应用笔记 3176

高性能通讯系统中的数字到模拟转换器(DAC)


摘要 : 来自Maxim的两种新型数/模转换器(DAC)能够为通信和仪表系统提供更高的动态特性,MAX5886/MAX5887/MAX5888 12位至16位转换器在保持高采样速率和低功耗的同时,具有出色的动态特性;14位转换器MAX5195是工作在260Msps采样速率产品中动态范围最宽的一款。两种芯片均可提供小尺寸、表贴封装,这些DAC还支持多载波UMTS、CDMA和GSM。

现代通信系统进行数字信息交换所必需的更高的信息带宽是通过多种调制和编码方法实现的,在发送器信号处理链路中这些方法要求更宽的动态特性。象UMTS、cdma2000®和GSM/EDGE这样的应用也要求较高的动态性能,它们已接近于从一个单一的信号发生源合成多个载波的要求。

UMTS每个发送器要求最多四个载波。GSM/EDGE和cdma2000单个发送器可能需要四至八个载波。多载波的合成要求信号通道具有足够宽的动态范围。作为这种复杂调制波形的源头,DAC已成为信号通路上的性能瓶颈。

UMTS基站目前正在引入多载波信号合成。因此,这些基站要求DAC满足UMTS标准,并留有足够的盈余。该应用中DAC的用武之地还包括,通过在信号中引入数字预失真,对功放的非线性进行修正。仅这一个方面就会使DAC的带宽要求增加三到五倍。这样,四个UMTS载波(高达100MHz)的信号带宽就要求更高的采样速率和更高的模拟输出频率。500Msps刷新速率的MAX5888正是为这种应用而设计。该器件的性能定义超出了多达四个UMTS载波的UMTS规范要求。

这种DAC的精度和信号带宽也可胜任采用高阶QAM的通信系统。高达QAM256的调制需要更宽的动态范围来精确产生调制波形。

GSM/EDGE系统的发送波形甚至要求DAC提供更高的动态性能。多载波信号的合成将SFDR、IMD和SNR的要求推到了极限。对于这些要求苛刻的应用,MAX5195可提供业界最高的SFDR、SNR和IMD。在DDS应用中仪表信号的产生也要求DAC具有优越的动态性能,MAX588X系列(MAX5886/MAX5887/MAX5888)和MAX5195非常适合于这种应用。

MAX588X系列和MAX5195的优势

MAX588X系列的DAC能够在很低的功耗水平下提供优异的动态性能,具有业界领先的500Msps最高采样速率。在50MHz输出频率和400Msps刷新速率时,MAX5888的SFDR超过了67dBc。另外在输出频率80MHz时还具有出色的SNR (-155dB/Hz)和双音IMD (-72dBc)。这些特性是在500Msps的采样率,单一3.3V电源和很低的功耗(235mW)下得到的。

数字数据通过LVDS接口馈入,这有两方面的好处:LVDS逻辑可非常有效地支持500Msps数据速率,另外差分输入的数字信号也有助于降低数字接口上的系统噪声。这在设计宽动态范围系统时尤其重要。

MAX588X系列的动态性能只逊于新推出的MAX5195,见图1所示,后者的性能超越了任何其它市售器件。除了优异的SFDR性能,它的SNR也以-160dB/Hz的水平领先于业界,它的双音IMD (32MHz输出频率时87dBc)也很出色。这款14位DAC的数字接口是LVPECL,和LVDS相似,也降低了高速数字数据传输所带来的系统噪声。

图1. 该SFDR曲线在一定输出频率范围内对比了MAX5195和目前最好的竞争器件。
图1. 该SFDR曲线在一定输出频率范围内对比了MAX5195和目前最好的竞争器件。

所有这些DAC都采用小型的QFN封装:MAX588X系列为68引脚而MAX5195为48引脚。无引线的QFN封装兼有小的外形尺寸(7mm x 7mm)和良好的热、电性能。裸焊盘提供超低接地阻抗,进一步降低了输出信号中的杂散信号。

