Marc Wingender, e2v
ביישומים מתקדמים כגון מכ”ם דיגיטלי, תקשורות ברוחב-פס מאוד רחב ורדיו מוגדר בתוכנה, הצורך ברוחב-פס רגעי רחב מכתיב לעתים קרובות את החלטות התכנון. (Analogue to Digital Converters) ביט רחבי-פס הם רכיבי-מפתח הפותחים הזדמנויות תכנון חדשות עבור מערכות מקלטים דיגיטליים. בהקשר זה, מאמר זה מתאר ADC חדש – ביט
1.5GS/s בעל ליבה אחת אמיתית ובעל רוחב-פס של 2.3 גיגה-הרץ, המבוסס על טכנולוגיה דו-קוטבית 200 גיגה-הרץ, המאפשרת את הדיגיטיזציה הישירה של צורות-גל אקראיות ברוחב-פס של 500 מגה-הרץ ישירות לתוך אזור Nyquist השני קרוב יותר לאנטנה (תחום L), ומאפשרת את התכנון של ארכיטקטורות מערכות מקלטי מכ”ם גמישות ומפושטות.
מבוא
ADCs מהירים הכוללים ליניאריות של 12 ביט (70dB) ו-ENOB העולה על 9 ביט בתחום מבואות תדר רחב בעלי קצבי עדכון של 1.5GS/s הם רכיבי מפתח עבור הדורות הבאים של מקלטי מכ”ם RF רחבי-פס. לצורך זה, דור חדש של מעגלי ADC 1.5GS/s רחבי-פס ביותר מבוססים על טכנולוגיית SiGeC 200 גיגה-הרץ דו-קוטבית במלואה תוכננה כדי לשרת את הדור הבא של מקלטים גמישים רחבי-פס הכוללים מערכות מכ”ם.
ADC וטכנולוגיה 12- ביט, 1.5GS/s
ADC ביט 1.5GS/s מבוסס על טכנולוגיית (SiGe Carbon) גיגה-הרץ
ה-ADC ביט פועל ב-1.5GS/s (גיגה דגימות בשנייה) והוא בעל רוחב-פס מבוא 2.3 גיגה-הרץ בהספק מלא, עם קרוב ל-57dB SNR באזור Nyquist השני עם Fin=1500MHz ב-1dBFS-, המאפשר תת-דגימה ישירה של אותות באזור Nyquist השני (תחום L).
ה-ADC -ביט מבוסס על ארכיטקטורת ליבה יחידה אמיתית, ואיננו סומך על ADCs פנימיים בעלי ליבה הכוללת דפים ריקים כדי להשיג קצב מעל 1.5GS/s. לכן, ה-ADC ביט אינו דורש כל סוג של כיול לפני או תוך כדי פעולה בתחום טמפרטורה מורחב (-55C Tcase עד +125C טמפרטורת הצומת). למעשה, כיול דרוש לפעמים עם ליבות ADCs מסורגות כדי למנוע הפחתת ביצועי SFDR בשל אי-כיוון של שבח, היסט והשהיות בפתח הדגימה. תחום מתח הייחוס של הסקאלה המלאה 0dBFS של ה-ADC ביט 1.5GS/s הוא רק 500 מילי-וולט שיא-לשיא על עכבה הפרשית (מובנית) של 100 אוהם. הספק המבוא התואם בסקאלה מלאה הוא 2dBm בהזנה מוארקת ב-50 אוהם ו-5dBm בהזנה הפרשית בסיומת של 100 אוהם. הספק המבוא הנמוך של -5dBm בסקאלה מלאה מאפשר הזנה קלה מאוד של ה-ADC ב-1.5GS/s במיוחד באזור Nyquist השני, דבר המקל על אילוצי הליניאריות של מגבר בעל שבח קבוע או משתנה המזין את ה-ADC. ה-ADC ביט מכיל DACs בקרה 10 ביט ו-12 ביט מרובים, המנוטרים דרך ממשק טורי תלת-גידי (3 Wire Serial Interface – 3WSI), לשם כוונון עדין מרחוק של השהיית הדגימה, השבח וההיסט. תכונה זו שימושית לשם יישומי מכשור ומאפשרת סירוג קל של ADCs עצמאיים מרובים לשם הגדלה של קצב הדגימה המעשי. ה-ADC מזווד באריזה פלסטית FPGA 196, וכולל יחס DMUX מוצא 1:1 או 1:2 לפי הבחירה.
