малыми искажениями усилителя обеспечивают хороший коэффициент усиления без значительных искажений и шумов. Несмотря на низкий шум самого усилителя, этот шум все равно усиливается, и, таким образом, более высокий коэффициент усиления неизбежно добавляет шумовую составляющую в систему. Однако входной диапазон усилителя пропорционально меньше, и благодаря коэффициенту усиления и меньшему входному диапазону позволяет снизить искажения от преды­дущих компонентов.
В области ВЧ пользуются понятием «коэффициент шума», которое обычно известно, и под которым понимают отношение мощности шума на выходе устройства к тепловому шуму во входной нагрузке, обычно указываемому для комнатной температуры. В технических описаниях к АЦП параметры шума указываются в виде отношения сигнал/шум (ОСШ) или схожим образом. Под ОСШ понимают отношение между среднеквадратической амплитудой основной входной частоты и среднеквадратической амплитудой всех других частотных компонентов, кроме первых пяти гармоник. Усилители могут характеризоваться обоими параметрами, но ни один из них не может быть универсальным, поскольку оба предполагают определенные упрощения, такие как импеданс 50 Ом при измерениях коэффициента шума или ширина полосы Найквиста применительно к ОСШ. Усилители могут также характеризоваться уровнем шума, выраженным в напряжении по отношению к квадратному корню из частоты (нВ/ ), что позволяет вычислить искомую величину шума.
При использовании SiP-технологии необходимость в преобразовании коэффициента шума к нВ/ отпадает. Для LTM9001 заявлено, что ОСШ равно 72 дБ с диапазоном входного напряжения ±250 мВ; импеданс постоянен и составляет 200 Ом, а встроенный фильтр ограничивает ширину полосы.

Фильтр, препятствующий наложению спектров, расположен между драйвером АЦП и входами АЦП, и ограничивает шум широкополосного усилителя, помогая поддерживать высокое ОСШ системы. Современные АЦП и согласующие устройства являются дифференциальными, а проектирование фильтров дифференциальных сигналов — более сложный процесс, чем разработка традиционных несимметричных согласующих устройств. Рассогласование двух несимметричных фильтров может привести к разности фаз или амплитуд сигнала. Эта разность в дальнейшем вырастет еще больше из-за несовершенства схемы дискретизации АЦП с запоминанием отсчетов, вызывая искажения в виде появления второй гармоники.
Фильтр, препятствующий наложению спектров, встроен в LTM9001 и представляет собой простую двухполюсную дифференциальную LC-структуру. Благодаря такому решению удается избежать использования дополнительных компонентов, получить лучшие и более стабильные характеристики системы, гарантировать соответствие ОСШ и искажений спецификации в заявленном диапазоне температур. В модификации LTM9001-AA фильтр имеет полосу пропускания 50 МГц (по уровню –3 дБ) с центральной частотой 162,5 МГц. Учитывая частоту дискретизации, можно увидеть, что фильтр настроен на работу в третьей зоне Найквиста.

Для достижения максимальной производительности и получения 16-разрядной точности быстродействующие АЦП требуют тщательной проработки топологии, а также хорошей разработки самой схемы. Топология печатной платы существенно влияет на технические характеристики, даже если топология схемы и величины используемых элементов корректно подобраны. Общая ошибка часто заключается в предположении, что для ПЧ, равной 162 МГц, не требуется специальной высокочастотной топологии схемы. Но для такого высокопроизводительного АЦП, какой используется в LTM9001, ширина полосы «выборки и хранения» превышает 700 МГц. При этом высокочастотный шум может быть выделен посредством «выборки и хранения», что позволяет восстановить значение ОСШ. А это та задача, решение которой требует большого опыта.
Другой простой пример — размещение шунтирующих конденсаторов в схеме питания. Общей проблемой у топологии плат традиционных АЦП является чрезмерный уровень шума вследствие длинных линий проводников непосредственно от конденсаторов до АЦП. Существующая практика определяет положение конденсатора как можно ближе к выводам устройства. В схемах, использующих дискретное решение, т.е. с раздельными компонентами, кристалл соединяется проводниками с выводами самой микросхемы. Шунтирующий конденсатор в лучшем случае расположен немного дальше. Обычно размер корпуса интегральной схемы продиктован числом выводов по ее периметру или выбирается исходя из требования рассеивания тепловой энергии.

Рис. 2. Сравнение длины контактов в стандартном корпусе и в корпусе SiP

Поэтому проволочные выводы при этом делают более длинными — 3,5 мм (слева на рис. 2) по сравнению с такими же выводами в приемнике µModule — 0,8 мм (справа на рис. 2). Благодаря этому внутренние шунтирующие конденсаторы в LTM9001 расположены намного ближе к кристаллу, чем это было возможно бы в дискретных схемах. Таким образом, LTM9001 имеет намного меньшую величину пульсаций питания, что уменьшает шумовые составляющие от внешних источников и повышает шумовой порог. В этом смысле разработанная подложка в LTM9001 включает в себя все идеи, необходимые для правильной разводки топологии, которые были накоплены в результате многолетнего опыта.
Вся конструкция, включая тщательно выполненную топологию, рационально спроектированную схему и высокопроизводительные компоненты, полностью протестирована как единое изделие. Пример согласованной топологии LTM9001 с внешними компонентами можно видеть на рисунке 3.

Рис. 3. Демонстрационная плата LTM9001

Следовательно, LTM9001 не только экономит значительное время по разработке топологии, но и потенциально уменьшает число дорогостоящих изменений в уже сделанной топологии на печатной плате. В приемнике µModule также решены и такие наиболее чувствительные аспекты в проектировании топологии, как внутреннее размещение шунтирующих конденсаторов, заземляющих контактных площадок, окружающих аналоговые и цифровые входы, а также необходимость достаточного зазора между ними и выводами шины данных.

Самые последние модели высокопроизводительных АЦП и ранее были доступны в России. Однако для получения от них максимальных рабочих характеристик требовался большой опыт разработчика; кроме того, была необходима лицензия на их ввоз.
SiP-технология, примененная к высокочувствительным быстродействующим элементам приемника, позволяет не только объединить компоненты различных интегральных схем с пассивными элементами, но и содержит в себе ту часть практического опыта по выполнению топологии, которая так необходима для достижения максимальных характеристик.
Приемники μModule позволяют не только заполнить существующие пробелы, но и позволяют решать новые задачи, а также ускорить цикл разработки. Приемник LTM9001-AA — первый представитель семейства приемников в форм-факторе μModule. Однако уже сейчас возможно изменение ряда внутренних компонентов, входящих в состав μModule, в соответствии с требованиями, предъявляемыми к приемнику.
В таблице 1 приведены возможные варианты и комбинации составных элементов.

При этом в маркировке будут меняться последние буквы — с АА на AB, BC и т.д. Таким образом, возможно создание приемника с необходимыми заказчику характеристиками.

Для получения дополнительной информации и заказа образцов можно обращаться в компанию Гамма, представляющую продукцию компании Linear Technology на Российском рынке: www.icgamma.ru