电路笔记 CN-0205 I/Q 评估和设计支持

电路笔记 CN-0205 I/Q 评估和设计支持
电路笔记
CN-0205
Circuit from the Lab™实验室电路是经过测试的电路设
连接/参考器件
计,用于解决常见的设计挑战,方便设计人员轻松快捷
地实现系统集成。有关更多信息和技术支持,请访问: AD9122
www.analog.com/zh/CN0205。
ADL5375
双通道、1.2 GSPS、16位、TxDAC®
数模转换器
宽带正交调制器
I/Q 调制器 ADL5375 与双通道、1.2 GSPS 高速 DAC AD9122 实现接口
评估和设计支持
AD9122 DAC的 1.2 GSPS采样速率和ADL5375-05调制器I/Q输
电路评估板
入的宽带宽,确保零中频(ZIF)和复中频(CIF)架构均能得到支
AD9122/ADL5375评估板(AD9122-M5375-EBZ)
设计和集成文件
原理图、布局文件、物料清单
持。除了滤除奈奎斯特镜像以外,基带滤波器还能出色地抑制
差模和共模DAC杂散。
电路描述
电路功能与优势
图 1 和图 2 所示的电路和评估板采用AD9122 TxDAC和
本电路在双通道高速TxDAC数模转换器AD9122与宽带I/Q调
ADL5375-05宽带发射调制器。该接口电路中的信号偏置和调
制器ADL5375-05之间提供一个简单灵活的接口。由于DAC输
整分别由 4 个以地为基准的电阻(RBIP、RBIN、RBQP、
出与ADL5375-05 I/Q调制器输入具有相同的 0.5 V偏置电平,
RBQN)和 2 个并联电阻(RSLI、RSLQ)控制。
因此无需使用任何有源或无源电平转换电路。该直流耦合的接
口有利于DAC补偿I/Q调制器的本振(LO)泄漏。
图 1. AD9122与ADL5375-05之间的接口,利用 50 Ω接地电阻为ADL5375-05基带输入提供 500 mV直流偏置电压(原理示意图)
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Circuits from the Lab™ circuits from Analog Devices have been designed and built by Analog
Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and
construction of each circuit, and their function and performance have been tested and verified
in a lab environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the
circuit and determining its suitability and applicability for your use and application.
Accordingly, in no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental,
consequential or punitive damages due to any cause whatsoever connected to the use of any
Circuits from the Lab circuits. (Continued on last page)
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图 2. 用于实现电路的AD9122-M5375-EBZ评估板
DAC的满量程输出电流(IFS)可以在 10 mA到 30 mA范围内编
注意,计算此信号电平时,可以忽略ADL5375的相对较高的差
程,标称默认值为 20 mA。在该配置中,4 个以地为基准的 50
分输入阻抗(通常大于 60 kΩ)。图 3 所示为使用 50 Ω偏置设
Ω电阻(RB =RBIP = RBIN = RBQP = RBQN)上的DAC输出摆
置电阻时,峰峰值电压摆幅与RL之间的关系。
幅均为 0 mA至 20 mA,这样就实现了 500 mV直流偏置电平,
ADL5375-05与AD9122的动态范围和增益匹配良好。因此,器
以及各输出对上的 2 V p-p差分满量程电压摆幅(空载)。该 2