ביצועים המאפשרים טכנולוגיית SiGeC
ה-ADC ביט מיוצר בטכנולוגיית SiGeC HBT דו-קוטבית [1]. התהליך משתמש בעיצוב טרנזיסטורי double-polysilicon מכוון בעצמו, עם בידוד תעלה רדוד ועמוק, הכולל גידול אפיטקסיאלי סלקטיבי של בסיס SiGeC באילוח בורון. הפחם מקטין את פיזור הבורון (ומאפשר פרופיל אילוח חד). טכנולוגיה זו מציעה טרנזיסטורי NPN בעלי תדר קיטעון (fT) של 200 גיגה-הרץ בצפיפות זרם של 6.5mA/um2, ו-fmax של 300 גיגה-הרץ, המאפשרים ביצועים גבוהים עם פשרות הספק נמוכות. ציפוי המתכת מורכב מארבע שכבות נחושת עם שכבה עליונה בעובי 2.5µm. בנוסף, זמינים שני סוגי נגדי פוליסיליקון, נגדי TaN בעלי שכבה דקה מאוד מדויקים וקבלי MIM.
ADC ביט
1.5GS/s
שיפורים בארכיטקטורת מערכת המקלט
מונחי הארכיטקטורה החדשנית ביחד עם תדר הקיטעון של 200 גיגה-הרץ של טכנולוגיית ה-SiGeC מאפשרים ביצועי רעש וליניאריות משופרים באזור Nyquist השני (Fin=1500MHz) עם קצבי עדכון של 1.5GS/s. ביצועי רעש SNR של 57dB מושגים בזכות ריצוד הדגימה של 100fs rms של ה-ADC. הוכחה תת-דגימה ישירה ב-Nyquist השני של תבניות Ultra Wide Band
() של עד 500 מגה-הרץ עם ENOB קרוב ל-9.3 ביט שווה-ערך (47dB יחס הספק רעש
– Noise Power Ratio – () עם גורם העמסה מיטבי של -14dBFS. האיור הבא (איור 2) מציג את שיפור הארכיטקטורה הפוטנציאלי במונחים של גודל, הספק, מורכבות ועלות של מערכת מקלט המבוססת על ADC ביט בעל ביצועי UWB.
תאור שבב ADC ביט 1.5GS/s
ה-ADC ביט מבוסס על טרנזיסטורים NPN 100% דו-קוטביים במלואם מבודדים אנכית. מספר הרכיבים הוא קרוב ל-7000 טרנזיסטורים SiGeC ויותר מ-10000 נגדי תחמוצת מבודדים (איור 3). נגדי TaN בעלי שיכבה דקה מדויקים משמשים לסיומות ה-50 אוהם מובנות (100 אוהם הפרשיים).
החיבורים ההדדיים מבוססים על ארבע שכבות של מטליזציית נחושת כדי להשיג רכיבי RC טפיליים נמוכים. צריכת ההספק המרבית של ה-ADC היא 3.2 ואט בטמפרטורת צומת Tj=1250C, כולל את ה-DMUX 1:2 המובנה בתוך השבב. ספקי הכוח הם +5.0 וולט
ו+3.3 וולט עבור החלק האנלוגי, ו- וולט עבור חוצצי המוצא הדיגיטליים.
תאור כללי של ארכיטקטורת ה-ADC
ביט 1.5GS/s
ארכיטקטורת ה-ADC היא הפרשית במלואה מהמבוא האנלוגי ומבוא השעון עד למוצאים הדיגיטליים תואמי ה-LVDS. ארכיטקטורת ה-ADC מבוססת על ADC ליבת 12 ביט בעלת הסדרה מהירה (דרגת כימות אנלוגי), המוזנת על-ידי Track and Hold () מהיר ומדויק בקצה הסופי, הכולל ליניאריות של 70dB עד לאזור ה-Nyquist השני. המכמת 12 ביט מבוסס על מבנים בעלי הסדרה מהירה (כמו הבזק) לקיפול ואינטרפולציה, המתוכננים להשהיית התפשטות בעלת תפוקה נמוכה, ביחד עם השפעה נמוכה של ההעמסה הדינמי במבוא עבור ה-T/H בחזית. המכמת האנלוגי מתוכנן להיקבע לדיוק של 12 ביט בתוך רוחב הזמן במוד hold (מחצית תקופת השעון ב-1.5GS/s=333ps). מודגש כי כימות ה-12 ביט מבוצע בתוך מחזור שעון אחד בלבד, כאשר 3 מחזורי השעון הבאים מוקדשים לנעילות התחדשות מדורגות מרובות כדי להשיג קצבי שגיאת ביט מעל 10E-13
ב-1.5GS/s. השהיית מסלול עיבוד הנתונים הכוללת (כמיסות) היא לכן רק 4 מחזורי שעון (כלומר 666ps בכל מחזור שעון).
