Uno dei frutti più significativi della collaborazione tecnologica tra National Instruments e Tektronix lo si può ammirare nei digitalizzatori PXIe-5185/86, dei moduli in formato PXI che offrono una larghezza di banda dino a 5 GHz con frequenze di campionamento di 12,5 GS/s.

Collaborando nella progettazione dei digitalizzatori PXIe-5185/86 di National Instruments, Tektronix ha:

1. progettato un circuito di ingresso (front end) analogico completo e ad elevata larghezza di banda
2. integrato il convertitore ADC a elevata frequenza di campionamento di Tektronix nell’architettura PXI

Sviluppo del circuito d'ingresso analogico

Uno delle maggiori aree di investimento tecnologico di Tektronix nei circuiti ASIC analogici è la progettazione dei relativi stadi di ingresso (front end) quali i preamplificatori e i circuiti limitatori di tensione.

Per sviluppare uno stadio di ingresso analogico che sia in grado di rispondere a una vasta gamma di applicazioni e funzionalità di misura, da quelle scientifiche ad alta precisione degli esperimenti di fisica a quelle a larga banda richieste nel collaudi di produzione, oppure a larghissima banda tipiche del settore difesa e aerospazio come i radar, il progettista deve far fronte ad una lunga lista di requisiti.

Lo stadio di ingresso end dovrebbe filtrare i componenti ad alta frequenza che distorcono il segnale reale. Sebbene questi segnali distorti possano essere identificati nel dominio delle frequenze, sono indistinguibili dai segnali reali nel dominio del tempo.

Gli oscilloscopi e digitalizzatori a larga banda utilizzano filtri che attenuano il segnale rapidamente al di fuori della loro banda passante per prevenire l’aliasing (equivocazione delle frequenze). Un filtro con una caratteristica di attenuazione ripida induce però tipicamente un un effetto di oscillazione (ringing) nella risposta al gradino. La progettazione di uno stadio di ingresso ad alte prestazioni richiede un delicato compromesso tra queste esigenze contrastanti.

La risposta in frequenza, dalla continua e su tutta la larghezza di banda, deve essere il più possibile piatta.Una risposta in frequenza piatta protegge contro i guadagni artificiali o attenuazioni dei componenti di segnale a varie frequenze.

La risposta al gradino deve produrre un livello minimo di sovralengoazione (overshoot) e ondulazione.

Il livello di rumore deve essere il più basso possibile. Si tratta di un requisito importante per gli utenti che lavorano nel dominio delle frequenze, che spesso necessitano della maggior gamma dinamica possibile per identificare i piccoli segnali; è inoltre importante per gli utenti che lavorano nel dominio del tempo che non possono sacrificare la risoluzione verticale.

Il livello di rumore teorico più basso è una funzione del rumore termico che tende ad avere una densità costante sulla frequenza ed è dipendente dalla temperatura. A 25°C, la densità spettrale di potenza del rumore termico è di -173.9 dBm/Hz. La densità media di rumore rappresenta la potenza del rumore su un'ampiezza di banda specifica.

Partendo da queste considerazioni, Tektronix ha sviluppato un ASIC per lo stadio di ingresso analogico e una relativo modulo d’ingresso per garantire offrire solide prestazioni in tutte queste aree.

Confronto tra la piattezza della risposta in frequenza

Può risultare difficile determinare le caratteristiche che descrivono la piattezza della risposta in frequenza per i digitalizzatori e gli oscilloscopi ma una volta identificate, vale la pena analizzarle con cura. A scopo illustrativo, consideriamo la piattezza della risposta in frequenza di un digitalizzatore della concorrenza in formato PXI 3U, chiamato come Digitalizzatore A. La tabella 1 mostra le specifiche principali del Digitalizzatore A.

Tabella 1 - Specifiche di alto livello per il Digitalizzatore A

Il produttore del Digitalizzatore A non fornisce le specifiche relative alla piattezza della risposta in frequenza del prodotto. I dati mostrati qui di seguito sono presi da un campione rappresentativo del Digitalizzatore A.

Fig. 1 - Risposta in frequenza Digitalizzatore A

Il grafico in Figura 1 mostra che il Digitizalizzatore A ha una larghezza di banda a -3 dB pari a 1,5 GHz. La curva di attenuazione sull’intera larghezza di banda mostrano che la risposta in frequenza rimane relativamente piatta ma scende di 1 dB a 700 MHz.

A questo punto alcuni picchi di amplificazione sono stati realizzati degli interventi per estendere l’ampiezza di banda del digitalizzatore. C'è una differenza di 2 dB nella risposta in frequenza da 700 MHz a 1,25 GHz.

A circa 1,25 GHz la curva ridiscende e raggiunge il punto di -3 dB a 1,5 GHz.

Sopra 1,5 GHz si presenta un altro problema. La risposta in frequenza rimane quasi piatta fino a quasi 2,25 GHz, dove si forma un altro picco prima di raggiungere i -10 dB a 2,8 GHz.

L'ampiezze delle componenti in frequenza del segnale sopra i 2 GHz, la cui attenuazione è ancora compresa tra -3 dB e -10 dB, rimane considerevole, e se il segnale è digitalizzato dal convertitore a 4 GS/s può generare frequenze immagine che creano fenomeni di equivocazione nel segnale.

Per facilitare il confronto e dimostrare le prestazioni ottenute utilizzando lo stadio di ingresso ASIC sviluppato da Tektronix, la Figura 2 mostra la risposta in frequenza del digitalizzatore PXIe-5186 National Instruments. Il grafico della Figura 2 è chiaramente incluso nel documento delle specifiche del digitalizzatore.

