1 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)

引言

Xilinx RFSoC 平臺(tái)集成了多達(dá) 16 個(gè)高速射頻采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器器件。這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器支持高達(dá) 7GHz 甚至更高的信號(hào)頻率。由于在一個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)了這種級(jí)別的通道集成，因此傳統(tǒng)的無(wú)源平衡-非平衡變壓器接口與增益級(jí)耦合會(huì)引發(fā)物理布板空間問(wèn)題。要將所有元件靠近具有如此多通道的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器引腳放置是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。此外，變壓器和平衡-非平衡變壓器傳統(tǒng)上具有窄帶。因此，雖然數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器器件支持寬頻率范圍，但實(shí)際設(shè)計(jì)會(huì)受到平衡-非平衡變壓器帶寬性能的限制。

德州儀器 (TI) 的 TRF1208 和 TRF1108 器件引入了寬帶有源平衡-非平衡變壓器。TRF1208 支持 ADC 接口的單端到差分轉(zhuǎn)換。TRF1108 支持差分至單端轉(zhuǎn)換，能夠?yàn)榘l(fā)送器器件提供更高的輸出功率。這些器件尺寸小巧 (2mm × 2mm)，與市場(chǎng)上一些較小的無(wú)源平衡-非平衡變壓器相當(dāng)。更重要的是，這些器件都是寬帶器件，工作頻率幾乎高達(dá) 12GHz。通過(guò)這一個(gè)接口，無(wú)需修改主要元件即可支持所有頻段。如果需要針對(duì)特定頻率或布局拓?fù)鋬?yōu)化該接口，只能修改少量無(wú)源匹配元件。

本報(bào)告使用相應(yīng)器件的已發(fā)布 S 參數(shù)補(bǔ)全了仿真接口，以演示 TRF1x08 和 Xilinx RFSoC 之間的性能預(yù)期。這些仿真使用 Agilent? 的 ADS 電路仿真。這些仿真包括一個(gè)真實(shí)的互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以考慮將器件連接在一起所需的真實(shí)布線長(zhǎng)度。Xilinx RFSoC S 參數(shù)反映了 ZCU670 開(kāi)發(fā)板。這些參數(shù)可通過(guò) Xilinx 網(wǎng)頁(yè)獲得。TRF1x08 S 參數(shù)可從 TI 網(wǎng)站上各自的產(chǎn)品頁(yè)面中獲得。

RFSoC 接收器

圖 1-1 展示了包括互連走線在內(nèi)的接收器電路拓?fù)?。其目的是展示一種使用 0201 尺寸無(wú)源器件的緊湊型設(shè)計(jì)。默認(rèn)情況下，差分走線彼此靠近。差分走線建模為具有指定寬度和間距的耦合線路，從而保持 100Ω 的差分阻抗?；宓母叨榷x為 8mil，介電常數(shù)為 4.1。高度保持在 8mil 至 10mil 范圍內(nèi)，以使布線寬度保持相對(duì)較小，但從頂層到接地層提供足夠的間距，以盡可能地減小平面電容，從而在更高的頻率下人為地降低性能。

電容器模型是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的理想元件。如果需要，可以使用實(shí)際電容器的 S 參數(shù)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)高工作頻率。對(duì)于高頻匹配電路，可以使用 AVX AccuP 系列等高品質(zhì)高頻微波電容器。電感器元件是一個(gè)純電感器，其中包含損耗因子參數(shù) Q。同樣，此處可以使用特定電感器的器件特定 S 參數(shù)文件。Murata? LQP03 系列等高品質(zhì)微波電感器在高頻下工作良好。

圖 1 RFSoC 接收器仿真電路圖

串聯(lián)電阻器 R7 和 R8 提供較小的串聯(lián)電阻，來(lái)保持放大器的穩(wěn)定運(yùn)行。電容器 C5 和 C6 是直流阻斷電容器；應(yīng)根據(jù)工作頻率來(lái)選擇這些電容器的值。元件 C1 和 C2 以及 L3 和 L4 表示匹配電路。除了匹配外，L3 和 L4 與 C1的組合提供了一個(gè) L-C 低通抗混疊濾波器，來(lái)衰減放大器輸出的寬帶噪聲或雜散?；ミB的布線長(zhǎng)度表示連接 0201 尺寸元件的最小長(zhǎng)度，同時(shí)保持貼片制造所需的足夠禁止間距。

