使用两个具有多DAC同步功能的AD9139器件进行宽带基带I/Q发射器设计

评估和设计支持

电路评估板

AD9139/ADL5375评估板(AD9139-DUAL-EBZ)

数字模式发生器评估板(AD-DPG3)

设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单、软件

电路功能与优势

图1所示的这个电路提供一个同步宽频带发射器，可支持高达1150 MHz的超宽I/Q带宽。该设计证明了高带内信号性能，如高无杂散动态范围(SFDR)、低误差矢量幅度(EVM)和宽频带范围内的平坦频率响应。

多个通道间的同步性能对于象限误差校正(QEC)尤为重要。启用多芯片同步时，转换器之间的延迟失配可能在一个时钟周期内，并且存在对齐良好的同步时钟。

高速同步的挑战是要在过程、电压和温度(PVT)中达到数模(DAC)时钟周期的精度。要达到这种精度，需要在DAC上实施同步逻辑块，并且必须在板上精心设计布局和时钟方案以与同步逻辑块配合使用。

该电路可用于支持E频段中的宽带点对点应用，这可同时确保零中频(ZIF)和复中频(CIF)。出色的同步性能使其能够支持雷达等应用中的严格对齐要求。 

图1.AD9139-DUAL-EBZ评估板功能框图

图2.用于实现电路的AD9139-DUAL-EBZ评估板

电路描述

图2所示的电路板使用双AD9139单通道TxDAC、ADL5375-05宽带正交调制器和AD9516-1时钟发生器。

AD9139的数据时钟输入(DCI)频率可高达575 MHz。由于在上升沿和下降沿捕获的数据均馈入单个DAC，1×模式下的数据速率可高达1150 MSPS。为支持正交数据，使用了两个AD9139器件来生成基带数据。每个通道的模拟输出分别进入自己的低通滤波器。因此，参考设计可支持高达1150 MHz的复合带宽，如图3所示。在如此大范围中的平坦度至关重要。由于AD9139包括一个可抵消DAC的内在sinc滚降影响的反sinc滤波器，DAC后的滤波器平坦度变得对总平坦度至关重要。对于并行低电压差分信号(LVDS)接口，575 MHz的DDR时钟频率很高。需要仔细设计LVDS接口的时序。

图3.双AD9139器件的最大带宽

正交调制器

ADL5375-05是一款宽带正交调制器，输出频率范围为400 MHz至6 GHz。ADL5375-05作为I/Q调制器与AD9139接口，该调制器的频率范围很宽，为400 MHz至6 GHz。AD9139的输出和ADL5375-05的输入共用0.5 V的相同共模电平。

时钟产生和考虑事项

考虑到同步要求，两个AD9139器件的DACCLK、同步时钟和帧时钟都必须对齐良好。AD9516-1支持必需的时钟分配功能，以及为产生更高频率而集成的压控振荡器(VCO)和锁相环(PLL)。禁用VCO和PLL，并且AD9516-1处于时钟分配模式时，更好的时钟相位噪声更利于高速对齐。作为时钟分配模式使用时，在1 GHz输出，分频比为1，10 MHz频偏处，加性相位噪声为147 dBc/Hz。Rohde & Schwartz SMA100A具有出色的相位噪声性能，用其作为AD9516-1的输入时，AD9516-1的输出总相位噪声接近时钟分配模式下AD9516-1的最小限值。

AD9139的多芯片同步

双通道间的同步对于QEC至关重要。DACCLK和同步时钟之间需要布局对称。此外，DACCLK和同步时钟之间的相位不得落在建立和保持时间窗口内(也称为保持在窗口外(KOW))。

同步机制可以达到在DAC输出上多个通道之间在PVT中的失配小于一个DAC时钟周期。以下是实现测试性能的指南：

1. DACCLK 1和DACCLK 2必须在AD9139的引脚上对齐良好。DACCLK 1和DACCLK 2之间的不匹配将添加到输出上的最终不匹配中。

2. 同步时钟1和同步时钟2必须对齐良好，并且分别由DACCLK1和DACCLK2采样，用作参考。

3. DACCLK和同步时钟之间的相对相位不得落在KOW内，如图4所示。

图4.DACCLK和同步时钟之间的时序要求

LVDS接口设计

DCI = 575 MHz时，在PVT中设计LVDS接口通常是一个挑战。本节用一个例子说明如何设计和优化该接口。

以图5为例，DCI = 491 MHz。根据AD9139数据手册规格，如果DCI和DATA的边缘在AD9139的引脚上对齐良好，当延迟锁相环(DLL)相位设置为零时，KOW(设置时间 + 保持时间)可置于有效窗口中间。

