Szybkie, niskoszumowe przetworniki cyfrowo-analogowe

Urządzenia z układami scalonymi nie są komponentami idealnymi, i tak też jest w przypadku DAC. Szum i nieliniowość urządzenia uniemożliwiają domenie częstotliwości czystego sygnału analogowego skoncentrowanie całej mocy na żądanej częstotliwości. W architekturze systemów do pomiaru stosunku sygnału podstawowego do największego szumu lub odkształcenia harmonicznego stosuje się pojęcie zakresu dynamicznego wolnego od zafałszowań (SFDR).

Aby poprawić działanie i niezawodność DAC, w ramach projektu HSDAC (A 16-bit, 2 giga -sample-per-second, digital-to-analog converter with 85 dB SFDR at Fout=400MHz) naukowcy przeprowadzili szeroko zakrojone prace zmierzające do zmniejszenia SFDR przy wysokich częstotliwościach. Celem było uzyskanie wartości SFDR wynoszącej 85 dB, czyli 9 dB więcej niż w przypadku najlepszego DAC dostępnego w 2014 r. Utrzymanie SFDR na niskim poziomie uniemożliwia przekaźnikowi przesyłanie zafałszowanych sygnałów do sąsiednich pasm częstotliwości drogą powietrzną czy przez przewody.

Naukowcy wykorzystali różnorodne techniki, takie jak ekstrakcja sygnałów niepożądanych, analiza metodą Monte Carlo czy analiza rozrzutów, aby zaprojektować 16-bitowy dwukanałowy DAC o małej mocy. Poprzez optymalizację rozmiarów tranzystorów, minimalizację wielkości układów przełączających oraz ograniczeniu opóźnień czasowych posegmentowanych źródeł prądu uzyskano wartości SFDR mniejsze niż 78 dB przy 240 MHz. Po zwiększeniu częstotliwości próbkowania sygnału, a tym samym uzyskaniu częstotliwości wyjściowej 1,1 GHz, oraz oczyszczeniu drzewa zegara zespół uzyskał SFDR 85 dB przy niskim wahaniu sygnału wyjściowego. Zaprojektowano także interfejs o dwukrotnie większej prędkości przesyłu danych i filtr cyfrowy o właściwościach kwantyzacji, wspierające SFDR 95 dB.

Oprócz pierwszego DAC wykorzystującego podwójne kaskodowe źródła prądu zaprojektowano inny przetwornik, w którym prąd wyjściowy wychodzi z odwróconej kaskody. Zastosowano różne metody, aby zminimalizować przesłuch. Potrzebne są dalsze iteracje układu w celu uzyskania wyniku lepszego niż 85 dB SFDR w symulacjach.

Do otrzymania bardziej dokładnych kształtów fali przy wysokich częstotliwościach potrzebne jest określenie i zrozumienie mechanizmów powstawania błędów w DAC. Projekt HSDAC wniósł bardzo istotny wkład w tę dziedzinę, przyczyniając się do powstania licznych publikacji.