В статье описаны микросхемы быстродействующих широкополосных 14-разрядных ЦАП серии 1273 разработки АО НИИЭТ, г. Воронеж. Эти ЦАП являются представителями семейства TxDAC и оптимизированы для использования в передающих трактах систем широкополосной связи, оборудовании связи, беспроводных локальных сетях, инструментальных системах, а также в контрольно-измерительной аппаратуре и устройствах прямого цифрового синтеза (DDS). Прототипами микросхем являются изделия фирмы Analog Devices.
Микросхемы ЦАП и АЦП относятся к числу компонентов, наиболее широко распространенных на мировом рынке электроники, поскольку они объединяют цифровые и аналоговые блоки различных систем РЭА. Среди приборов этого класса важное место занимают быстродействующие ЦАП с разрядностью 8—16 бит, ориентированные, прежде всего, на беспроводные средства связи и инструментальные системы. Для реализации современного уровня требований к таким ЦАП необходимо решать задачи улучшения их динамических характеристик, а также повышения разрешения и скорости восстановления выходного сигнала. В работе [1] отмечается, что быстродействующие ЦАП для средств связи в большинстве своем выполняются с использованием сегментированной архитектуры на источниках тока (segmented current source architecture), обеспечивающей высокую точность установления сигнала. При этом помимо стандартных параметров, определяющих свойства быстродействующих ЦАП, например производительность, частота обновления выходных данных, время установления, интегральная (INL) и дифференциальная (DNL) нелинейность, вводятся и такие специальные параметры как SFDR — динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (гармоник), IMD — коэффициент интермодуляционных искажений, SNR — отношение сигнал/шум на частоте несущей и др.
Разработка первого отечественного быстродействующего 14-разрядного ЦАП с сегментированной архитектурой на источниках тока 1273ПА4Т была выполнена АО НИИЭТ в 2006 г. Производительность ЦАП составляет до 125 млн выб./с (MSPS). Прототипом микросхемы является AD9764 фирмы Analog Devices. В настоящее время проводится разработка еще трех типов ЦАП с подобной архитектурой — 1273ПА5У, 1273ПА6У и 1273ПА7Т. Микросхемы обеспечивают высокую производительность и имеют в составе различные дополнительные устройства, которые значительно расширяют их функциональные возможности. Сравнительные параметры всех четырех типов ЦАП приведены в таблице 1.
Оновные технические характеристики ЦАП 1273ПА4Т
Микросхема 1273ПА4Т представляет собой ЦАП с КМОП-входом и имеет архитектуру, базирующуюся на сегментированных источниках тока. Особенностью схемотехники ЦАП является использование параллельных схем с коммутацией двоичновзвешенных токов. Структурная схема ЦАП 1273ПА4Т представлена на рисунке 1.
Микросхема имеет параллельный интерфейс, встроенный источник опорного напряжения (ИОН) на 1,2 В и дифференциальный токовый выход. Напряжение питания цифровой и аналоговой частей составляет 5 В (±10%) или 3 В (±10%), при этом имеются отдельные выводы питания для цифровых и аналоговых цепей. Помимо этого микросхема содержит следующие функциональные блоки:
– управляющий усилитель;
– матрицу источников тока;
– переключатели тока;
– входные триггеры-защелки, срабатывающие по положительному фронту тактового сигнала и совместимые с 3- или 5-В логическими схемами.
Управляющий усилитель позволяет регулировать выходной ток полной шкалы (IOUTFS) в диапазоне 2…20 мА. Для установки тока полной шкалы используется внешний регулировочный резистор. АЧХ усилителя корректируется внутренней емкостью 50 пФ. Дальнейшая коррекция осуществляется внешним конденсатором.
Установку выходных токов обеспечивают переключатели тока. Необходимый набор выдается матрицей источников тока, при этом выходные токи матрицы разделены на три группы: старшие, средние и младшие. Старшие токи (32 тока) равны опорному току IREF; средние (15 токов) равны IREF/16, а младшие (5 токов) равны, соответственно, IREF/32, IREF/64, IREF/128, IREF/256 и IREF/512. В микросхеме обеспечивается однократная коррекция величины выходных токов с помощью программирования ЭППЗУ на пережигаемых поликремниевых перемычках.
Встроенный ИОН можно отключить и заменить внешним источником. Вывод REFIO является входом/выходом в зависимости от того, какой ИОН подключен: внутренний или внешний.
Микросхема 1273ПА4Т имеет два токовых выхода IOUTA и IOUTB, которые могут включаться в схеме как на отдельную, так и на дифференциальную нагрузки. Цифровые входы ИМС состоят из 14-ти входов данных и входа тактового сигнала.
ЦАП 1273ПА4Т характеризуется низкой потребляемой мощностью — 170 мВт при 5 В и 45 мВт при 3 В. Имеется также режим пониженного энергопотребления (25 мВт при 5 В). Это делает микросхему привлекательной для портативных применений, а также для других систем с малым потреблением.
Что касается аппаратных средств поддержки, то для ИМС 1273ПА4Т полностью применимы средства фирмы Analog Devices и других производителей, разработанные для аналога. В качестве примера можно привести отладочную плату AD9764ЕВ, выпускаемую фирмой Analog Devices.
