Il diplexer differenziale risolve problemi di pilotaggio di convertitori A/D a campionamento diretto

I convertitori analogico-digitale (A/D) pipeline a campionamento diretto producono un ampio insieme di prodotti di miscelazione, in modo molto analogo ai mixer passivi. Nei convertitori A/D ad alta velocità, si tratta di prodotti somma e differenza che raggiungono frequenze dell’ordine dei GHz e derivano da transitori e glitch causati dalla connessione repentina dei condensatori di campionamento quando il convertitore riprende il conteggio (o tracking). Inoltre, i disturbi condotti nella rete d’ingresso immediatamente prima del campionamento non devono essere reintrodotti durante il processo di campionamento. Quanto maggiori sono la velocità e la risoluzione di questi convertitori A/D, tanto più apparenti sono gli effetti di un controllo scadente di questi prodotti di commutazione. Semplici prodotti somma e differenza si sovrapporrebbero alle frequenze alle quali compaiono nella banda base e con l’eccezione di un certo errore di guadagno, scomparirebbero. Tuttavia, esistono inevitabili prodotti non lineari generati insieme a questi semplici prodotti di miscelazione e che se non dissipati o assorbiti, causano distorsione. Né si può trascurare l’elemento tempo che pure compare, per cui svolgono un ruolo anche la distanza e l’assestamento.

Gli ingegneri specializzati nel campo delle radiofrequenze che devono far fronte al problema di controllare prodotti analoghi nel caso di un mixer passivo si renderanno conto della necessità di una rete assorbente sia nel percorso RF che in quello IF, se non nel percorso dell’oscillatore locale, ma potrebbero non capire immediatamente che devono far fronte agli stessi problemi in un convertitore A/D. Una volta resosi conto di questa similarità, un ingegnere RF di lunga esperienza è preparato meglio a risolvere questi problemi, ma il grado di assorbimento ora necessario può ancora sorprendere. Il concetto di assestamento spesso è capito sia da ingegneri specializzati in sistemi analogici che da ingegneri che si occupano di integrità del segnale, ma non tutti potrebbero sapere che il fatto che una rete presenti assorbimento completo nell’ampia gamma di frequenza implica necessariamente che la rete presenterà un buon assestamento.

L’LTC2107, un convertitore A/D a 16 bit da 210Mcampioni/s, con rapporto segnale/rumore (SNR) di 80dB, ne è un esempio perfetto: il rapporto d’onda stazionario in tensione (VSWR) del percorso d’ingresso analogico deve avere un ottimo valore sino a frequenze dell’ordine dei GHz – la gamma di frequenze in cui questi prodotti di miscelazione iniziano ad attenuarsi notevolmente. Spesso non ci si rende conto che questo punto si estende oltre 5GHz nei moderni convertitori A/D ad alta velocità. Questi prodotti, immagini del segnale d’ingresso e riflessi rispetto a ogni armonica del clock, non iniziano ad attenuarsi fino a dopo la soglia dei 2GHz. L’elevato SNR dell’LTC2107 è una spada a doppio taglio poiché i condensatori di campionamento più grandi aumentano la potenza in questi prodotti di miscelazione e migliorano la capacità di compensare gli effetti delle riflessioni causate dalle discontinuità di impedenza.

I filtri assorbenti hanno dimostrato di produrre buoni risultati con questi convertitori A/D, ma purtroppo comportano un’enorme complessità del layout e costi elevatissimi: il numero di componenti di un filtro passa banda assorbente è almeno doppio o triplo di quello di un filtro passa banda riflettente dello stesso ordine e la complessità può essere ancora maggiore a causa delle misure necessarie per controllare gli effetti di frequenze di autorisonanza (SRF, self-resonant frequency) negli induttori finali.

Si può far fronte ai problemi delle applicazioni a frequenza inferiore impiegando un amplificatore a retroazione ad alta velocità, come l’LTC6409 di Linear Technology – un amplificatore differenziale/driver di convertitore A/D terminato al generatore – ma con un diplexer differenziale a elementi concentrati per svolgere l’operazione di assorbimento ad alte frequenze. Questo è quindi un generatore assorbente per il convertitore A/D. Una semplice terminazione in serie al generatore non consente di ottenere una buona attenuazione di ritorno (S22) oltre una determinata frequenza poiché l’impedenza di uscita dell’amplificatore aumenta.