圖 1-2 展示了每個(gè)仿真的物理布局表示。

圖 2 RFSoC 接收器布局界面

該仿真的目的是實(shí)現(xiàn)良好的寬帶回波損耗性能，尤其要注意高達(dá) 7GHz 頻帶的性能，其中器件（和電路板）的寄生效應(yīng)開(kāi)始明顯影響并降低整體性能。該仿真會(huì)從 1GHz 掃描到 10GHz，這是 RFSoC S 參數(shù)文件中提供的頻率限制。低頻時(shí)，性能良好；在這些頻帶中，無(wú)需特定的匹配元件。這些器件可以簡(jiǎn)單地與適當(dāng)?shù)慕涣黢詈想娙萜骱涂够殳B濾波器級(jí)聯(lián)在一起。在 7GHz 左右的更高頻率下，匹配元件會(huì)提高性能。圖 1-3 展示了采用仿真原理圖中匹配拓?fù)浜椭禃r(shí)仿真的回波損耗性能。

圖 3 復(fù)合 RX 回波損耗性能

復(fù)合回波損耗性能在 8GHz 以下范圍內(nèi)大多優(yōu)于 –15dB，而在 10GHz 以下范圍內(nèi)則優(yōu)于 –10dB。

RFSoC 發(fā)送器

對(duì)發(fā)送器的類似分析使用 Xilinx RFSoC 和 TRF1108 發(fā)送器有源平衡-非平衡變壓器的 RF-DAC S 參數(shù)。對(duì)于發(fā)送側(cè)，DAC 和放大器之間不存在濾波問(wèn)題。此設(shè)計(jì)在發(fā)送線路的更下方包含適當(dāng)?shù)臑V波。DAC 的輸出差分阻抗本身就很好，TRF1108 放大器的差分輸入也是如此。這兩者之間對(duì)匹配電路的需求極低。相應(yīng)地，與 RX 情況相比，可以省去一些元件，從而簡(jiǎn)化輸出拓?fù)?。接口電路將一個(gè)小型分流電容器保持在靠近 DAC 器件引腳、一個(gè)串聯(lián)耦合電容器和一個(gè)串聯(lián)電阻器的位置。TRF1108 的單端輸出阻抗在較高頻率下會(huì)偏離 50Ω。此設(shè)計(jì)主要在 7GHz 以下范圍內(nèi)工作。輸出端口與分流電容匹配，以改善該頻率下的回波損耗。圖 1-4 展示了發(fā)送器電路拓?fù)?，?a xmlns:opentopic="http://www.idiominc.com/opentopic" class="xref" href="#GUID-3251AD60-2ECC-4761-A052-DF2ED4A3FB70">圖 1-5 展示了 RF-DAC 和差分放大器輸入之間的物理布局。

圖 4 RFSoC 發(fā)送器仿真電路圖

圖 5 RFSoC 發(fā)送器布局界面

與接收器情況類似，仿真頻率從 1GHz 掃描到 10GHz。圖 1-6 展示了輸出回波損耗?；夭〒p耗主要由放大器的 S22 性能決定。借助匹配元件，5GHz 至 8GHz 范圍內(nèi)的輸出回波損耗優(yōu)于 10dB，并在 7GHz 頻率下更出色。調(diào)整輸出電容器會(huì)略微改變優(yōu)化點(diǎn)。由于輸入和輸出之間存在放大器隔離，RF-DAC 和放大器輸入之間的匹配修改不會(huì)顯著影響輸出回波損耗。也就是說(shuō)，放大器用作一個(gè)良好的緩沖器件。圖 1-6 展示了在放大器匹配位置時(shí)的回波損耗性能。

圖 6 復(fù)合 TX 回波損耗性能

結(jié)論

每個(gè)器件本身都具有良好的寬帶阻抗性能。正如預(yù)期的那樣，由于設(shè)計(jì)和封裝中存在內(nèi)部寄生元件，較高頻率下會(huì)出現(xiàn)性能下降。通過(guò)進(jìn)行適當(dāng)匹配，可以在更高的目標(biāo)頻率下提高性能。

每種設(shè)計(jì)都是不同的。本報(bào)告中的仿真旨在用作指南。每種布局都具有不同的 PCB 堆疊配置，這會(huì)影響布線寬度以保持所需的特性阻抗。設(shè)計(jì)中可能存在其他決定布線長(zhǎng)度的因素。可以針對(duì)任何特定配置使用和修改電路拓?fù)?，以獲得近似值。此拓?fù)錇檫m當(dāng)匹配的元件提供了占位符，在考慮 PCB 板中不可預(yù)測(cè)變化或模型內(nèi)不準(zhǔn)確情況下的實(shí)際電路板測(cè)量值后，可以進(jìn)行細(xì)微調(diào)整。

參考文獻(xiàn)

Xilinx Incorporated，UltraScale 架構(gòu) PCB 設(shè)計(jì)用戶指南，資料來(lái)源：https://docs.xilinx.com/r/en-US/ug583-ultrascale-pcb-design/UltraScale-Architecture-PCB-Design-User-Guide
Xilinx Incorporated，ZCU670 評(píng)估板用戶指南 (UG1532)，資料來(lái)源：https://docs.xilinx.com/r/en-US/ug1532-zcu670-eval-bd/Zynq-UltraScale-RFSoC-XCZU67DR