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。

 

 

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。

 

  • 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

 

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。

 

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)