Yi Zhang, Analog Devices
אפנון ישיר מורכב הפך להיות הארכיטקטורה הנפוצה במימוש שרשרות האותות במשדרים המשמשים ביישומי קצה כדוגמת תחנות בסיס סלולריות, WiMAX ויישומים אלחוטיים מנקודה לנקודה. בטכניקה זו מאפננים ישירות אותות IQ (בפאזה/ ריבעוניים–quadrature) במוצא של ממיר ADC על גל נושא בת”ר (RF), ובכך מונעים את השימוש בדרגת תב”ם (IF) ובסינון הקשור בה. משדר המרה ישירה כזו מתואר באיור 1.
בתהליך האפנון האנלוגי יש לאי–התאמות בהגבר ובפאזה של אותות IQ השפעה ישירה על ביצועי דיכוי פסי הצד. התוצאה המתקבלת היא ביצועים נחותים בגודל ווקטור השגיאות (EVM) במקלט, אשר משפיעים לרעה על יחס BER.
במאמר זה נדון בסיבות העיקריות לדיכוי פסי הצד שאינו מושלם, ובשיקולי התכנון לבחירת רכיבים ולתכנון המעגל המודפס. דוגמת המשדר האלחוטי מורכבת מהממיר TD9122 TxDAC+ של Analog Devices וממאפנן רבעוני כדוגמת ADL5375, ADL5372 ו/או ADRF670x, גם הם של Analog Devices.
באיור 2 מופיע רק ערוץ 1, מאחר שהמשדר בהמרה ישירה סימטרי. אי–ההתאמות האפשריות מסומנות בתרשים. נקודת ההנחה במאמר זה היא שהאותות IQ שבמישור הספרתי נמצאים בהתאמה מושלמת, והדיון יתמקד לכן באי–ההתאמות שבחלק האנלוגי.
מהי שגיאת הגבר במוצא ממיר DAC
שגיאת הגבר במוצא DAC היא ההפרש שבין טווח המוצא בפועל לבין הטווח האידיאלי. באיור 3 מופיע תרשים בלוקים מפושט של בקרת זרם המוצא בטווח המלא של DAC שבהתקן AD9122. נתיב הבקרה מורכב ממתח ייחוס, מנגד 10 קילו–אוהם חיצוני לכוונון בטווח המלא, ממגבר בקרת ייחוס, וממערך סילום (scaling) זרמים. זרמי הממתח הפנימי של הממיר נוצרים במערכת נגד הכוונון, מתח הייחוס ומגבר בקרת הייחוס. זרם זה מהופך ומוכפל במערך הסילום.
את זרם המוצא בטווח המלא של ממיר DAC אידיאלי אפשר לחשב לפי משוואה 1, המופיעה בהמשך:
משוואה 1:
VREF הוא מתח הייחוס, RSET הוא נגד הכוונון, DACGAIN הוא קוד הבקרה הספרתי במערך סילום הזרם. שגיאת הגבר תופיע אם זרם המוצא בטווח המלא יסטה בפועל מערך אידיאלי זה.
שגיאת ההגבר המוגדרת של AD9122 היא 3.6%± מהטווח המלא, וזו שגיאת ההגבר בתרחיש הגרוע ביותר. היא כוללת את כל האפשרויות, כגון תהליך מתח וטמפרטורה. למעשה, שגיאת ההגבר בין הממירים I ו–Q קטנה בהרבה, והם חולקים את מעגל זרם הממתח, את נגד הכוונון ואת מגבר בקרת הייחוס. השינויים שנוצרים בסטיות המתח והטמפרטורה עוקבים זה אחר זה בממירים I ו–Q. אי–ההתאמה היחידה קיימת בשינויי הגיאומטריה של הטרנזיסטורים מתהליך ייצור הפרוסה. אפשר ליצור נוסחה שתעריך את שגיאת הגבר של ממירי I ו–Q באותו התקן מהניתוח המתואר כאן ומהמפרטים. אם נסמן את שגיאת זרם המוצא כתוצאה מהליניאריות של ממיר DAC הראשי ב–IMAIN, ואת שגיאת זרם המוצא כתוצאה מליניאריות ממיר ADC של ההגבר ב–IGAIN.
