射频通信中运用DAC和ADC技术

随着精密的光刻技术不断在一定芯片面积上实现更多的晶体管，数字技术水平也在不断提升。这些进步将对射频和微波设计带来巨大影响。例如，高速模数转换器 (ADC)就为软件定义无线电(SDR)架构的实现铺平了道路，SDR被广泛运用于从蜂窝基站到军用无线电等众多应用中。由于有了高性能数模转换器 (DAC)，高精度、宽动态范围的复杂波形才得以生成。

从性能方面看，ADC和DAC是最多样化的电子元件产品之一。可从时钟速率、频率范围、位分辨率、噪音水平，功耗和动态范围等各项性能指标来甄选一款转换器。转换器产品包括面向音频应用的低频24位分辨率转换器、面向控制应用的较低分辨率、较低频率转换器，以及面向医疗、军事、无线通信应用的高分辨率、高性能转换器。对于这类产品，一个基本的取舍是精度与频率：期望的频率范围越宽，可用的位分辨率就越低。例如，24位ADC和DAC的频率都在 100kHz左右，而工作在1GHz的转换器其最高分辨率约为16位。

理想情况下，模拟信号进入ADC，再传送至具有相同带宽和精度的DAC后，从该DAC输出的模拟信号应等同于原始信号。但是，与模拟器件一样，数字器件也同样受到物理和制造方面的限制，这些限制包括：基底和导体信号损耗、制造公差，以及作为转换过程一部分的由阻抗不匹配造成的信号衰减。此外，转换器的位分辨率决定着用于描述模拟信号的数字状态的数量。对于DAC来说，由256个数字状态重构的波形比由1*位)个数字状态重构的波形更接近于原初信号波形。但某些应用可能只需要几个数字位的分辨率，成本是选择ADC和DAC时的另一个权衡因素，位分辨率越高、成本也越高。

转换器的最低有效位(LSB)决定着进入该转换器的峰值或满量程电压范围可被分割的最小步长。它也可用来作为转换器位精度的一种度量，通过微分非线性(DNL)和积分非线性(INL)这两个参数表示。理想ADC的两个连续输出码之间仅相差1个LSB，而DNL值为零。但由转换器的电路和封装引起的增益和相位变化将导致最低有效位发生一定程度的偏差，因此，现实应用中ADC和DAC的LSB会受到一定程度的影响，用DNL和INL规范衡量这种偏差。美信(Maxim)公司的应用笔记641包括了与转换器相关的术语表(包括DNL和INL的简明定义)；此外，美信公司的应用说明书283讲述了 DNL和INL的测量方法。

随着便携式电子设备越来越多地用于个人和专业用途，转换器制造商在不停地寻找新的设计策略以提高性能同时降低功耗。以亚德诺半导体(ADI)的 AD9125为例，该方案在一个封装内集成了两个DAC。AD9125非常适合无线基础设施应用，例如在蜂窝基站内产生同相(I)和正交(Q)数字调制基带信号分量，这款16位转换器具有1GSPS的采样速率，可支持蜂窝基站的多载波信号生成。该DAC具有灵活的CMOS接口(见图)。可对该双DAC器件输出的信号进行滤波，然后馈送至模拟正交调制器(AQM)，再经功率放大器放大后在蜂窝站点进行传输。这款双DAC器件在800MSPS采样频率下产生一个70MHz中频输出，可实现-72dBc的无杂散动态范围(SFDR)。在相同采样速率下，对于100MHz输出，双音互调失真(IMD)为 -81dBc。在精度方面，AD9125的DNL和INL的典型值分别为±2.1LSB和±3.7LSB。

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图：在通信应用中，这款双通道16位DAC用于产生同相(I)和正交(Q)基带信号供无线发射器使用。

虽然是针对基础设施应用设计，AD9125双通道DAC也具有低功耗特性，在采样率为500MSPS时，其功耗只有900mW。该器件采用72引脚LFCSP封装，满量程输出电流可在8.7至31.7mA范围内编程，负载匹配为25到50Ω，使用起来非常灵活。

当两个DAC仍然不够用时，ADI的ADV7123在单个封装内集成了三个DAC。ADV7123的最高采样速率为330MSPS，分辨率为 10位，非常适合用于视频处理。在50MSPS下，该器件的SFDR为70dB，输出频率为1MHz。它采用单个3.3或5V DC电源，可提供2至26mA的输出电流。

恩智浦半导体(NXP)的DAC1405D650也为多载波无线发射器提供了双DAC。它具有14位分辨率和650MSPS的最高采样率。该器件包括一个集成锁相环(PLL)和用于生成复合调制的板载32位数控振荡器(NCO)。当用两个WCDMA载波以*.4MSPS的采样速率测试时，其相邻信道功率比(ACPR)为-71dBc、输出频率为96MHz。在上述采样速率和输出频率下，其三阶IMD为-80dBc。这种双DAC具有片上1.25 V参考电压，并可提供可调的差动输出电流(1.6至22.0mA)。

美信、凌力尔特(Linear)和德州仪器(TI)也已开发出针对无线通信应用的DAC。美信的MAX19693是一款12位DAC，工作在 4GSPS的采样速率下，可用超过1.5GHz的带宽合成信号。它提供四个12位的复用低压差分信令(LVDS)输入端口，每个端口可工作在1GHz的双倍数据速率(DDR)或四倍数据速率(QDR)模式，以实现总的4GHz速率。这款高速DAC采用11×11mm的CSBGA封装，在4GSPS时，功耗是1180mW。凌力尔特的LTC1666、LTC1667和LTC1668是分辨率分别为12、14和16位的DAC，可支持最高500MSPS的采样速率。对于1MHz的输出信号，差分输出SFDR高达87dB。这三款低功耗器件工作在±5V DC电源下，功耗仅为180mW。TI的DAC5681 DAC工作在1GSPS的采样速率下，具有16位分辨率，采用LVDS输入信号格式和电流输出格式。其典型SFDR为81dB。

为对模拟信号进行采样，上述许多供应商都提供能够将无线通讯和军用通信系统内的模拟信号数字化的高性能ADC。近日，美国国家半导体公司 (NSC)推出了双通道12位ADC ADC12D1x00系列，其中的双通道可交织(interleave)成为单通道以实现3.6GSPS的采样速率。该系列ADC产品包括：在单通道交织模式下，采样速率为3.6GSPS的ADC12D1800；单通道模式，采样速率为3.2GSPS的ADC12D1600；单通道模式，采样速率为 2.0GSPS的ADC12D1000。

在凌力尔特(Linear)公司的高速ADC中，LTC2209是一款工作在160MSPS的16位器件。采用700MHz的全功率输入带宽时，该器件具有77.3dB的基带信噪比和100dB的SFDR和。美信的MAX109 ADC在 2.2GSPS采样速率下具有8位分辨率，额定满功率输入带宽为2.8GHz。它可用于单端和差分输入信号，并以标准LVDS格式输出数据。ADI的 AD6600是一款双通道ADC，可直接采样高达250MHz的模拟中频(IF)信号。这款高集成度器件包括1GHz输入放大器、宽带450MHz跟踪保持(T/H)放大器和一个11位、20MSPS的ADC，该ADC可以最高采样速率进行单通道操作，或在双通道时每通道采样速率为10MSPS。