ADC oltre i 3 GSPS

Uno sguardo da vicino ai convertitori ADC ultra high-speed di National Semiconductor per applicazioni SDR.

I continui progressi nel settore dell’elettronica, soprattutto per quanto concerne le capacità di calcolo dei sistemi DSP e le prestazioni di convertitori analogico/digitali, hanno determinato la diffusione negli ultimi anni delle applicazione di Software Defined Radio, sistemi simili sono stati sviluppati con successo in diversi ambiti di applicazione, dai radar alle trasmissioni audio/video, alla guerra elettronica, dalla intercettazione e analisi dei segnali alla realizzazione delle stazioni di base cellulari fino alle attrezzature per test RF.

CONVERTITORI ULTRA HIGH-SPEED

National Semiconductor, da sempre leader nel mercato dei dispositivi di conversione dati, ha realizzato della famiglia di convertitori ADC12D1x00 (figura 1), ideali per applicazioni SDR in quanto in grado di garantire capacità di campionamento fino a 3.6 Gsps per segnali a banda limitata su un ampio intervallo di frequenze in ingresso. La famiglia di convertitori si caratterizza per l’elevata frequenza di campionamento, l’ampia banda, la dissipazione di potenza contenuta (National dichiara una riduzione di potenza di oltre il 50% a parità di frequenza di campionamento rispetto a prodotti concorrenti) e le dimensioni ridotte. Risulta ideale in applicazioni di comunicazione a banda larga, sistemi di acquisizione, infrastrutture ottiche e soluzioni di backhaul wireless, set-top box. In quest’ultimo caso, in particolare, è possibile sostituire i diversi tuner analogici per i canali in ingresso mediante un singolo AD12D1x00 (in grado di campionare l’intera banda di segnale di ingresso) e, quindi, sintonizzare il segnale nel dominio digitale, con una significativa riduzione delle dimensioni del sistema, della dissipazione di potenza e dei costi di produzione.

Figura 1: la nuova serie di convertitori ultra-high speed ADC12D1x00 di National.

APPLICAZIONI HIGH-SPEED

La figura 2 mostra uno schema di principio dell’architettura del convertitore AD12D1x00. Dispone di due canali di ingresso, denominati I e Q, di tipo differenziale, accoppiabili in AC (con rete di polarizzazione integrata per il modo comune) o DC, con impedenza di ingresso di 100 Ohm. E’ anche possibile, ovviamente, pilotare un ingresso in modalità single-ended; in tal caso l’impedenza di linea di 100 Ohm può essere adattata mediante balun con rapporto di trasformazione 1:2 (o 1:1 se il segnale viene connesso ad entrambi gli ingressi del convertitore). La capacità di campionamento, dettata dal segnale di clock in ingresso, come anticipato in precedenza, è fino a 1,8 Gbps per i due canali simultaneamente o 3,6 Gsps per un canale solo in modalità interleaved, la minima frequenza di campionamento è 150 MHz. In modalità interleaved il segnale selezionato viene campionato su entrambi i fronti del clock di ingresso ed i relativi campioni sono digitalizzati dai due canali di conversione interni. L’architettura delle due sezioni di conversione analogico/digitale è di tipo folding and interpolating, il che consente di ridurre il numero di comparatori e di amplificatori di front-end, con una minore occupazione di spazio, ridotta dissipazione di potenza e minore impedenza di carico sulla linea di ingresso. Controlli dedicati consentono di forzare in modalità power-down uno qualunque (od entrambi) dei canali di ingresso, qualora non utilizzati, per ridurre la dissipazione di potenza del dispositivo. La risoluzione del convertitore è 12 bit. In modalità duale, l’ENOB è tipicamente 9,4 bit mentre l’SNR vale circa 58,5 dB. In modalità interleaved, invece, abbiamo un piano di rumore di soli -149,5 dBm/Hz ed un NPR di 48,5 dB. Il clock di campionamento è accoppiato in AC con impedenza di ingresso di 100 Ohm consentendo di pilotare la linea mediante segnali LVDS, PECL, LVPECL o CML. Si ricordi, nelle applicazioni pratiche, di adottare sorgenti di clock a basso jitter; il massimo consentito (oltre i quale peggiora l’SNR del sistema) dipende, tra gli altri parametri, principalmente dalla risoluzione del convertitore, dalla dinamica del segnale di ingresso rispetto al fondo-scala impostato e dalla massima frequenza di campionamento.