שגיאת ההגבר בפועל יכולה להשתנות בהתאם למפרטי ההתקן, אולם החישוב מרמז שהשגיאה באופן אופייני קטנה יותר מהשגיאה המוגדרת בדף הנתונים של ממיר DAC (במקרה זה בסדר גודל שלם).
שגיאת הפאזה של ממיר DAC
שגיאת הפאזה של הממיר היא הטיית skew בין מוצאי I ו–Q כשאות כניסה זהה מוזן לשניהם. ההפרעה נובעת מאי–התאמה בנתיבי אות השעון של ליבת הממיר. גם כאן, רוב אי–ההתאמות נובעות מתהליך ייצור הפרוסה. ההפרעה משתנה מאצוות פרוסות אחת לשנייה ומהתקן אחד למשנהו. מפרט זה לא מופיע בדרך כלל בדפי הנתונים. מדידות בהתקן AD9122 מציינות הפרעה אופיינית בתחום של 20 פיקו–שנייה. עבור מוצא תב”ם של 150 מגה-הרץ שגיאת פאזת IQ שנגרמת מהטיית skew תהיה קטנה ממעלה אחת.
שגיאות הגבר ופאזה בפס הבסיס של מאפנן IQ
שגיאות ההגבר והפאזה בפס הבסיס במאפנן IQ נגרמות מאי–התאמות במעגל כניסת פס הבסיס, בעיקר משינויי ייצור הפרוסה. בהתייחס לנתוני ADL5372, שגיאת הגבר אופיינית ב–1.9 ג’יגה–הרץ היא 0.09 dB (1%) ושגיאת הפאזה באותה תדירות של המתנד המקומי (LO) היא 0.21 מעלה.
שגיאות הגבר ופאזה במתנד המקומי של מאפנן IQ
שגיאות ההגבר והפאזה בפס הבסיס במאפנן IQ נגרמות מאי–התאמות שבין האותות שבפאזה לאותות המתנד המקומי במאפנן. כניסת המתנד מחולקת לשני אותות רבעוניים, על ידי מפצל פאזה. כל אות עובר דרך מגבר מגביל.
מכאן, ששגיאות ההגבר והפאזה של המגבר מושפעות ביותר ממאפנן IQ. הן מזעריות במאפנן טוב, כך שאינן מגבילות את ביצועי דיכוי פס הצד של המערכת. ואולם, בתכנון מערכת יש לשים לב לאיכות האותות בכניסת LO כדי להשיג ביצועים אופטימליים. גם בתכנון טוב של מאפנן IQ, שגיאת הפאזה עלולה להתקלקל על ידי אותות LO לא רצויים. הרמוניות ומחזור עבודה באות המתנד הם נתונים חשובים המשפיעים על דיכוי פס הצד. טופולוגיית מפצל הפאזה הרבעוני קובעת את אות המתנד שהמאפנן מצפה לו.
קיימות שתי טופולוגיות נפוצות לתכנון מאפנן IQ: מפצל ריבוי פאזות (polyphase) ומפצל 2XLO.
שגיאות ההגבר והפאזה במסנן השחזור
מסנן השחזור מתוכנן לדיכוי תכולת תדירות גבוהה מממיר DAC. הוא מתוכנן לאפשר לאות לעבור אותו עם הפרעות משרעת מזעריות ושינויי השהיית קבוצה (group delay) עם דיכוי במידה מספקת של התדירות הגבוהה המיועדת. ההגבר בפס המעבר והשהיית הקבוצה הם פונקציה של טופולוגיית המסנן וערכי הרכיבים.
אפיצויות (טולראנסים) הרכיבים וערכים פרזיטיים משפיעים מאוד על שגיאות ההגבר והפאזה של המסנן. בתרשים שבאיור 9 מופיע מסנן מעביר נמוכים שבמעגל ההערכה של AD9122. שני נגדי 50 אוהם משמשים כסיומות לממיר DAC בכניסת המסנן ונגד 100 אוהם משמש ביציאה כסיומת לכניסת מאפנן IQ. מסנן Butterworth זה הוא מסדר חמישי והוא מתואם ל–100 אוהם בכניסה וביציאה.
ברור שהאפיצויות של R1, R2 ו–R3 חייבות להיות הדוקות ככל האפשר מאחר שאי–התאמות בנגדים אלו משפיעות ישירות על תיאום אותות IQ. מומלץ שאפיצות הנגדים תהיה קטנה מ–1%.