数据有效裕量由如下公式定义。

TDATA VALID MARGIN = TDATA PERIOD − TDATA SKEW − TDATA JITTER − (THOLD + TSETUP)

在整个过程变化、电压和温度中，TDATA VALID MARGIN必须> 0以确保数据的正确采样。

When DCI = 491 MHz (see Figure 5),

DCI = 491 MHz(见图5)时，

• TDATA PERIOD = 1018 ps

• THOLD + TSETUP = 517 ps

• TDATA SKEW + TDATA JITTER在PVT中必须小于501 ps，这是用户实施的要求。TDATA SKEW包括LVDS数据总线延迟失配、PVT中DCI和DATA总线之间的偏斜等。

要优化接口设计，用户可执行以下操作：

• 在印刷电路板(PCB)上用尽可能短的相同长度的走线。

• 通过确保以下各项，优化现场可编程门阵列(PFGA)：

• DCI和DATA的边缘在AD9139的引脚上对齐良好。

• 在温度和电压变化时，DCI和DATA之间的漂移越小越好。

• DCI和DATA之间的抖动越小越好。

扫描DLL相位后，AD9139的样本错误检测(SED)功能也可用于检查DCI和DATA之间的时序关系。

图5.LVDS时序要求

低通滤波器设计

出于实验目的，为了使AD9139的性能不被滤波器限制，在板上设计了一个在240MHz内具有良好平坦度和群延迟性能的滤波器。在实际产品开发中，可以通过增加滤波器的阶数来增强带外抑制。

图6所示的滤波器拓扑结构是一个五阶巴特沃兹滤波器，转折频率为900 MHz。此滤波器的仿真响应曲线如图7所示。仿真平坦度为±0.1 dB(直流至240 MHz)。此滤波器的仿真群延迟曲线如图7所示。

图6.推荐的DAC调制器接口拓扑(FC = 900 MHz，五阶巴特沃兹滤波器)

图7.DAC调制器与900 MHz五阶巴特沃兹滤波器接口的频率响应(模拟)

图8.滤波器的群延迟

布局建议

应特别注意AD9139和ADL5375接口的布局。以下是一些获得较好噪声和杂散性能的建议。图9显示了一个遵循这些建议的顶层布局图：

· 将DAC、滤波器和调制器放在PCB的同一侧。

· 收紧滤波器布局：减少L和C的禁区裕量。

· 将对地电容分三路接到GND平面。

· 缩短DAC到调制器的距离。

· 使所有I/Q差分走线长度保持良好的匹配。

· 滤波器端接电阻尽可能靠近调制器输入端放置。

· DAC输出50 Ω电阻尽可能靠近DAC放置。

· L和C使用0402封装。

· 加宽经过滤波器网络的走线以降低信号损耗。

· 在所有DAC输出走线、滤波器网络、调制器输出走线和LO输入走线周围设置通孔。

·将本振(LO)和调制器输出走线布设在不同的层上或彼此成90°角，防止耦合。

图9.一般布局建议

电路评估与测试

下节描述如何设置和测试评估板。这些步骤概述了实现评估板功能和结果所需的基本步骤。有关更详细的信息，请参阅AD9139-DUAL-EBZ评估板快速入门指南。

需要的设备

需要使用以下硬件：

· AD9139-DUAL-EBZ

· AD-DPG3

· Agilent E3631A电源(或同等电源)

· 频谱分析仪PXA N9030A

· Rohde & Schwartz SMA100A信号发生器

· 带USB端口的PC

· USB电缆

需要使用以下软件：

· DPG downloader

· ACE软件

测试设置

下节描述使用64 QAM数字调制测量邻道功率(ACP)和调制误差率(MER)性能的详细信息。测试设置灵活，也可以执行其它测量。测试设置如下图10所示。AD9139-DUAL-EBZ评估板的硬件、SPI软件、快速入门指南(QSG)以及DPG3硬件和软件均已发布。

使用一个Keysight E3631为P5/P6上的电路板提供5 V电源。使用一个R&S SMA100A为板上的AD9516-1提供输入时钟。再使用一个R&S SMA100A为ADL5375-05提供LO时钟。AD9139通过串行外设接口(SPI)软件进行编程。PC上运行的DPGDownloader生成AD9139的发射矢量并将其下载至DPG3。ADL5375-05的输出馈入Keysight PXA N9030A。

图10.测试设置功能框图

测量结果

图11.ACP测量，LO = 2.5 G，BW = 6 × 80 = 480 MHz (CIF)

图12.MER/EVM测量，LO = 2.5 G，BW = 6 × 80 = 480 MHz (CIF)