eng
Выпуск #7/2020
А. Гуменюк
НОВЫЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ 16-РАЗРЯДНЫЙ АЦП КОМПАНИИ «МИЛАНДР»
НОВЫЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ 16-РАЗРЯДНЫЙ АЦП КОМПАНИИ «МИЛАНДР»
Просмотры: 1666
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.198.7.126.130
Новый быстродействующий 16-разрядный АЦП компании «Миландр»
А. Гуменюк, к. т. н.
Представлен новый 16-разрядный быстродействующий аналого-цифровой преобразователь в линейке компании «Миландр» – 5101НВ045. Он имеет соотношение сигнал / шум 75 дБ и диапазон, свободный от гармоник, 90 дБ при частоте выборки 80 Мвыб / c.
Одной из тенденций последних десятилетий является быстрое развитие цифровых электронных систем. Необходимы и средства, обеспечивающие их связь с внешним миром, – аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП).
Быстродействующими принято называть преобразователи, скорость дискретизации которых превышает 10 млн выборок в секунду (Мвыб / c). Широкая область применения таких преобразователей включает медицинское и измерительное оборудование, телекоммуникации, автомобильную электронику, видеосистемы и прочее.
Стремительное развитие беспроводных устройств сопряжено с необходимостью постоянно увеличивать их производительность, расширять полосу обработки и одновременно снижать себестоимость. Для этого требуется, чтобы преобразователи развивали все большие скорости, были способны обрабатывать еще более высокочастотные сигналы и, расходуя меньше энергии, обладали при этом превосходными характеристиками.
Заметной тенденцией в развитии беспроводных технологий является смещение АЦП как можно ближе к приемной антенне. Такой подход позволяет уменьшить количество аналоговых блоков в радиотракте и повысить гибкость системы благодаря тому, что выполнение большинства операций производится в цифровом виде. Подобные методы прямого преобразования сигналов в тракте промежуточной или даже высокой частоты без предварительного сдвига в основную полосу частот требуют высокоскоростных широкополосных АЦП. Динамический диапазон этих АЦП также должен быть достаточно широким для регистрации слабых сигналов на фоне сильных помех, поскольку основная селективность обеспечивается цифровыми средствами. Типовые параметры АЦП в таких приложениях: соотношение сигнал / шум (SNR) – 70–80 дБ, диапазон, свободный от гармоник (SFDR), – 85–95 дБ при скоростях дискретизации 80–300 Мвыб / c и рассеиваемой мощности менее 1 Вт [1].
Преобразователи такого класса производятся на сегодняшний день в мире только тремя компаниями: Analog Devices, Texas Instruments и Maxim Integrated. Монополизированность этого сегмента не просто позволяет производителям поддерживать относительно высокие цены на свои микросхемы, но зачастую и вовсе ограничивает доступ к ним российских потребителей. Возможное слияние Analog Devices и Maxim Integrated [2] способно лишь усугубить сложившуюся ситуацию. В связи с этим существует потребность в быстродействующих АЦП высокой точности российского производства. Между тем из доступных на сегодняшний день микросхем быстродействующих отечественных АЦП можно отметить две: 5112НВ035 разработки ДЦ «Союз» (14-разрядный, 25–50 Мвыб / c, SNR 64 дБ, SFDR 80 дБ) [3] и 5101HB015 производства «Миландр» (14-разрядный, 125 Мвыб / c, SNR 69,5 дБ, SFDR 81 дБ) [4].
К сожалению, характеристики этих микросхем «не дотягивают» до указанных выше требований к АЦП в составе современных радиоприемных устройств с прямым преобразованием. Существенно больший динамический диапазон и линейность требуется от АЦП и во многих других приложениях, таких как программно-определяемые радиосистемы, радиолокация, устройства РЭБ и прочее.
Новый 16-разрядный быстродействующий АЦП 5101НВ045 компании «Миландр» [5] удовлетворит часть требований разработчиков аппаратуры данного типа. Этот АЦП, выполненный по технологии 0,18 мкм, имеет соотношение сигнал / шум 75 дБ и диапазон, свободный от гармоник, 90 дБ при частоте выборки 80 Мвыб / c.