הדמיית Monte Carlo בוצעה באות תב”ם של 150 מגה–הרץ בנקודות הגרועות ביותר כדי להדגים את השפעת אפיצויות הנגדים על ההגבר והשהיית הקבוצה של המסנן. אפיצויות כל הרכיבים קיבלו ערכים זהים, ולצורך השוואה, ההדמיה בוצעה באפיצויות של 5%, 10% ושל 20%. התוצאות באיורים 10a ו–10b מראות שסטיית התקן של השהיית הקבוצה ושל רוחב הפס ב–3dB יחסיים באופן גס לאפיצות הרכיבים.
אי התאמה באורך מסלולי המעגל המודפס
בתכנון של מעגל מודפס מהיר יש להתייחס למסלולים כאל קווי תמסורת. ההשראות והקיבול שלהם ליחידת אורך קובעות את השהיית התפשטות (propagation delay) ליחידת אורך. הם תלויים ברוחב המוליך, במרחק שלו ממשטח הייחוס שלו, ובקבוע הדיאלקטרי של החומר ממנו עשוי המעגל. באופן אידיאלי המוליכים במסלול האות ממוצא ממיר DAC לכניסת המאפנן אמורים להיות סימטריים בין ערוצי I ו–Q ובין הצד החיובי לצד השלילי בתוך הערוץ. במציאות אורכי המסלולים אינם מתואמים באופן מושלם כתוצאה משינויים והגבלות בתכנון ובייצור המעגל המודפס. אי–ההתאמות גורמות לאות בערוץ האחד, להטיית Skew לעומת האות בערוץ השני, ולשגיאות פאזת IQ. בדרך כלל קיימים שני סוגים של אי–התאמות באורך המסלולים כמוצג באיור 11:
*אי–התאמה בין ערוץ I לערוץ Q,
*אי–התאמה בין הצד החיובי לשלילי באותו הערוץ.
אי–התאמות בין ערוצי I ו–Q גורמים לשגיאות פאזת IQ. כלל “אצבע” למעגלי זכוכית אפוקסי מסוג FR–4 להערכת שגיאת הפאזה הנגרמת מאי–התאמות אלו קובע שמוליך באורך 5 ס”מ יוצר השהיית התפשטות של 320 פיקו–שנייה. עבור אות תב”ם ב–150 מגה–הרץ, אי–התאמה של 3 מ”מ (118 מיל) מתורגמת לשגיאת פאזה של מעלה אחת בין ערוצי I ו–Q.
אי–התאמות בין הצדדים החיובי והשלילי בערוץ מעוותות אותות הפרשיים על ידי הטיית Skew של שני הצדדים מהפרש 180 המעלות שביניהם וגורמים לשגיאות הגבר ופאזה. מסלולי זוגות הפרשיים מתוכננים בדרך כלל סמוך מאוד זה לזה ואי–ההתאמה האפשרית יהיה קטן יחסית. עם זאת, כאשר הזוג ההפרשי ארוך, בכל סיבוב על המעגל המודפס, נוצר הבדל באורך בין המסלול החיצוני לפנימי. הבדלים אלו יכולים להצטבר לאי–התאמה שיש לו השפעה על דיכוי פס הצד. איור 12 מציג כיצד אי–התאמה של 3 מ”מ בזוג הפרשי משפיע בנקודות חציית האפס של אות תב”ם ב–150 מגה–הרץ. הנקודות מוזזות ב–19 פיקו–שנייה בערך, שהם כמעלה אחת במחזור האות. מומלץ שההתאמה באורכי המסלולים תישמר בתחום של ±0.5 מ”מ (±20 מיל).
מסקנות
בעוד ממירי DAC ומאפנני IQ מהירים מציעים הגבר ודיוק רבעוני מצוינים מן המוכן, קיימים היבטים נוספים במערכת שגורמים לחוסר איזון בהגבר ובפאזת IQ. אפשר לשפר את ביצועי דיכוי פס הצד באמצעות פונקציית תיקון המסופקת על ידי ממיר DAC. עם זאת, יש לתכנן בקפדנות את המערכת על מנת להבטיח שהשגיאה הכוללת נמצאת בתחום התיקון של ממיר DAC. לקבלת מידע נוסף בנוגע לכיול שגיאות ההגבר והפאזה, עיין בדף היישום AN–1039.