תוצאות אפיון של ה-ADC ביט, 1.5Gsps
ביצועי ה-ADC אופיינו בהתאמה בצליל יחיד, צליל כפול וגם בתחום רחב, על-ידי מדידת יחס הספק הרעש
(Noise Power Ratio – NPR) עם תבנית של 500 מגה-הרץ בגורם העמסה מיטבי של -14dBFS, כדי למדוד את ביצועי ה-ADC לא רק בצלילים יחידים אלא גם במצב של דיגיטיזציה של עד 500 מגה-הרץ תבניות UWB ב-1.5GS/s, באזור Nyquist הראשון או השני.
1) חישוב FFT צליל יחיד של ADC ביט ב-1.5GS/s באזורי Nyquist הראשון והשני (Fin=740MHz & Fin=1490 MHz)
באיור הבא (איור 4), גלי הסינוס המשוחזרים במישור הזמן מוצגים בקצב דגימה של 1.5GS/s, עם Fin של 10, 740 ו-1490 מגה-הרץ בהתאמה ב-1dBFS-, המראים צורות גל נקיות. בדיאגרמות העין, אין אפשרות להבדיל בין עקומות ה-10 מגה-הרץ מגלי הסינוס של 740 ו-1490 מגה-הרץ.
לכן, חישובי FFT נערכו עבור ניתוח ספקטראלי עדין של רצפת הרעש (SNR) והרמות האקראיות (SFDR) עם Fin=740MHz ו-Fin=1490MHz, ורמות מבוא של -3dBFS ו-8dBFS-, כדי לנתח את השפעות האותות הגדולים והקטנים על SNR ו-SFDR.
ב-1.5GS/s באזור Nyquist הראשון (עם Fin=740MHz, -3dBFS), מושג ENOB של 8.88 ביט עם SNR של 57.5dBFS ועם SFDR של 60dBFS מחובר להרמוניה השלישית (H3), ו-72dBFS- ללא ה-H3. עם רמת מבוא של -8dBFS, ה-ENOB הופך ל-9.3 ביט כולל H3, עם SNR של 58.3dBFS ו-SFDR של -75dBFS.
ב-1.5GS/s ב-Nyquist השני, עם
Fin=MHz -3dBFS, מושג ENOB של 8.72 ביט עם SNR של 57.2dBFS ו-SFDR של 59dBFS המוצמד להרמוניה השלישית (H3), ו-68dBFS לא כולל H3 (איור 4). עם רמת מבוא של -8dBFS ה-ENOB הופך לקרוב ל-9.3 ביט כולל H3, עם SNR של
58.3dBFS ו-SFDR של -72dBFS (איור 5).
עבור יישומי מכ”ם רחב-פס עם תבניות של עד 500 מגה-הרץ, האות הגדול H3 איננו מהווה סוגיה, מאחר שאנחנו מתעניינים רק במאפייני אותות קטנים (ראה פרק V: יחס הספק הרעש). עבור יישומים בתחום הצר המשתמשים באותות גדולים, ניתן תמיד לסנן את ה-H3. עבור יישומי מכשור, אפשר להשתמש בלוחות look up כדי לתקן עבור המאפיין (Integral Non Linearity) של ה-ADC ולהוציא את ההרמוניה מסדר שלישי.
2) מאפייני SNR צליל-יחיד ב-1.5GS/s בשני אזורי Nyquist (DC עד 1500 מגה-הרץ) וכנגד רמת המבוא.
האיור הבא (איור 7) מתאר את ה-rolloff SNR של אות גדול כנגד תדר המבוא האנלוגי הנמדד ב-1.5GS/s על פני שני אזורי (DC עד Fin=1500MHz). רמות האותות נעות בין -1dBFS עד -12dBFS, כדי להציג את ה-rolloff של אותות גדולים בשל הריצוד של שעון הדגימה, מהביצועים של אותות קטנים SNR של הרעש התרמי המיוחס למבוא של ה-Track and Hold
() של החזית: ה-roll off כנגד תדר המבוא ב– מתייחס לרעש המתח המושרה על-ידי ריצוד שעון הדגימה הפנימי של 100fs rms של ה-ADC.