Структура микросхемы АЦП
Микросхема 5101НВ045 представляет собой одноканальный АЦП конвейерного типа с разрядностью 16 бит. В отличие от упомянутых микросхем 5112НВ035 и 5101HB015, максимальная частота выборки 80 Мвыб / c достигается без использования интерливинга. Это означает, что в выходном спектре данного АЦП не будут присутствовать искажения, характерные для преобразователей с интерливингом [6].
Функциональная схема устройства представлена на рис. 1. Входной аналоговый дифференциальный сигнал подается через выводы VINP / VINN на входное устройство выборки-хранения (УВХ) и далее обрабатывается ядром 16-разрядного АЦП.
Система цифровой постобработки получает цифровой эквивалент обрабатываемой выборки и осуществляет цифровую коррекцию и суммирование результатов преобразования каждого каскада. Еще одним отличием нового АЦП от 5101HB015 является то, что теперь не требуется калибровать микросхему перед началом работы или периодически прерывать для этого нормальную работу. Все цифровые коэффициенты калибровки уже записаны во внутреннюю память при производстве микросхемы.
Входной тактирующий дифференциальный сигнал через выводы CLKP / CLKN поступает на внутреннюю схему тактирования, в состав которой входит отключаемая схема коррекции скважности, а также делитель частоты с коэффициентом от 1 до 8. Наличие делителя позволяет тактировать микросхему частотой до 480–500 МГц, что облегчает подбор генератора с низким фазовым шумом, который зачастую необходим при применении данного АЦП.
Схема формирования опорных напряжений допускает использование как внутреннего, так и внешнего опорного напряжения, определяющего величину шкалы преобразования. Используя внешний источник опорного напряжения 1,25 В, можно увеличить соотношение сигнал / шум на выходе АЦП до 76,5 дБ при незначительном ухудшении SFDR. Также существует возможность программирования опорного напряжения с помощью внешних резисторов подстройки или через последовательный интерфейс.
Преобразователь может работать с одним источником питания 1,8 В. Однако для совместимости с отечественными ПЛИС интерфейсная часть микросхемы может питаться от отдельного источника напряжения номиналом от 1,8 до 3,3 В. Поэтому АЦП поддерживает следующие стандартные режимы вывода цифровых отсчетов: LVDS / DDR (с двойной скоростью) и параллельный КМОП 1,8 / 2,5 / 3,3 В.
Через последовательный интерфейс SPI осуществляется программирование различных режимов микросхемы. Уровни сигналов последовательного интерфейса совпадают с уровнями используемого выходного интерфейса, то есть 1,8, 2,5 или 3,3 В.
Микросхема 5101НВ045 выпускается в 52-выводном металлокерамическом корпусе типа 5152.52-1.
Характеристики микросхемы
Представленный АЦП обладает хорошей статической линейностью: интегральная нелинейность – менее ±3,5 единиц младшего значащего разряда (МЗР) 16-битного кода и дифференциальная нелинейность – от –0,8 до +0,6 МЗР. Зависимости интегральной и дифференциальной нелинейностей от выходного кода, измеренные в типовых условиях, показаны на рис. 2 и 3.
Помимо этого, АЦП демонстрирует хорошую линейность на относительно невысоких частотах входного сигнала. На рис. 4 и 5 представлены спектры на выходе АЦП 5101НВ045, измеренные при частоте тактирования 80 Мвыб / c и частоте входного сигнала 10 и 75 МГц соответственно. Выходной спектр при входном сигнале 10 МГц выглядит довольно «чистым» – среди искажений доминируют только третья и вторая гармоники. Диапазон, свободный от гармоник (SFDR), здесь превышает 90 дБ. Столь высокий уровень SFDR сохраняется во всем поддерживаемом диапазоне частот дискретизации – от 10 до 80 Мвыб / c (кривая синего цвета на рис. 6).
К сожалению, поддерживать столь высокий уровень линейности на высоких частотах входного сигнала этот АЦП не может. Уже при частоте 75 МГц уровень второй и третьей гармоник возрастает, что ограничивает SFDR величиной, чуть большей 81 дБ (см. рис. 5). Также видно (зеленая кривая на рис. 6), что диапазон, свободный от гармоник, достаточно сильно зависит от частоты тактирования и может снижаться до 75 дБ.