其他应用

这些DAC还可以如何使用呢? 我们再来考察一下使用了数字预失真技术的多载波UMTS应用。这种应用要求很高的动态性能和100MHz的信号带宽。有关杂散辐射的UMTS摸板要求杂散成分在1MHz的测量带宽内不大于-58dBc。图2给出了在300Msps采样速率和60MHz单音输出时的输出频谱。象MAX5888这样的器件在感兴趣的100MHz带宽内具有充足的余量(超出模板要求8dB以上),为发送信号链路的各个环节留出了足够的余量。扩频信号可进一步减少杂散输出,为设计指标提供更多余量。

图2. MAX5888的典型SFDR,图示为60MHz输出频率,100MHz带宽。
图2. MAX5888的典型SFDR,图示为60MHz输出频率,100MHz带宽。

这种应用的另一个重要指标是邻道功率比(ACPR)。图3显示了一个单载波UMTS的谱响应,载波对准于60MHz。可以看到它与ACPR模板对于第一和第二相邻信道的要求(-45dBc和-50dBc)完全符合,且有超过25dB的宽松余量。

图3. MAX5888的UMTS ACPR频谱响应,图示为61MHz输出频率下单个满载载波的情况。
图3. MAX5888的UMTS ACPR频谱响应,图示为61MHz输出频率下单个满载载波的情况。

图4显示了MAX5888在四载波UMTS应用(这可能是所有应用中对ACPR要求最高的)中的ACPR特性。MAX5888 (对于此类应用它是目前性能最高的方案)不仅符合-45dBc和-50dBc的模板要求,而且还留出了超过20dB的余量。

图4. MAX5888的UMTS ACPR频谱响应,图示为测试条件下,四个中心位于61MHz的满载载波的情况。
图4. MAX5888的UMTS ACPR频谱响应,图示为测试条件下,四个中心位于61MHz的满载载波的情况。

CDMA载波合成具有类似的性能指标要求。此架构的主要规格是杂散辐射模板,其中包括ACPR模板要求。此标准的模板是变化的,取决于工作波段和发送器的输出功率。图5表示一个八音系统,各音之间相隔1MHz,IF频率对准于30MHz。对于不同波段最苛刻的模板组合,在假定的40W发送功率下,杂散辐射模板电平为-59dBc。在这种最坏的正弦仿真测试条件下,MAX5888仍能以19dB的余量符合CDMA模板要求。

图5. 这个八载波测试向量频谱图展示了MAX5888优异的多音IMD性能,非常适合于CDMA应用。选定的输出频率中心位于30MHz。
图5. 这个八载波测试向量频谱图展示了MAX5888优异的多音IMD性能,非常适合于CDMA应用。选定的输出频率中心位于30MHz。

在目前比较流行的无线通信系统中,GSM/EDGE要求的动态范围最大。过去,多载波发送器由于受DAC性能的局限无法实现,但是MAX5195突破了这个限制,正如它工作于四个间隔1MHz的正弦音时的IMD性能所示(图6)。每个单音具有-18dBFS的载波电平,以避免DAC输出信号被削波。该频谱图覆盖了一个25MHz的窗口,中心位于48MHz。

图6. 这个四载波测试向量频谱图展示了MAX5195优异的多音IMD性能,非常适合于GSM应用。输出频率中心位于48MHz。
图6. 这个四载波测试向量频谱图展示了MAX5195优异的多音IMD性能,非常适合于GSM应用。输出频率中心位于48MHz。

IMD模板的-70dBc边界很容易被MAX5888满足,并留有8dB的余量。在输出电平方面只需做出很小的让步(相对于满量程-15dB),性能便可提高6dB。MAX5888的SNR高达-160dB/Hz,同样领先于业界,这使该器件成为目前满足高标准、多载波GSM/EDGE应用要求的最高性能器件。

结束语

两种来自Maxim的DAC为通信系统设计者在多载波信号合成领域提供了新的选择。MAX5886/MAX5887/MAX5888系列兼有出色的动态性能和低功率消耗,并具有低噪声系统级工作方式。MAX5195以高至260Msps的采样速率提供目前最高的动态范围,使多载波GSM合成成为现实。

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