Mixed-Signal-ICs Digitale Features in schnellen D/A-Wandlern

Moderne schnelle D/A-Wandler enthalten häufig digitale Signalverarbeitungsblöcke. An einem konkreten Beispiel soll klar werden, dass sie die Systemimplementierung vereinfachen, indem sie die Datenraten reduzieren und die Eigenschaften des Ausgangssignals verbessern.

Im Folgenden geht es um den Baustein DAC34H84 von Texas Instruments. Dieser vierkanalige, 16 Bit breite Digital/Analog-Wandler (DAC) mit einer Umwandlungsrate von 1250 MSample/s ist typisch für Bauelemente dieser Art. Er enthält ein eingangsseitiges FIFO-Register, um die Taktbereiche des Eingangs und des eigentlichen DAC voneinander zu entkoppeln. Weitere Funktionsabschnitte sind digitale Blöcke für die Interpolation, die digitale Quadraturmodulation mit hoher Frequenzauflösung, eine analoge Quadraturmodulations-Korrektur und die sin(x)/x-Korrektur (Bild 1). Welche Funktion und welchen Nutzen haben dieser Features?

Der erste digitale Block ist die Interpolationsstufe, die die Abtastrate des digitalen Signals innerhalb des DACs anhebt. Die Interpolation erfolgt in der Regel schrittweise und verdoppelt jeweils die Abtastrate. Sie fügt Nullen zwischen die eingangsseitigen Abtastpunkte ein, wodurch zwei Signale (bei fIF und bei fIN - fIF) entstehen. In einem digitalen Tiefpassfilter wird das zweite Signal bei fIN - fIF entfernt, sodass nur das Signal bei fIF übrig bleibt.

Der Beweggrund dafür, die Intermodulation zu nutzen, hat mit der Zero-Order-Hold-Ausgangsstruktur der meisten schnellen DACs zu tun. Kennzeichnend für diese Architektur ist, dass der Baustein die Ausgangsamplitude gemäß der digitalen Signalprobe am Beginn des Taktzyklus festlegt und diese bis zum Ende des Taktzyklus und bis zur nächsten Signalprobe beibehält. Das Resultat ist ein stufenförmig verlaufendes Ausgangssignal mit einem Frequenzgang gemäß der Funktion sin(π∙fIF/fs)/(π∙fIF/fs).

fIF

Darin steht fIF für die Frequenz des analogen Ausgangssignals, während es sich bei fs um die Abtastrate handelt. Dies ergibt eine Tiefpasswirkung (Bild 2) mit einem Verlust von etwa 3,5 dB bei f = fs/2 sowie Nullstellen bei den Vielfachen von fs. Auch wenn das Spektrum des DAC-Ausgangs Spiegelfrequenzen des Signals bei N∙fs ± fIF aufweist, ist die Amplitude der Spiegelfrequenzen in den höheren Nyquist-Zonen deutlich geringer als die des Signals bei fIF, was zu einem geringen Signal-Rauschabstand (SNR) und einem potenziell signifikanten Amplitudeneinbruch führt. In den meisten Anwendungen können deshalb nur Signalfrequenzen unterhalb von fs/2 verwendet werden. Außerdem wird der Abstand zwischen dem Signal bei fIF und der Spiegelfrequenz bei fs - fIF umso geringer, je mehr sich fIF an fs/2 annähert. Dies erschwert den Bau eines analogen Filters, das am DAC-Ausgang die unerwünschte Spiegelfrequenz bei fs - fIF entfernt, sodass fIF in den meisten Anwendungen auf Werte unter fs/3 begrenzt ist.

Wenn die Interpolation genutzt wird, um die DAC-interne Abtastrate zu erhöhen, muss die Abtastrate fIN am digitalen Interface des DAC nur so hoch sein, dass die Signalbandbreite übertragen werden kann – zuzüglich eines geringen Bandbreitenzuschlags, um das Durchlassband des Interpolationsfilters zu berücksichtigen (fIN > 2,5∙BW für ein reales und fIN > 1,25∙BW für ein komplexes Signal). Durch das Anheben der Abtastrate mithilfe der Interpolation wird das Signal dann deutlich unter fS/2 platziert.

Digitales Mischen möglich

Steigt die Abtastrate, ist auch ein digitales Mischen möglich, um die Frequenz des ZF-Signals am Ausgang zu erhöhen. Bei einer Interpolation um den Faktor 2 kann beispielsweise die Ausgangsfrequenz oberhalb von fIN/2 platziert werden. Ohne Interpolation wäre dies nicht möglich (Bild 3). In der Regel wird ein komplexes Eingangssignal mit einem komplexen Mischer verwendet, um das Entstehen von Spiegelfrequenzen im Zuge des Mischprozesses zu verhindern. Am Ausgang des Mischers kann entweder ein reales oder ein komplexes ZF-Signal anstehen. Dies ist nützlich, wenn auf den DAC ein analoger IQ-Modulator folgt.

Die Verarbeitung eines komplexen DAC-Ausgangs mit einem analogen Quadraturmodulator (AQM) rückt ein weiteres nützliches digitales Feature ins Blickfeld, das man in schnellen DACs häufig vorfindet. Gemeint ist der Quadraturmodulator-Korrekturblock. Dieser Funktionsabschnitt korrigiert Verstärkungs-, Phasen- und Offset-Ungleichgewichte des analogen Quadraturmodulators und verbessert dadurch die Seitenbandunterdrückung des AQM sowie das Übersprechen des lokalen Oszillators (LO feedthrough).

Das Ende der digitalen Signalkette bildet ein digitales FIR-Filter, das den sin(x)/x-Roll-off in der ersten Nyquist-Zone kompensiert. In der Implementierung des DAC34H84 kompensiert dieses Filter bis zu 0,4∙fDAC mit einem Fehler von weniger als 0,03 dB.

Über den Autor:

Robert Keller ist Systems and Applications Manager für High-Speed Data Converters bei Texas Instruments.