数模转换芯片AD9772A的特点及其应用

数模转换芯片AD9772A的特点及其应用

在介绍数模转换芯片AD9772A的基础上，详细描述了AD9772A的两大特点。结合实际工程，给出了芯片的一种应用方案，提供了一些调试经验。
    关键词：数模转换，锁相环，内插滤波，WCDMA

　
　　AD9772A是ADI公司推出的一款高速、宽带的数模转换器（DAC），采用单电源供电、内插过采样，最高支持160 MSPS的输入数据速率。在提供充分动态输入范围情况下，可以最优的重构产生基带和中频波形。CMOS工艺制造，片内集成了带有2倍内插滤波器和锁相环路的低失真DAC，锁相环路提供了所有片内所需时钟和控制信号。基于外部稳定时钟源考虑，AD9772A为时钟提供了灵活的输入管脚，既可支持单端形式输入时钟，也可支持差分时钟输入；模拟输出也有两个差分电流输出管脚，为AD9772A应用拓宽了空间。

1　AD9772A内部结构
　　AD9772A内部模块依据功能可以划分为：时钟产生和控制模块，输入锁存模块，内插滤波模块，“零填充”模块，数模转换模块以及输出参考电路。图1是AD9772A的功能模块图。

1．1　时钟产生和控制模块
　　时钟产生和控制模块使用锁相环实现，主要为片内各个功能模块提供时钟和控制信号，环路的参数直接决定了数模转换的性能。
　　时钟产生和控制模块由差分输入，相位检测，环路滤波（外围电路配置），压控振荡器（VCO），分频器和时钟分配模块组成。
　　依据输入数据速率，锁相环路有两种工作模式：当输入数据速率大于6 MSPS时，锁相环路工作，相应的管脚PLLVDD＝Vcc，PLLCOM＝gnd；当数据速率小于6 MSPS时，为了获得更高的相噪性能，不使用内部的锁相环路，相应的管脚PLLVDD＝PLLCOM＝gnd。
　　无“零填充”时，参考时钟是输入数据速率的2倍；有“零填充”时，参考时钟是输入数据速率的4倍。对于QPSK调制来说，当使用内部锁相环时，锁相环路本身可以保证2个AD9772A芯片时钟和数据同步；不使用内部锁相环时，通过复位管脚（RESET），能够实现2个AD9772A芯片时钟和数据同步。
    锁相环典型的开机锁定时间是100 ms。
　　时钟产生和控制模块的环路滤波器和压控振荡器模块由PLLVDD管脚统一供电，时钟差分输入、相位检测、分频器和时钟分配模块由CLKVDD管脚统一供电，为了确保最优的环路相位噪声性能，在设计电路时，要保证PLLVDD和CLKVDD来自相同的“干净的”模拟电源。是否使用片内锁相环，可以通过配置PLLVDD管脚实现，当使用内部锁相环路时，PLLLOCK表征环路是否锁定的信号，PLLLOCK电平为高，环路锁定；PLLLOCK电平处于高和低之间时，环路未锁定。当禁止内部锁相环路时，PLLLOCK提供了1倍内部时钟输出。 　　根据输入数据速率，分频器和时钟分配模块的控制管脚配置如表1所示。
1．2　内插滤波器
　　AD9772A内插滤波器是在两个原始抽样点之间插入1个零值，然后通过一个FIR滤波器，插入的零点就可以还原为准确的内插值，提高了时域分辨率〔1〕。内插后的信号频谱为原始离散序列谱经2倍压缩后得到的谱，但是得到的频谱包含了有效频谱的高频镜像，根据AD9772A的应用环境，合适地选择低频频谱或高频镜像。如果保留高频镜像，输出信号频率提高了2倍，频谱结构没有变化，起到了上变频的作用。
　　AD9772A的FIR滤波器采用43阶对称滤波器实现，阻带可以达到73 dB的衰减。如果系统需要在宽带内获得更高的动态范围，AD9772A必须工作在基带方式下，相应的管脚MOD0＝gnd，FIR内插滤波器表现为低通特性，输入数据频谱到第一个镜像频谱的距离增加，有利于模拟低通滤波器的设计。基带模式下使用“零填充”，相应的管脚MOD1＝Vcc，虽然频谱的通带更加平坦，但是无杂散动态范围（SFDR）减小，阻带抑制不够，信噪比（SNR）减小。AD9772A工作在中频模式下时，MOD0＝Vcc，FIR内插滤波器表现为高通特性，当中频超过输入数据速率，必须使用“零填充”，增加通带的范围。