עם Fin=1500MHz, השפעת הריצוד על ה-SNR היא שולטת ומכתיבה את ה-SNR של 56.5dBFS ב-1dBFS. עם Fin=10MHz, השפעת הריצוד היא זניחה, וה-SNR של
59dBFS מוכתב על-ידי הרעש התרמי המיוחס למבוא של ה-T/H בחזית.
SNR של 56.5dBFS ב– מביא לרצפת רעש הנתונה על-ידי:
SNR+10log(Fs/2)=56.5dBFS+89dB=145.5dBFS/Hz=144.5dBc/Hz מאחר שהספק המבוא ההפרשי בסקאלה מלאה של ה-ADC הוא רק -5dBm בתוך 100 אוהם, הצפיפות הספקטראלית של הספק הרעש היא -5dBm -145.5dBFS=-150.5dBm per Hertz.
רצפת הרעש FFT 32K נקודות במספרי ה-FFT נתונה על-ידי SNR+10log(N/2)=57dB+10 log (16384 points)=92dB עבור רוחב תיבה FFT 32K.
הספק הרעש העצמי הכולל של ה-ADC כולל את הרעש התרמי המיוחס למבוא של ה-Track and Hold (), ואת רעש המתח המושרה על-ידי ריצוד שעון הדגימה.
3) חישובי FFT צליל כפול ב-1.5GS/s וביצועי IMD3 ב-Nyquist השני כנגד רמת המבוא.
מדידות FFT צליל כפול נערכו ב-1.5GS/s עם שני מיקומי צלילים ב-1450 מגה-הרץ, 1460 מגה-הרץ, (איור 8), המראות את מוצרי האפנון ההדדי השונים עם רמות צלילים במבוא של -7dBFS (= מסוכם וקטורית). ביצועי ה-IMD3 נתונים על-ידי איברי המוצרים של האפנון ההדדי מסדר שלישי (ללא סינון) (2F1-F2, 2F2-F1) קרוב לגל הנושא, והוא 67.6dBc (שזה קרוב לליניאריות של 11 ביט).
ביצועי יחס הספק הרעש רחב-פס של ADC ביט, 1.5GS/s
סוגיות כלליות ביחס הספק הרעש (Noise Power Ratio – NPR)
הביצועים הדינמיים של ADC בעל מבוא רוחב-פס רחב מאופיין לעתים על-ידי מדידת גודל הידוע כיחס הספק רעש (NPR). ביישומי ADC בהם אות המבוא כולל מספר רב של צלילים לא-קוהרנטיים או אותות בעלי רוחב-פס צר, רצוי ככלל שהעיוות בשל שילוב רכיבי האותות החזקים, לא יפריע לגילוי רכיבי אותות חלשים יותר. דוגמה של אות מבוא כזה הוא זה המכיל מספר רב של ערוצי חלוקת תדר מרובבים (frequency division multiplexed – FDM), המסודרים לפי התדר לשם שידור אל ציודי מכ”ם: לדוגמה, מאות ערוצים יכולים להיות מסודרים בתוך חריץ 500 מגה-הרץ, UWB רחב-תדר. עבור NPR של ADC אידיאלי, רק רעש הכימות נחשב: הקשר בין NPR רחב-פס ו-SNR צליל יחיד נתון על-ידי:
הנותן: NPR=SNR-20log(k)+3dB כאשר A/k הוא רמת ה-rms של האות המרוכב (composite) בפס רחב (המכונה גם גורם העמסה). לגבי ADC ממשי, ה-NPR הוא המדד של ההספק הספקטראלי של כל השגיאות RMS הנתרמות, כגון עיוות אפנון הדדי (הפרעת ערוצים מצטלבים), רעש כימות, רעש תרמי ורעש ריצוד, בחריץ תדר צר (רוחב ערוץ) בתוך התחום של האות המרוכב UWB 500 מגה-הרץ העובר כיבוד, הנותן:
לכן מוצג שקיים קשר הדדי אמיץ בין ENOB קטן בעל צליל יחיד (SINAD) ו-NPR:
את רמת ה-rms () של האות המרוכב 500 מגה-הרץ יש למקם בשיא מיטבי של גורם ההעמסה rms k=5 של הסקאלה המלאה של ה-ADC ביט, עם 20log(k)=14dBFS, כדי למנוע rolloff בשל השפעת ההצמדה של הסקאלה המלאה של ה-ADC (רעש רוויה), כאשר מניחים פונקציית צפיפות ההסתברות ה-גאוסיאנית עבור פילוג אמפליטודת האות [2]. לכן, ה-NPR מייצג את ביצועי ה-ADC במצב של דיגיטיזציה של תבניות UWB 500 מגה-הרץ עם קצב עדכון של 1.5GS/s.