件之间无需任何有源增益。I/Q调制器驱动电平可以根据需要,
V p-p电压摆幅可以通过RL (RL = RSLI = RSLQ)并联电阻进行
通过调整RL的值进行精调,如上所述。对于大多数应用,建议
调整,而不会影响 500 mV偏置电平。因此,I/Q调制器输入的
使用 100 Ω的RL值,此时满量程信号电平为 1 V p-p(0 dBFS
差分峰峰值摆幅由下式给出:
时的DAC输出)。
B
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图 3. 使用 50 Ω偏置设置电阻时,峰峰值差分摆幅与限幅电阻(RL)
图 5. DAC 调制器与 10 MHz 三阶贝塞尔滤波器接口的频率响应
之间的关系
基带滤波
复中频(CIF)应用的滤波
AD9122与ADL5375之间必须插入一个滤波器,以便消除来自
图 6 所示为ADL5375基带I和Q输入的频率响应。该器件具有很
DAC的奈奎斯特镜像、杂散和宽带噪声。应将该滤波器放置在
宽且平坦的频率响应(−3 dB点为 750 MHz),因此它非常适
直流偏置设置电阻与交流限幅电阻之间,这样,直流偏置设置
合DAC输出信号已经过数字上变频的复中频(CIF)应用。在复
电阻(图 4 中的RB)和信号调整电阻(图 4 中的RL)就能方便
中频应用中,仍然需要低通奈奎斯特滤波器,主要原因是它可
地设置滤波器设计的源电阻和负载电阻。
以保持从DAC输出到调制器输入的直流偏置电平。
图 4 所示为一个三阶贝塞尔低通滤波器,−3 dB 带宽为 10
推荐使用图 7 所示的滤波器拓扑结构,它是一个五阶巴特沃兹
MHz。该滤波器的输入和输出阻抗匹配,因此滤波器设计非常
滤波器,转折频率为 300 MHz。一个纯差分滤波器可以抑制来
轻松,并且可获得更好的通带平坦度,支持宽带宽滤波器设计。
自 DAC 的差模镜像、杂散和噪声。使用两个公共连接接地的
本例中,所选的并联电阻为 100 Ω,产生 1 V p-p 差分的交流
电容(图 7 中的 C2 和 C4)将一部分共模电流分流到地,可以
摆幅。该滤波器的频率响应曲线如图 5 所示。
获得优于纯差分滤波器的高频信号共模抑制性能。
B
此滤波器的仿真和实测响应分别如图 8 和图 9 所示。实测平坦
度为±0.6 dB(DC至 250 MHz)和±0.4 dB(125 MHz至 250
MHz),该数据是在AD9122反sinc功能启用情况下获得的。采
用这种配置,在有和无图 7 所示中频滤波器这两种情况下,对
2 × FDAC共模杂散的共模抑制性能与共模频率的关系如图 10
所示。
图 4. DAC 调制器与 10 MHz 三阶贝塞尔滤波器接口
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图 8. DAC 调制器与 300 MHz 五阶巴特沃兹滤波器接口的频率响应(仿真)
图 6. ADL5375-05的基带(BB)频率响应
图 9. DAC 调制器与 300 MHz 五阶巴特沃兹滤波器接口的频率响应(实测)
图 7. 推荐的 DAC 调制器与 300 MHz 转折频率、五阶巴特沃兹滤波器的
接口拓扑结构
图 10. 有和无滤波器两种情况下,ADL5375-05 RF输出端的实测共模抑
制性能
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图 11. 用于计算调制器输出功率的电子表格
计算 AD9122 和 ADL5375 的输出功率
除偏置设置和信号调整电阻外,ADL5375的输出功率水平还与
DAC的数字倒退水平(dBFS)、信号的峰均比、DAC的满量程电
流、奈奎斯特滤波器的插入损耗和I/Q调制器的电压增益有关。
图 11 所示的电子表格可以用来计算输出功率。
该电子表格可以从以下URL下载:
www.analog.com/CN0205-PowerCalculator。
转换电平以驱动 ADL5375-15
ADL5375-15需要 1500 mV的直流偏置电平。除偏置电平不同
外,ADL5375-05与ADL5375-15在其它方面完全一致。若要从
AD9122驱动ADL5375-15,必须使用一个无源或有源电平转换
图 12. 用于从 AD9122 TxDAC 偏置 ADL5375-15 的无源电平转换网络
网络。图 12 所示的无源电平转换网络使用 4 个串联电阻和 4
个上拉电阻,以便在ADL5375-15输入端实现 1500 mV的偏置