Основные характеристики нового АЦП, измеренные в типовых условиях, сведены в табл. 1.
Сравнение нового АЦП 5101НВ045 с импортными аналогами
Представленная микросхема АЦП по уровню достигнутых параметров, в первую очередь динамическому диапазону и линейности, не имеет аналогов российского производства. Однако ее полезно сравнить с лучшими образцами гражданской продукции, выпускаемой за рубежом. Сравнение АЦП 5101НВ045 с импортными аналогами, ближайшим из которых считается микросхема AD9265 фирмы Analog Devices, приведено в табл. 2.
Новый АЦП проигрывает зарубежным аналогам в уровне SFDR и SNR на высоких частотах входного сигнала. Последнее связано с относительно большой величиной собственного джиттера 5101НВ045 – около 0,35 пс. Также этому АЦП желательно добавить возможность включения дизеринга, которая есть, например, в AD9265. Эта опция позволила бы максимизировать линейность АЦП для сигналов небольшой амплитуды. Отмеченные недостатки планируется устранить в следующих разработках.
* * *
Представлена микросхема нового быстродействующего 16-битного АЦП компании «Миландр» – 5101НВ045. Преобразователь достигает соотношения сигнал / шум 75 дБПШ и диапазона, свободного от гармоник 90 дБн при частоте выборки 80 Мвыб / c и входном синусоидальном сигнале амплитуды –1 дБПШ частотой 10 МГц. Достоинства и недостатки данного АЦП резюмированы в табл. 3. Микросхемы 5101НВ045 предположительно будут доступны для заказа во второй половине 2021 года, но макетные образцы можно заказывать уже сейчас.
Литература
Walden R. H. Analog-to-Digital converter survey and analysis // IEEE J. Sel. Areas Commun. V. 17. No. 4. PP. 539–550. Apr. 1999.
https://www.bloomberg.com/news/articles/2020-07-13/analog-devices-is-said-near-deal-to-buy-maxim-for‑17-billion
https://dcsoyuz.ru/files/ADC/5112HB035/specifikacija_5112nv035_ver2.0.pdf
https://ic.milandr.ru/products/atsp_i_tsap/5101nv015/#docs_tab
https://www.milandr.ru/
А. Гуменюк, к. т. н.
Представлен новый 16-разрядный быстродействующий аналого-цифровой преобразователь в линейке компании «Миландр» – 5101НВ045. Он имеет соотношение сигнал / шум 75 дБ и диапазон, свободный от гармоник, 90 дБ при частоте выборки 80 Мвыб / c.
Одной из тенденций последних десятилетий является быстрое развитие цифровых электронных систем. Необходимы и средства, обеспечивающие их связь с внешним миром, – аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП).
Быстродействующими принято называть преобразователи, скорость дискретизации которых превышает 10 млн выборок в секунду (Мвыб / c). Широкая область применения таких преобразователей включает медицинское и измерительное оборудование, телекоммуникации, автомобильную электронику, видеосистемы и прочее.
Стремительное развитие беспроводных устройств сопряжено с необходимостью постоянно увеличивать их производительность, расширять полосу обработки и одновременно снижать себестоимость. Для этого требуется, чтобы преобразователи развивали все большие скорости, были способны обрабатывать еще более высокочастотные сигналы и, расходуя меньше энергии, обладали при этом превосходными характеристиками.
Заметной тенденцией в развитии беспроводных технологий является смещение АЦП как можно ближе к приемной антенне. Такой подход позволяет уменьшить количество аналоговых блоков в радиотракте и повысить гибкость системы благодаря тому, что выполнение большинства операций производится в цифровом виде. Подобные методы прямого преобразования сигналов в тракте промежуточной или даже высокой частоты без предварительного сдвига в основную полосу частот требуют высокоскоростных широкополосных АЦП. Динамический диапазон этих АЦП также должен быть достаточно широким для регистрации слабых сигналов на фоне сильных помех, поскольку основная селективность обеспечивается цифровыми средствами. Типовые параметры АЦП в таких приложениях: соотношение сигнал / шум (SNR) – 70–80 дБ, диапазон, свободный от гармоник (SFDR), – 85–95 дБ при скоростях дискретизации 80–300 Мвыб / c и рассеиваемой мощности менее 1 Вт [1].
