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6-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Kommunikation Erhöhte

Kommunikation Erhöhte Empfängerempfindlichkeit mit JESD204B ADCs und Low- Power-SiGe-Verstärkerblöcken In modernen Kommunikationssystemen kann der Empfänger umso empfindlicher sein, je rauschärmer der Eingang ist. Dieser Teil des Systems ist sehr empfindlich gegen Rauschen, das von anderen Quellen eingekoppelt wird. Diese Quellen können ein FPGA, die Stromversorgung oder digitale Signale des ADC selbst sein. Bei der Entwicklung einer kompakten Lösung können Barrieren zwischen Rauschquelle und analogem Eingang errichtet werden, um eingekoppeltes Rauschen am Eingang zu reduzieren. Damit kann die Empfindlichkeit des Systems verbessert werden. Mit leistungsstarken Verstärkern, die 4 W aufnehmen, ist allerdings eine kompakte Lösung kaum möglich. Zur Verbesserungen der Rauschleistung eines Systems werden rauscharme Verstärker mit hoher Linearität zur Ansteuerung eines rauscharmen ADC erforderlich, um die gewünschte Empfindlichkeit zu erzielen. Verschiedene Fortschritte beim ADC-Design, wie der neue JESD204B-Standard, helfen den Entwicklern die Herausforderungen zu meistern, die früher die Empfängerempfindlichkeit begrenzt haben. Diese und neue Low-Power-Verstärker haben die Systemrauschleistung wesentlich verbessert. Herausforderungen beim Verstärker-Design Traditionell verwenden HF- Applikationen Gallium-Arsenid- (GaAs) oder Indium-Phosphid- (InP) Verstärkerblöcke, um geringes Rauschen und hohe Linearität zu erhalten. Diese Blöcke arbeiten an 9 - 12 V, was zu einem Leistungsverbrauch von 2 Clarence Mayott Applications Engineer Mixed Signal Products Linear Technology Corp. www.linear.com Bild 1: SYSREF-Signal synchronisiert zwei LTC2123 - 4 W pro Empfangskanal führt. Damit wird das Wärmemanagement des Empfängerboards zum Problem. Wird es nicht berücksichtigt, verschlechtert sich die Empfangsleistung. In batteriebetriebenen oder Niederspannungsapplikationen sind herkömmliche Verstärkerblöcke wegen der hohen Leistungsaufnahme zusätzlich ein Problem. Einige Verstärkerblöcke erfordern Anpassungsschaltungen an Ein- und Ausgang, die aber den gewünschten Frequenzbereich verändern. Das verringert die Gesamtbandbreite, die ein Empfänger aufnehmen kann und verlängert die Entwicklungszeit, um das Eingangsnetzwerk anzupassen. Zusätzlich ist die Mehrheit dieser Verstärkerblöcke unsymmetrisch. In jedem System führt das zu geraden Harmonischen, die für gute Linearität herausgefiltert werden müssen. In vielen Situationen sind die Harmonischenprodukte zweiter Ordnung nahe an den Grenzen des Passbandes, wo die Dämpfung der Filter gering ist. Da die harmonischen Störungen zweiter Ordnung nicht gedämpft werden, wird die Empfindlichkeit des Empfängers reduziert. Bei Einsatz eines differentiellen Verstärkerblockes kann man ein symmetrisches Netzwerk entwickeln und Harmonische zweiter Ordnung spielen keine Rolle mehr. Verstärkerlösungen Um die Leistungsaufnahme eines GaAs-Verstärkerblocks bei gleichbleibender Linearität zu verringern, ist ein anderer Fertigungsprozess erforderlich. Der LTC6430 ist ein differentieller Verstärkerblock, der in einem Low-Power-Silizium- Germanium (SiGe)-Prozess hergestellt wird. Er liefert die Linearität und Rauschleistung von High-Power-Verstärkerblöcken, nimmt aber nur einen geringen Teil von deren Leistung auf. Der LTC6430 arbeitet mit 5 Volt und zieht nur 160 mA Strom, reduziert somit die Leistungsaufnahme auf weniger als 1 W. Das ermöglicht den Betrieb des LTC6430 in Low-Power-, batteriebetriebenen Applikationen und in thermisch empfindlichen Applikationen, wo traditionelle Verstärkerblöcke wegen der großen Wärmeerzeugung nicht eingesetzt werden können. 20 hf-praxis 6/2015