1) מדידת יחס הספק הרעש ב-ADC
תוצאות מדידת NPR של ה-ADC ביט 1.5Gsps יוצגו בכנס. ה-NPR הצפוי הוא 47dB עד 48dB, בקשר הדוק עם ה-ENOB 9.3 ביט (57.6dB SINAD) הנמדד ב-8dBFS- עם 1.5Gsps ו-Fin=1490 MHz. לשם הדגמה, ה-NPR הנמדד של ADC 10 ביט 1.5Gsps (שתוכנן גם על-ידי e2v) מוצג באיור 9 ב-1.5GS/s עם תבנית של 600 מגה-הרץ וחריץ (notch) של 20 מגה-הרץ.
ה-NPR הנמדד הוא 44dB עם -13dBFS גורם בעמסה מיטבי, שהוא שווה ערך ל-8.65 ביט, הקשור חזק ל-ENOB צליל יחיד הנמדד עבור ADC ביט זה ב-8dBFS-.
סוגיות זיווד ובדיקה
קצבי הדגימה המוגברים גם יצרו אתגרים חדשים בעיצוב זיווד ה-HF והבדיקה התעשייתית. ה-ADC ביט מזווד ב-fPBGA 196, שתוכנן על-ידי e2v בעזרת תוכנת 3D-HF. צריכת ההספק המרבית של ה-ADC היא 3.2 ואט. ה-SNR וה-SFDR שנמדדו הם שטוחים ב-1dB בתחום טמפרטורה רחב (מטמפרטורת צומת של -55C Tcase עד ל-Tj=+125C), המהווים הקלה על אילוצי הקירור התרמי של השבב. ה-ADCs מזוודים תעשייתית ומסוככים במהירות הפעלה מלאה (1.5GS/s) ב-Nyquist הראשון והשני.
סיכום
ADC ביט 1.5GS/s בעל רוחב-פס מבוא בהספק מלא של 2.3 גיגה-הרץ אופיין
ב-1.5GS/s ב-Nyquist הראשון והשני. הספק המבוא הנמוך בסקאלה מלאה מאפשר הזנה של ה-ADC על-ידי מגברי שבח משתנה תקניים. ה-ADC מציג ביצועים גבוהים יציבים בתחום טמפרטורה מורחב
(Tc=-55C עד Tj=+125C) ללא צורך בכיול כלשהו. דבר זה מאפשר דגימה ישירה של אותות ברוחב 500 מגה-הרץ עם רזולוציה מעל 9 ביט ותדרי מרכז הממוקמים עד לתחום L, ומפשט את מורכבות, עלות וממדי מקלטי המכ”ם עם גמישות מוגברת, הכוללים יישומי אוויר וחלל כאחד.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת אלקטרונדארט נציגת E2V בישראל.
המחברים מבקשים להודות לצוותים השונים המועסקים בפיתוח של מעגלי ה-ADC -ביט בטכנולוגיית SiGeC, על תרומתם למושגי הארכיטקטורה וההדמיות החשמליות, מערך וטופולוגיה, מחקרים על-ידי אפיון, זיווד HF ודגימה תרמית, ובדיקה תעשייתית. לבסוף, המחברים אסירי תודה ל-Infineon על הספקת תמיכה מסייעת בטכנולוגיית B7HF200 SiGeC 200 גיגה-הרץ, ועבור ייצור השבב.
Marc Wingender, e2v
High Reliability Semiconductor Division
Saint-Egreve, France.
Nicolas Chantier, Sandrine Nicolas, Khaled Salmi, Richard Morisson, Remi Laube, Pierre Coquille
(מחברי-משנה)
e2v (High Reliability Semiconductor Division), Saint-Egreve, France
סימוכין
[1] J.Böck, H.Schäfer, K.Aufinger, R.Stengl, S.Boguth, R.Schreiter,
M.Rest, H.Knapp, M.Wurzer, W. Perndl, T.Böttner, and T.F. Meister,
“SiGe bipolar technology for automotive radar applications” in Proc.
Bipolar/BiCmos Circuits and Technology Meeting (BCTM).,Montreal,
Canada, Sep. 2004, pp.84-87.
[2] Glenn A. Gray, Gene W. Zeoli, “Quantization and Saturation Noise
Due to Analog-to-Digital Conversion” IEEE Transactions on Aerospace
and Electronic Systems of Solid-State Circuits, January 1971