Преобразователи такого класса производятся на сегодняшний день в мире только тремя компаниями: Analog Devices, Texas Instruments и Maxim Integrated. Монополизированность этого сегмента не просто позволяет производителям поддерживать относительно высокие цены на свои микросхемы, но зачастую и вовсе ограничивает доступ к ним российских потребителей. Возможное слияние Analog Devices и Maxim Integrated [2] способно лишь усугубить сложившуюся ситуацию. В связи с этим существует потребность в быстродействующих АЦП высокой точности российского производства. Между тем из доступных на сегодняшний день микросхем быстродействующих отечественных АЦП можно отметить две: 5112НВ035 разработки ДЦ «Союз» (14-разрядный, 25–50 Мвыб / c, SNR 64 дБ, SFDR 80 дБ) [3] и 5101HB015 производства «Миландр» (14-разрядный, 125 Мвыб / c, SNR 69,5 дБ, SFDR 81 дБ) [4].
К сожалению, характеристики этих микросхем «не дотягивают» до указанных выше требований к АЦП в составе современных радиоприемных устройств с прямым преобразованием. Существенно больший динамический диапазон и линейность требуется от АЦП и во многих других приложениях, таких как программно-определяемые радиосистемы, радиолокация, устройства РЭБ и прочее.
Новый 16-разрядный быстродействующий АЦП 5101НВ045 компании «Миландр» [5] удовлетворит часть требований разработчиков аппаратуры данного типа. Этот АЦП, выполненный по технологии 0,18 мкм, имеет соотношение сигнал / шум 75 дБ и диапазон, свободный от гармоник, 90 дБ при частоте выборки 80 Мвыб / c.
Структура микросхемы АЦП
Микросхема 5101НВ045 представляет собой одноканальный АЦП конвейерного типа с разрядностью 16 бит. В отличие от упомянутых микросхем 5112НВ035 и 5101HB015, максимальная частота выборки 80 Мвыб / c достигается без использования интерливинга. Это означает, что в выходном спектре данного АЦП не будут присутствовать искажения, характерные для преобразователей с интерливингом [6].
Функциональная схема устройства представлена на рис. 1. Входной аналоговый дифференциальный сигнал подается через выводы VINP / VINN на входное устройство выборки-хранения (УВХ) и далее обрабатывается ядром 16-разрядного АЦП.
Система цифровой постобработки получает цифровой эквивалент обрабатываемой выборки и осуществляет цифровую коррекцию и суммирование результатов преобразования каждого каскада. Еще одним отличием нового АЦП от 5101HB015 является то, что теперь не требуется калибровать микросхему перед началом работы или периодически прерывать для этого нормальную работу. Все цифровые коэффициенты калибровки уже записаны во внутреннюю память при производстве микросхемы.
Входной тактирующий дифференциальный сигнал через выводы CLKP / CLKN поступает на внутреннюю схему тактирования, в состав которой входит отключаемая схема коррекции скважности, а также делитель частоты с коэффициентом от 1 до 8. Наличие делителя позволяет тактировать микросхему частотой до 480–500 МГц, что облегчает подбор генератора с низким фазовым шумом, который зачастую необходим при применении данного АЦП.
Схема формирования опорных напряжений допускает использование как внутреннего, так и внешнего опорного напряжения, определяющего величину шкалы преобразования. Используя внешний источник опорного напряжения 1,25 В, можно увеличить соотношение сигнал / шум на выходе АЦП до 76,5 дБ при незначительном ухудшении SFDR. Также существует возможность программирования опорного напряжения с помощью внешних резисторов подстройки или через последовательный интерфейс.
Преобразователь может работать с одним источником питания 1,8 В. Однако для совместимости с отечественными ПЛИС интерфейсная часть микросхемы может питаться от отдельного источника напряжения номиналом от 1,8 до 3,3 В. Поэтому АЦП поддерживает следующие стандартные режимы вывода цифровых отсчетов: LVDS / DDR (с двойной скоростью) и параллельный КМОП 1,8 / 2,5 / 3,3 В.