Kommunikation Bild 2: Zusammenschaltung von LTC6430 und LTC2123 Der LTC6430 ist ohne Anpassungsnetzwerk bedingungslos stabil. Alles was man braucht sind ein DC-Abblock-Kondensator und HF-Bias-Drosseln. So kann der LTC6430 in einer Schaltung Frequenzen von 25 MHz bis 1600 MHz empfangen. Die Designzeit für das Eingangsnetzwerk wird reduziert, und man kann sich länger anderen kritischen Teilen des Systems widmen. Durch die einfache Anpassungsschaltung des LTC6430 wird auch die Bauteileanzahl verringert, und die Komplexität des Netzwerks zwischen ADC und Verstärker lässt so mehr Raum auf der Platine für Barrieren und Vias zur Systemverbesserung. Der LTC6430 ist ein differentieller Verstärker, der prinzipbedingt geradzahlige Harmonische unterdrückt. Seine symmetrische Auslegung unterdrückt gerade Harmonische und verbessert die Gesamtlinearität des Systems. Auch muss dem Ausgangsfilter zwischen Verstärker und dem ADC nicht mehr viel Aufmerksamkeit gewidmet werden. Ein einfaches Symmetriernetzwerk zwischen ADC und Verstärker ergibt die besten Ergebnisse und lässt Raum für Barrieren und Vias um Beeinflussung von ADC und Verstärker zu reduzieren. Durch geringeren Aufwand für die Filterung benötigt das Netzwerk weniger Komponenten und vereinfacht den ADC- Anschluss. Da der LTC6430 ein differentielles Ausgangsnetzwerk hat, kann er ohne Balun differentielle ADCs treiben, was wiederum am ADC ein einfaches Eingangsnetzwerk ermöglicht. Durch weniger Komponenten zwischen ADC und Verstärker wird insgesamt das Layout vereinfacht. Ein Symmetriernetzwerk kann auch verwendet werden, um die Leistung des ADC zu maximieren. Anforderungen an den ADC Rauschen in Empfängern bezieht sich nicht nur auf die Verstärker und das Kanalrauschen. Rauschen von unerwünschten Quellen auf dem Board kann auch in das ADC-Eingangsnetzwerk gelangen, und wird dann vom ADC digitalisiert. Die Höhe dieser Rauschquellen kann man durch ein gutes Layout begrenzen, aber nicht ganz beseitigen. Eine potentielle Rauschquelle im System schließt die digitalen Ausgänge des ADC selbst ein. Mit großen Spannungshüben und hohen HF- Anteilen können die digitalen Ausgangssignale in die analogen Eingänge gelangen, werden redigitalisiert und erzeugen so eine digitale Rückkopplung. Die kann mit Spitzen von bis zu 20 dB zum Rauschboden beitragen. Unsymmetrische CMOS-Signale erzeugen die größte digitale Rückkopplung, da je höher der Spannungshub ist, umso größer ist die digitale Rückkopplung. Digitale Leitungen sind aber ein weiteres Problem wegen ihres Platzbedarfs. Ein Board mit Vielkanal-ADCs und deren unzähligen Leitungen benötigt viel Platz. Die digitalen Busse sind eine Plage, speziell wenn sie nahe an empfindlichen Schaltungen wie Referenzen, Takten oder Eingangsnetzwerken vorbeiführen. Je näher diese digitalen Busse an empfindlichen Schaltungen sind, umso höher ist die Gefahr, dass digitales Rauschen die Systemleistung verschlechtert. Leiterbahnen für CMOSund LVDS-Signale unterliegen einer weiteren Einschränkung: sie sind nicht DC-symmetrisch, d.h. es liegt kein durchschnittlicher DC-Spannungswert vor. Man kann CMOS- und LVDS- Signale nicht durch Isolationsbarrieren wie Transformatoren, Opto-Koppler, DC-Ablockkondensatoren oder Hochpassbauteile übertragen. In modernen Kommunikationssystemen werden Antennenarrays für Raum-Diversity in Empfängern verwendet. Das verbessert den Empfang speziell von schwachen Signalen und Fadingsignalen. Jedoch benötigt jede zusätzliche Antenne im Array einen kompletten Empfangszug. Steigt die Zahl der Antennen, ergibt sich eine zunehmende Zahl an ADC-Kanälen. Diese ADCs müssen für maximale Leistung synchronisiert werden, was nicht einfach ist. Eine Variation des Taktes führt zu falscher Signalinterpretation und verschlechtert die Systemleistung. Selbst mit den besten Taktgebern gibt es einen Versatz zwischen den einzelnen Taktleitungen, was zu einem Versatz der digitalen Daten führt, der nur schwierig zu beseitigen ist, sogar in der digitalen Domäne. ADC-Lösungen Das Rauschen kann durch die Reduzierung der Zahl der Datenleitungen und die Verwendung von digitaler Signalisierung stark reduziert werden. Das in die Masselage des Boards injizierte Rauschen wird deutlich verringert werden. Der JESD204B-Standard nutzt Paare von CML-Datenleitungen (Current Mode Logik) für die Übertragung sehr schneller serieller Daten. Abhängig von der Abtastrate wird wenigsten ein Leitungspaar benötigt. Diese Übertragungsleitungspaare sind differentiell, deshalb ergibt sich eine Feldauslöschung, welche den Effekt der Rauscheinkopplung in die Masselage reduziert. Da die Datenübertragung seriell und 8B/10B-dekodiert erfolgt, gibt es keine sich wiederholenden Muster in den Daten, die Frequenzanteile in der Masselage erzeugen, die möglicherweise am Analogeingang erscheinen. Das reduziert die Möglichkeit der digitalen Rückkopplung im System erheblich. Mit weniger Rauschen und weniger Frequenzanteilen in der Masselage gibt es weniger Energie, die zu den analogen hf-praxis 6/2015 21

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