Технические характеристики ЦАП 1273ПА5У, 1273ПАБУ, 1273ПА7Т
Микросхема 1273ПА5У представляет собой 14-разрядный ЦАП семейства TxDAC с избыточной дискретизацией. ЦАП имеет токовый выход и параллельный интерфейс. Он может работать с частотой выборки на входе 160 MSPS и на выходе до 400 MSPS. В состав ЦАП входят двухкратный интерполяционный фильтр (КИХ-фильтр), умножитель частоты с ФАПЧ, ИОН на 1,2 В, управляющий усилитель, мультиплексор заполнения нулями и схема пониженного энергопотребления.
Цифровой интерполяционный фильтр выполнен на основе КИХ-фильтра 43-го порядка и работает на частоте в два раза выше CLK. Фильтр можно сконфигурировать как ФНЧ или ФВЧ. Умножитель частоты обеспечивает формирование внутренних тактовых сигналов с частотами в 2—4 раза выше внешнего, что необходимо для работы цифрового фильтра.
Цифроаналоговое преобразование осуществляется путем суммирования токов внутренних стабилизированных источников тока. Источники тока выполнены на р-канальных транзисторах, образующих матрицу. Как и в случае ранее описанного ЦАП 1273ПА4Т, выходные токи матрицы разделены на три группы: старшие (32 тока), средние (15 токов) и младшие (5 токов).
Микросхема 1273ПА5У имеет два токовых выхода IOUTA и IOUTB, которые могут включаться в схеме как на отдельную, так и на дифференциальную нагрузки. Значительное улучшение характеристик искажений и шумов реализуется дифференциальным включением нагрузки, при этом оптимальный результат достигается, когда максимальный размах сигнала на выходах IOUTA и IOUTB не превышает 0,5 В.
Входной цифровой код запоминается в линейке триггеров-защелок. Дешифратор двоичного кода в линейный позиционный код выполнен на комбинационной логике.
Микросхема 1273ПА6У представляет собой сдвоенный 14-разрядный одноканальный сверхбыстродействующий ЦАП с производительностью до 300 млн выб./с (MSPS).
В состав ЦАП входят следующие основные блоки (см. рис. 2):
– ИОН на 1,2 В;
– управляющий усилитель;
– матрица источников тока;
– умножитель частоты;
– мультиплексор входа;
– входные триггеры-защелки.
Микросхема имеет независимые выводы для питания аналоговой, цифровой, тактовой частей и схему умножения частоты. Цифровые входы состоят из двух каналов по 14 бит и пары дифференциальных входов тактового сигнала. Гибкий цифровой интерфейс выполнен с использованием триггеров-защелок, срабатывающих по фронту. Вне зависимости от ФАПЧ (вкл. или выкл.) выходы ЦАП обновляются дважды за каждый фронт на защелках. Управляющий усилитель (УУ) позволяет регулировать выходной ток полной шкалы IOUTFS в диапазоне 2…20 мА. Как и для двух ранее описанных ЦАП, установку выходных токов обеспечивают переключатели, при этом необходимый набор выдается матрицей источников тока. Умножитель частоты (см. рис. 3) представляет собой петлю фазовой автоподстройки частоты и обеспечивает формирование внутреннего тактового сигнала с частотой в два раза выше внешнего, что необходимо для коммутации входных данных на вход ЦАП.
Микросхема ЦАП 1273ПА7Т представляет собой более быстродействующий вариант ЦАП 1273ПА4Т с частотой обновления выходных данных до 210 млн. значений в секунду. Структура и состав функциональных блоков микросхемы 1273ПА7Т во многом совпадают с 1273ПА4Т. Отличные INL- и DNL- характеристики и малая мощность рассеивания микросхемы 1273ПА7Т делают ее наиболее подходящей для применения в широкополосных портативных и маломощных устройствах. Напомним, что максимальная потребляемая мощность для ЦАП 1273ПА4Т составляет 160 мВт (при 3,6 В). Следует сказать, что величина потребляемой мощности зависит от нескольких факторов:
1) величины напряжения питания;/
2) величины тока полной шкалы IOUTFS;
3) частоты тактового сигнала.
Потребляемую мощность (мощность рассеяния) для 1273ПА7Т можно снизить вплоть до 60 мВт путем незначительного снижения характеристик ЦАП, уменьшив полномасштабный токовый выход. Для этого рекомендуется работать при напряжении питания 3,0 В, токе полной шкалы 2 мА и возможно более низких частотах тактирования и цифрового сигнала. Микросхема 1273ПА7Т также имеет режим пониженного энергопотребления (дежурный режим, или Power-Down Mode). При реализации этого режима отключаются выходные ключи, а ток потребления по выводу аналогового питания снижается до 8,5 мА и менее. При этом токи выходов IOUTA и IOUTB становятся равными нулю. Мощность рассеяния в режиме пониженного энергопотребления снижается до 15 мВт.
В заключение следует отметить, что все четыре описанных ЦАП выполнены по современной КМОП-технологии и имеют КМОП-совместимый цифровой интерфейс. ЦАП 1273ПА4Т выпускается серийно с приемкой заказчика, по остальным ЦАП осуществляются поставки опытных образцов для отработки аппаратуры. Их серийный выпуск будет освоен в начале 2010 г.
ЛИТЕРАТУРА
- Гольцова М., Быстродействующие широкополосные ЦАП, «Электроника: наука, технология, бизнес» / № 2, 2001, стр. 24—28.