ALIMENTAZIONE SINGOLA

L’ADC12D1x00 richiede tensioni di alimentazioni a 1,9 V per la sezione analogica, il circuito di track&hold e condizionamento del clock, i driver di uscita e l’encoder digitale oltre alle tensioni di bias dei canali di ingresso I e Q. National suggerisce di derivare tali tensioni da un’unica linea comune generata mediante regolatore lineare (eventualmente a valle di un regolatore switching per ridurre l’inefficienza di conversione della potenza) al fine di evitare problemi di power sequencing. Il piano di alimentazione deve esser unico ma sezionato in aree diverse per le diverse alimentazioni del dispositivo, ognuna opportunamente disaccoppiata mediante condensatori di bypass. La massima dissipazione di potenza è intorno a 4,4 W, il dispositivo è integrato in package HSBGA (Heat Slug Ball Grid Array) a 292 pin che assicura prestazioni migliori di circa il 20% nella dissipazione di potenza rispetto ai tradizionali BGA plastici. L’intervallo di temperature garantito è compreso tra -40°C e +85°C, la massima temperatura di giunzione consentita è 125 °C. Il convertitore dispone di diodo integrato per la misura della temperatura del die. Funzionalità di calibrazione on-chip consentono di mitigare eventuali non-idealità, come la non-linearità integrale tipica delle soluzioni folding. La calibrazione è eseguita al power-up del dispositivo o a seguito di comando dedicato, utile in presenza di variazioni significative delle condizioni di lavoro (ad esempio, della temperatura operativa) del sistema.

Figura 2: architettura dei convertitori ADC12D1x00.

DIVERSE MODALITÀ DI CONTROLLO

L’ADC12D1x00 dispone di due diverse modalità di controllo. In modalità NonECM (Non Extended Control Mode) la configurazione è dettata mediante pin dedicati. In modalità ECM, il dispositivo dispone, invece, di interfaccia di controllo seriale sincrona di tipo 4-wire compatibile con il protocollo SPI (disponibile nella maggior parte dei microcontrollori più diffusi per applicazioni embedded). Tale interfaccia rende disponibili controlli accessori, come, ad esempio, la configurazione di gain ed offset di ingresso con risoluzioni, rispettivamente, di 15 e 12 bit; come noto, un più ampio fondo-scale migliora l’SNR del segnale ma peggiora distor sione e SFDR del convertitore. La porta di uscita è in standard LVDS (compatibile con la specifica IEEE 1596.3-1996) e di tipo DDR (Double Data Rate). Il datarate di uscita è evidentemente dettato dal clock di campionamento ma è possibile, comunque, ridurlo di un fattore 2 configurando le porte nella modalità 1:2 DemuxMode. Sono previsti il supporto per la sincronizzazione delle porte di uscita in configurazioni con dispositivi multipli in parallelo ed anche modalità di test della stesse (mediante generazione di pattern noto). La tensione di modo comune e quella differenziale dei segnali LVDS della porta di uscita, possono essere selezionate tra due diversi valori in funzione dell’applicazione. Nel caso di connessione diretta a dispositivi sulla scheda, ad esempio, l’adozione della configurazione ‘lower’ per i livelli fisici riduce le emissioni elettromagnetiche e la dissipazione di potenza del sistema.

UNA SCHEDA DI VALUTAZIONE

Per valutare prestazioni e caratteristiche del convertitore AD12D1x00 National rende disponibile la scheda di sviluppo ADC12D1800RB (figura 3), utile anche come esempio di riferimento per la realizzazione di soluzioni proprietarie. La scheda è dotata di ingressi configurabili in modalità AC o DC mediante jumper, sorgente di clock di campionamento interna a 1,8 GHz mediante l’LMX2531 o ingresso di clock esterno, circuito di alimentazione a 7,5 V, FPGA per la gestione della porta di uscita del convertitore presente a bordo e connessione USB ad un PC host per il download dei campioni digitalizzati, visualizzabili ed analizzabili in tempo reale mediante il software WaveVision5.