如上所述,需要在 AD9122 与ADL5375-15 之间放入一个滤波
电平。该无源电平转换网络会导致信号电平发生大约 2 dB的损
器。该LC滤波器可以位于DAC端接电阻(图 13 中的R1)与交
耗。
流限幅电阻(图 13 中的R4)之间的任何地方。但是,图 13
有源电 平转 换电路 则要 使用一 个双 通道差 分放 大器,如
ADA4938-2,将 1500 mV电压接VOCM引脚便可设置输出直流
偏置电平。然而,采用这种方法时,接口带宽要受到运算放大
所示的电路允许灵活设计电平转换电路,R2 损耗较低,调制
器的驱动电平较高。它还允许滤波器的源阻抗与负载阻抗匹
配。推荐使用图 13 所示的带滤波器的无源电平转换网络。
器的限制。
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LC滤波器应靠近DAC放置,使回路电流路径较短。5 V偏置电
源(V1)应靠近调制器,因为调制器也使用该电源。当R1、R2、
R3、R4 分别为 34 Ω、218 Ω、760 Ω、750 Ω时,AD9122 DAC
输出端的 500 mV直流偏置电压与ADL5375-15的 1500 mV直流
偏置电压匹配。实际上,图 13 中A点的电压不必是 500 mV,
但它会使交流摆幅有一定的灵活性,而不会超过DAC输出的顺
从电压。DAC负载为 31.7 Ω。滤波器的输入和输出阻抗分别为
图 13. 推荐使用的带 LC 滤波器的无源电平转换网络
504 Ω和 502 Ω。R2 引起的衰减,即R2 在DAC输出端与调制器
滤波器的差分源阻抗和负载阻抗分别为:
输入端之间造成的压降,由R2 和R3||(R4/2)共同设置,约为 5.4
2 × (R1 + R2)和
dB。
2 × {R3||(R4/2)}.
要计算A点和B点(图 13)的直流偏置电平和交流摆幅、R2
DAC 获得的单端阻抗为:
引起的衰减、滤波器的源/负载阻抗,可以使用下面的电子表
格。该电子表格可以从以下URL下载:
R1||{R2+R3||(R4/2)}.
R4 充当 DAC 的交流负载。DAC 输出端的差分交流摆幅为:
2 × IFS × R1||{R2+R3||(R4/2)},
调制器输入端的差分交流摆幅为:
2 × {R3||(R4/2)}÷{R2+(R3||(R4/2)}
乘以 DAC 输出端的差分交流摆幅。
www.analog.com/zh/CN0205-LevelShifter。
也可以使用ADIsimRF工具来计算DAC和调制器的功率水平,
该工具可以从www.analog.com/ADIsimRF下载。
布局布线建议
应特别注意 DAC/调制器接口的布局布线。下面是一些建议。
图 15 显示了一个遵循这些建议的顶层布局图。
y
使所有 I/Q 差分走线长度保持良好的匹配。
y
滤波器端接电阻尽可能靠近调制器输入端放置。
y
DAC 输出 50 Ω 电阻尽可能靠近 DAC 放置。
y
加宽经过滤波器网络的走线以降低信号损耗。
y
在所有 DAC 输出走线、滤波器网络、调制器输出走
线和 LO 输入走线周围设置过孔。
y
将 LO 和调制器输出走线布设在不同的层上或彼此成
90°角,防止耦合。
图 15. 一般布局布线建议
图 14. 用于电平转换电路的电子表格
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图 16. 测试设置功能框图
欲进一步了解有关正确布局布线的更多信息,请查看设计支持
设置与测试
包(www.analog.com/zh/CN0205-DesignSupport)中的
1.
按照图 16 所示连接设置和测量系统。
AD9122-M5375-EBZ布局文件。
2.
将电源电压设置为+5 V。
常见变化
3.
将FDAC的信号发生器设置为 368.64 MHz @ 5 dBm,将LO
本电路笔记所述的接口可以用在任何设置为 20 mA满量程电
流的TxDAC数模转换器(AD9779A 、 AD9788 、 AD9125 、
AD9148 ) 与 需 要 0.5 V 基 带 直 流 偏 置 电 平 的 ADL5370 、
ADL5371/ADL5372、ADL5373、ADL5374、ADL5385、
ADL5386
等系列I/Q调制器之间。
的信号发生器设置为 2140 MHz @ 0 dBm。
4.
接通电源和信号发生器。将频谱分析仪设置为 2 × FDAC
MHz、1 MHz范围。
5.