　　输入时钟经过信号产生和控制模块送给各个功能子模块，输入数据经过一级锁存，进入2倍内插滤波器和“零填充”，增加了DAC的更新速度，使后继电路容易设计，内插和填充后的数据送入模数转换器，完成数字信号到模拟信号的变换。
2　AD9772A在WCDMA发送电路中的应用
　　WCDMA（宽带码分多址）系统基站发送物理信道多，数据动态范围较大，AD9772A提供了14位输入管脚、0．1dB的带内波动、73dB的带外衰减和高达74dB的SFDR，通过与模拟低通滤波器的配合，能够获得失真和噪声性能很好的基带模拟信号，可以满足基带发射性能指标。AD9772A应用时，应该从系统的角度设计AD9772A的参数，这些参数包括：输入数据速率、时钟频率、复位信号、锁相环路、模式配置、分频比和参考电阻等。图4是WCDMA基站部分发送电路功能框图。
2．1　电路设计
　　为了获得“干净”的基带信号，做印刷电路板（PCB）时，模拟电路部分和数字电路部分尽量集中，不能交叉布线。而AD9772A输入是数字信号，输出是模拟信号，芯片中同时存在数字电压、数字地、模拟电压和模拟地，芯片各个功能模块由不同电源供电，对这些信号处理时，要遵循以下原则：片内锁相环路工作时，PLLVDD＝CLKVDD＝3．1V～3．5V；DVDD1－2＝CLKVDD±0．3V。
　　数模转换部分受电源纹波的影响较大，经过稳压器的电源一定要滤掉电源纹波后才可以加到DAC的5个电源输入管脚。一般的措施是电源和相应地之间加几个不等值的滤波电容，滤掉不同频率的纹波。
2．2　输入数据速率和时钟频率
　　AD9772A的输入数据和时钟不仅仅要满足工作时序的要求，同时要根据后继电路设计参数以及系统要求的一些参数来决定。对于WCDMA的BTS（基站）基带发送电路来说，电路板上共有4类时钟资源，3．84 MHz，7．68 MHz，15．36 MHz，30．72 MHz。从频域看，内插滤波器的输出是以DAC频率为周期频谱，π的位置是时钟频率，且DAC频率为时钟频率的2倍，扩频信号的带宽为3．84 MHz。DAC输出信号经过宽带运算放大器和模拟低通滤波器送给模拟调制模块。为了尽可能保留基带谱和有效抑制带外频谱，模拟低通滤波器选用SCLF－5。SCLF－5的通带截止频率是5 MHz，3 dB带宽5．8 MHz，8 MHz～10 MHz内只能达到大于20 dB的衰减，10 MHz～200 MHz内可以达到大于40 dB的衰减，BTS基带发送扩频信号的带宽是5 MHz。根据以上参数，选择时钟频率为15．36MHz。
2．3　内插滤波器对输入数据的要求
　　输入数据的动态范围不够时，例如，BPSK调制系统中，信号线、高电压和地三种资源如何分配到AD9772A的14位输入管脚，对重构模拟信号的周期频谱影响很大。主要原因是内插时，内插滤波器能否插出准确的值。当输入数据的最大值接近16383时，对两个输入数据最大值之间的插值就不能够通过内插滤波器得到，内插出现错误，重构信号频谱如图5所示。
　　上述仿真是在采样速率为15．36 MHz，信号带宽4．08 MHz的条件下获得的。第一个仿真图是输入数据的最大值太大时，输出信号的频谱。很显然，在周期频谱之间存在很大的能量谱，这部分谱经过模拟低通滤波器滤不掉，导致系统性能下降。第二个仿真图是输入数据的最大值适中时，输出信号的频谱，符合要求，模拟低通滤波器可以将基带谱提取出来。根据仿真结 果，输入数据没有丰富的动态范围时，要使其输入数据集中在中值附近，上下波动是最大值的1／4。
3　结束语
　　AD9772A最高支持160MSPS的数模转换速率，提供了宽广的动态输入范围，特别适合应用在宽带通信系统中。AD9772A采用48管脚的低四方扁平封装（LQFP），工业级温度系数，占用印刷电路板空间小，适应环境能力强。
　　AD9772A可以直接处理低中频信号，在软件无线电方面也有一定的应用。

1　杨小牛，楼才艺，徐建良著．软件无线电原理与应用．北京：电子工业出版社，2002：21～26