Через последовательный интерфейс SPI осуществляется программирование различных режимов микросхемы. Уровни сигналов последовательного интерфейса совпадают с уровнями используемого выходного интерфейса, то есть 1,8, 2,5 или 3,3 В.
Микросхема 5101НВ045 выпускается в 52-выводном металлокерамическом корпусе типа 5152.52-1.
Характеристики микросхемы
Представленный АЦП обладает хорошей статической линейностью: интегральная нелинейность – менее ±3,5 единиц младшего значащего разряда (МЗР) 16-битного кода и дифференциальная нелинейность – от –0,8 до +0,6 МЗР. Зависимости интегральной и дифференциальной нелинейностей от выходного кода, измеренные в типовых условиях, показаны на рис. 2 и 3.
Помимо этого, АЦП демонстрирует хорошую линейность на относительно невысоких частотах входного сигнала. На рис. 4 и 5 представлены спектры на выходе АЦП 5101НВ045, измеренные при частоте тактирования 80 Мвыб / c и частоте входного сигнала 10 и 75 МГц соответственно. Выходной спектр при входном сигнале 10 МГц выглядит довольно «чистым» – среди искажений доминируют только третья и вторая гармоники. Диапазон, свободный от гармоник (SFDR), здесь превышает 90 дБ. Столь высокий уровень SFDR сохраняется во всем поддерживаемом диапазоне частот дискретизации – от 10 до 80 Мвыб / c (кривая синего цвета на рис. 6).
К сожалению, поддерживать столь высокий уровень линейности на высоких частотах входного сигнала этот АЦП не может. Уже при частоте 75 МГц уровень второй и третьей гармоник возрастает, что ограничивает SFDR величиной, чуть большей 81 дБ (см. рис. 5). Также видно (зеленая кривая на рис. 6), что диапазон, свободный от гармоник, достаточно сильно зависит от частоты тактирования и может снижаться до 75 дБ.
Основные характеристики нового АЦП, измеренные в типовых условиях, сведены в табл. 1.
Сравнение нового АЦП 5101НВ045 с импортными аналогами
Представленная микросхема АЦП по уровню достигнутых параметров, в первую очередь динамическому диапазону и линейности, не имеет аналогов российского производства. Однако ее полезно сравнить с лучшими образцами гражданской продукции, выпускаемой за рубежом. Сравнение АЦП 5101НВ045 с импортными аналогами, ближайшим из которых считается микросхема AD9265 фирмы Analog Devices, приведено в табл. 2.
Новый АЦП проигрывает зарубежным аналогам в уровне SFDR и SNR на высоких частотах входного сигнала. Последнее связано с относительно большой величиной собственного джиттера 5101НВ045 – около 0,35 пс. Также этому АЦП желательно добавить возможность включения дизеринга, которая есть, например, в AD9265. Эта опция позволила бы максимизировать линейность АЦП для сигналов небольшой амплитуды. Отмеченные недостатки планируется устранить в следующих разработках.
* * *
Представлена микросхема нового быстродействующего 16-битного АЦП компании «Миландр» – 5101НВ045. Преобразователь достигает соотношения сигнал / шум 75 дБПШ и диапазона, свободного от гармоник 90 дБн при частоте выборки 80 Мвыб / c и входном синусоидальном сигнале амплитуды –1 дБПШ частотой 10 МГц. Достоинства и недостатки данного АЦП резюмированы в табл. 3. Микросхемы 5101НВ045 предположительно будут доступны для заказа во второй половине 2021 года, но макетные образцы можно заказывать уже сейчас.
Литература
Walden R. H. Analog-to-Digital converter survey and analysis // IEEE J. Sel. Areas Commun. V. 17. No. 4. PP. 539–550. Apr. 1999.
https://www.bloomberg.com/news/articles/2020-07-13/analog-devices-is-said-near-deal-to-buy-maxim-for‑17-billion
https://dcsoyuz.ru/files/ADC/5112HB035/specifikacija_5112nv035_ver2.0.pdf
https://ic.milandr.ru/products/atsp_i_tsap/5101nv015/#docs_tab
https://www.milandr.ru/
Отзывы читателей