A frequenze dell’ordine dei GHz, l’attenuazione di ritorno di filtri passa basso, passa banda o LC completamente assorbenti può rappresentare un problema a causa delle limitazioni imposte dalle frequenze di autorisonanza degli induttori, dell’induttanza dei condensatori, dagli effetti di brevi tratti di linea di trasmissione fra i vari elementi nonché dalla più ovvia capacità parassita delle piazzole sotto gli elementi.

Un diplexer differenziale costruito con la tecnologia LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic), sviluppato per Linear Technology da Soshin Electric Japan, risolve molti di questi dilemmi presentando una soluzione semplice e compatta alle deficienze di varie reti d’ingresso.

Ne è un esempio perfetto l’amplificatore RF/IF differenziale/driver di convertitore A/D ad alta linearità LTC6430 sviluppato da Linear, che si presenta come un modulo di guadagno a larga banda adattato a 50 ohm (100 ohm nella configurazione differenziale). Tuttavia, oltre circa 500MHz, la sua attenuazione di ritorno non è sufficiente per le esigenze dell’LTC2107: a 1GHz, l’attenuazione di ritorno all’uscita è pari a circa 10dB, mentre il convertitore A/D ha bisogno di un’attenuazione di ritorno migliore di 20dB per produrre una gamma dinamica completamente libera da spurie (SFDR, full spurious free dynamic range); un’attenuazione di ritorno di 10dB a 1GHz e oltre può produrre più di 20dB di attenuazione di SFDR.

L’HMD6117J-T sviluppato da Soshin gestisce i prodotti di miscelazione oltre 400MHz-500MHz e presenta al convertitore A/D caratteristiche di assorbimento che si estendono a 3GHz e oltre. Devia i prodotti di miscelazione a frequenze più alte in una coppia di resistori di terminazione inseriti sulle porte ad alta banda e inoltre riduce i disturbi ad alta frequenza che raggiungono l’amplificatore.

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Figura 1. Driver a doppia terminazione da 20MHz a 400MHz

Impiegato congiuntamente all’LTC6430, come illustrato nella Figura 1, costituisce una soluzione compatta ed economica per ottenere un driver adatto per frequenze comprese tra circa 20MHz e 400MHz. Per applicazioni nel dominio della frequenza, l’anti-aliasing deve essere eseguito a monte dell’amplificatore.

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Figura 2. Driver con accoppiamento CC terminato al generatore per l’uso fino a 100MHz

Unitamente all’LTC6409, come illustrato nella Figura 2, si ottiene una soluzione completa per applicazioni da 0Hz a 100MHz. Per applicazioni nel dominio del tempo in cui la distribuzione della potenza spettrale è essenzialmente costante, senza alcun rischio di interferenze notevoli oltre circa 100MHz, questa topologia può essere utilizzata sino a 200MHz o anche oltre se la distribuzione della potenza spettrale diminuisce in funzione della frequenza. Il diplexer è utilizzabile in modo analogo con l’LTC6417, un buffer differenziale a guadagno unitario, e possibilmente con altri amplificatori a retroazione.

Per applicazioni che richiedono un valore SNR quanto più alto possibile, l’HMD6117J-T può anche essere impiegato a valle di un filtro passa banda assorbente per migliorare l’attenuazione di ritorno ad alta frequenza, semplificando il filtro, rendendo il layout meno critico, semplificando la scelta degli induttori e riducendo il numero di resistori di terminazione RF di alta qualità necessari.