按照图 17 所示,通过USB接口和AD9122/AD9125 SPI控
制软件设置AD9122,然后运行。参考AD9122 评估板快速
通过选择适当的ADC端接电阻对偏置电平进行一些调整,该接
入门指南(www.analog.com-CN0205-DesignSupport)。
口也可以用于低电流调制器AD8345/AD8349。
y
插值(图 17 中的“1”): 1×
y
精调制(图 17 中的“2”):开
设置灵活,也可以执行本电路笔记所示的其它测量。
y
数据速率(图 17 中的“3”):同FDAC频率
设备要求(可以用同等设备代替)
y
NCO 频率(图 17 中的“4”):173.32 MHz
电路评估与测试
下面详细说明如何执行共模测试(结果如图 10 所示)。测试
y
DPG:ADI 公司数字码发生器
y
时钟信号发生器:Agilent E4437B
y
确保DCO频率(图 18 中的“1”)接近FDAC频率。
y
LO 信号发生器:Agilent 8665B
y
将采样速率(图 18 中的“2”)设置为与FDAC频
y
频谱分析仪:Agilent E4440A
y
电源:Agilent E3631A
6.
设置 DPG(参考 AD9122 评估板快速入门指南)
率相同,并在所需频率设置 1 MHz范围。
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y
y
7.
电路笔记
按照图 18 所示设置“3”和“4”。
8.
点击图 18 中“1”处的按钮,下载 I 和 Q 矢量。
9.
测量 2 × FDAC时的共模噪声电平。
更改FDAC信号发生器的频率、第 5 步提到的“数据速率”
以及第 6 步提到的“采样速率”。
测量 2 × FDAC(新值)时的共模噪声电平。
10. 重复第 8 步和第 9 步。
图 17. SPI 控制软件用户界面:设置数据时钟和 NCO 控制
图 18. 使用 DPG 下载器软件设置 DPG
设计与集成文件
y
物料清单
设计与集成文件由我们的工程师编写,可用于设计该电路。
y
Gerber 文件
CN0205 设计与集成文件
y
Allegro 文件
y
装配图
y
原理图
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电路笔记
进一步阅读
数据手册和评估板
CN0205 Design Support Package:
AD9122 Data Sheet
www.analog.com/CN0205-DesignSupport
ADL5375 Data Sheet
MT-016 Tutorial, Basic DAC Architectures III: Segmented
AD9122 Evaluation Board
DACs. Analog Devices.
ADL5375-05 Evaluation Board
MT-017 Tutorial, Oversampling Interpolating DACs, Analog
AD9122-M 5375-EBZ Evaluation Board
Devices.
MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the
修订历史
Mystery of 'AGND' and 'DGND'. Analog Devices.
8/11—Revision 0: Initial Version
MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques, Analog Devices.
CN-0021 Circuit Note, Interfacing the ADL5375 I/Q Modulator
to the AD9779A Dual-Channel, 1 GSPS High Speed DAC ,
Analog Devices.
CN-0134 Circuit Note, Broadband Low EVM Direct Conversion
Transmitter, Analog Devices.
CN-0144 Circuit Note, Broadband Low EVM Direct Conversion
Transmitter Using LO Divide-by-2 Modulator, Analog Devices.
Nash, Eamon. AN-1039 Application Note, Correcting
Imperfections in IQ Modulators to Improve RF Signal Fidelity,
Analog Devices.
Zhang, Yi. AN-1100 Application Note, Wireless Tranmitter I/Q
Balance and Sideband Suppression, Analog Devices.
Brandon, David and David Crook, Ken Gentile, AN-0996, The
Advantages of Using a Quadrature Digital Upconverter (QDUC)
in Point-to-Point Microwave Transmit Systems, Analog
Devices.
ADIsimPLL Design Tool
ADIsimRF Design Tool
AD9122 Evaluation Board Quick Start Guide
Analog Devices Data Pattern Generator (DPG)
(Continued from first page) Circuits from the Lab circuits are intended only for use with Analog Devices products and are the intellectual property of Analog Devices or its licensors. While you
may use the Circuits from the Lab circuits in the design of your product, no other license is granted by implication or otherwise under any patents or other intellectual property by application or
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change any Circuits from the Lab circuits at any time without notice but is under no obligation to do so.
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registered trademarks are the property of their respective owners.
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