Il diplexer è utilizzabile anche a valle di un balun a linea di trasmissione sia per migliorare il funzionamento ad alta frequenza della rete d’ingresso sia per ridurre la larghezza di banda del rumore di un modulo di guadagno RF. L’LTC2107 e vari altri convertitori A/D a campionamento diretto non offrono buone prestazioni se comandati da un trasformatore a linea di trasmissione molto vicino; se invece tale trasformatore è inserito a una distanza superiore a 15 centimetri dall’LTC2107, le prestazioni possono essere accettabili, ma l’ulteriore spazio necessario raramente è accettabile. Gli effetti avversi di molti trasformatori a linea di trasmissione sono dovuti in parte all’asimmetria nella costruzione del balun di Guanella, a lunghezze diverse nella linea, allo sfasamento tra le linee nel doppino intrecciato disposto lungo il nucleo “binoculare” e all’accoppiamento indesiderato tra passaggi successivi attraverso il nucleo, che producono riflessioni di ritorno, nonché ad asimmetria nei prodotti di ritorno. I transitori di modo comune convertiti in forma differenziale da ritorni asimmetrici peggiorano l’SFDR. Il diplexer fa sì che questa asimmetria non sia rilevata dal convertitore A/D, consentendo l’uso di un filtro assorbente sbilanciato o di un amplificatore di comando sbilanciato a monte del balun e permettendo a questi componenti di essere più vicini al convertitore A/D.

Il diplexer può offrire un grado superiore di libertà nell’uso di trasformatori ad accoppiamento di flusso che abbiano un bilanciamento di impedenze scadente oltre 400MHz. I trasformatori con risposta estesa a bassa frequenza spesso presentano una capacità eccessiva tra gli avvolgimenti, che impedisce buone prestazioni con convertitori A/D ad alta velocità. Il diplexer può essere utile anche per altri balun a film sottile che non hanno buone prestazioni a velocità di campionamento elevate. Si noti che il diplexer non funziona come un balun. I segnali di comando devono essere bilanciati in ampiezza e fase nella banda passante e inoltre devono essere almeno nominalmente assorbenti nella regione sotto i 500MHz.

L’uso di questo diplexer può essere consigliabile se i segnali di comando del convertitore A/D hanno origine sull’altro lato di una scheda di circuiti stampati, dove possono prevenire la complessità del percorso di trasmissione evitando che entrino in gioco i fori di vias o compensando il controllo dell’impedenza generalmente scadente delle tracce della scheda stessa. Produrre una linea di trasmissione a 50 ohm attraverso un foro di vias richiede una grande piazzola termica intorno al foro stesso nonché un insieme notevole di fori di vias che definiscono il barrel per la conduzione della corrente di massa. Gli strati interni non devono avere anelli anulari in corrispondenza di ciascun strato di rame, mentre la superficie deve avere un anello minimo. In ogni caso, il repentino cambio di direzione alla superficie produce una coppia di discontinuità di impedenza, che in una scheda spessa non sono abbastanza vicine tra di loro per annullarsi. Tutte queste tracce fra il driver e il convertitore A/D devono essere linee a 50 ohm “a impedenza controllata”. Le resistenze di terminazione a 50 ohm possono essere a una certa distanza se tali tracce sono linee a 50 ohm ben controllate, mentre un controllo scadente delle impedenze richiede che siano prossime al diplexer.

La coppia di resistori a 50 ohm sulle porte passa alto necessarie deve consistere di resistori per alta frequenza rifilati ai bordi con tolleranza pari a 1% o di resistori di terminazione e non, per esempio, di resistori rifilati con precisione pari a 0,1%, poiché questi ultimi possono risultare scadenti ad alta frequenza. Il diplexer misura 3,2mm x 2,5mm.

Conclusione

Per ottenere le massime prestazioni da convertitori A/D a campionamento diretto ad alta velocità occorre prestare attenzione all’integrità del segnale in tutte le porte connesse ai dispositivi e questo significa, essenzialmente, ogni pin. L’ingresso analogico è la parte più difficile, seguita da vicino dal clock. Il diplexer LTCC differenziale sviluppato congiuntamente da Soshin Electric e Linear Technology risolve quasi del tutto i problemi risultanti da riflessioni nei percorsi dell’ingresso analogico: discontinuità di impedenze, controllo scadente delle impedenze delle tracce, variazioni negli strati, connettori, attenuazione di ritorno (S22) non ottimale ad alta frequenza da amplificatori e trasformatori, e bassa SRF degli induttori. L’uso di questo dispositivo può mitigare i problemi di interferenza RF e offrire altri vantaggi che non ricadono nell’ambito del presente articolo.

Didascalie
La Figura 3 (immagine principale) rappresenta un esempio di configurazione per l’HMD6117J-T e l’LTC2107 con la distanza non necessariamente uguale a quella mostrata.

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