Fig. 2 - Risposta in frequenza digitalizzatore PXIe-5186

Il chip ASIC di ingresso nel digitalizzatore PXIe-5185/86 di National Instruments, lo stesso degli oscilloscopi Tektronix, garantisce una risposta in frequenza piatta che rimane entro 1 dB fino a una larghezza di banda di 5 GHz.

National Instruments ha selezionato un filtro di ingresso che garantisce buone caratteristiche anti-aliasing quando la velocità di campionamento è di 12,5 Gs/s. La Figura 2 mostra come il filtro di ingresso attenui rapidamente le frequenze oltre quella di taglio, raggiungendo i -10 dB a 6,25 GHz, e aumentando drasticamente l’attenuazione superato quel valore.

Convertitore ADC ad alta frequenza di campionamento

Il convertitore ADC utilizzato nei digitalizzatori PXIe-5185/86 di National Instruments lo stesso dei più potenti oscilloscopi Tektronix ed è stato realizzato sfruttando il processo produttivo in tecnologia SiGe 7HP di IBM.

Si tratta di un convertitore ADC a 8-bit di tipo quad-interleaved, una struttura a più stadi che incorpora una particolare architettura ad approssimazione successive con un ingresso a clock unico e una frequenza di campionamento massima di 12.5 GS/s.

Tramite il chip ASIC è possibile creare un digitalizzatore sia con 1 che con 2 canali di ingresso, con frequenze di campionamento di 12,5 GS/s (1 canale) e 6,25 GS/s (2 canali) e una larghezza di banda analogica totale di 5 GHz su entrambi i canali. Ciò permette il campionamento al doppio della frequenza di Nyquist per applicazioni di demodulazione di segnali I/Q.

Le prestazioni del convertitore ADC di Tektronix possono essere confrontate con alternative disponibili sul mercato tramite il parametro di merito di riferimento per la tecnologia ADC ad alta velocità, ovvero il numero effettivo di bit (ENOB). Il confronto in Figura 3 mostra i dati raccolti da Bob Walden di The Aerospace Corporation in una recente analisi sulla tecnologia ADC.

Fig. 3 - L’analisi sugli ADC confronta la risoluzione misurata dal numero effettivo di bit al variare della frequenza del segnale per un ingresso a tono singolo

Nella Figura 3 si nota che nell’intorno del gigahertz il convertitore ADC a 8 bit di Tektronix ha una maggiore risoluzione rispetto all’offerta dei concorrenti, inclusi alcuni ADC dotati di maggiore risoluzione nominale in bit ed è l'unico ADC commerciale che supera i limiti dell’ambiguità di apertura a 150 GHz (indicati dalla linea verde tratteggiata).

Le prestazioni del transistor sottostante e l’architettura ibrida dell’ADC permettono di ottenere più di 6 bit di ENOB per l’acquisizione di segnale a singolo tono a 6 GHz.

Incorporando il chip ADC ASIC di Tektronix nell’architettura del digitalizzatore, la prima sfida è stata quelle di mantenere le prestazioni di basso rumore dell’ADC stesso.

Per affrontare questa sfida, Tektronix e National Instruments hanno utilizzato l’ASIC dello stadio di ingresso che garantisce le prestazioni di rumore a basse frequenze di segnale e garantice il miglior valore di ENOB ottenibile dal digitalizzatore.

I digitalizzatori PXIe-5185/86 di National Instruments hanno una sorprendente risoluzione di 6,5 bit per segnali sotto i 10 MHz che è vicino al massimo ENOB ottenibile dal chip ADC ASIC. La seconda sfida, di portata maggiore, prevedeva la riduzione del rumore del digitalizzatore per segnali di ingresso ad alta frequenza.

Le prestazioni di rumore dei digitalizzatori per i segnali di ingresso ad alta frequenza vengono determinate dal jitter di campionamento. Il jitter di campionamento, chiamato anche rumore di fase, caratterizza le deviazioni di tempo nel processo di conversione analogico-digitale ed è il difetto caratteristico alle alte frequenze. Queste deviazioni di tempo possono provenire da imperfezioni all’interno dell’ADC, dal jitter del clock o da errori nella progettazione del sistema.

Per valutare l’impatto del jitter di campionamento, si rimanda all’analisi sugli ADC (Figura 3) condotta da Bob Walden. A titolo di esempio, consideriamo nuovamente il Digitializzatore A che specifica una larghezza di banda di 1,5 GHz e 10 bit di risoluzione verticale. Presi da soli, sembrano specifiche eccezionali, tuttavia non tengono in conto la degradazione per il rumore causato dal jitter. I 1200 fs RMS del jitter di campionamento del Digitalizzatore A sono un indicatore più accurato delle sue vere prestazioni.

Partendo dall’asse verticale, sulla linea dei 10-bit, la Figura 3 mostra che per un 1 ps di jitter di campionamento, la specifica di 10 bit è valida solo fino ai 100 MHz, dove la linea dei 10 bit si interseca con la linea rossa tratteggiata del jitter di 1 ps. Ora si osservi la linea rossa tratteggiata in basso e sulla destra. Alla larghezza di banda di 1,5 GHz dichiarata, il jitter di campionamento di 1200 fs ha degradato il livello di ENOB effettivo del digitalizzatore ad un massimo di 6 bit. Quando si prende in considerazione il rumore sull’intera banda, il livello di ENOB fornito dal digitalizzatore, che utilizza un convertitore ADC da 10 bit, scende a soli 5 bit a 1,5 GHz.

L’elevato livello di ENOB del chip ADC ASIC di Tektronix viene mantenuto dai digitalizzatori PXIe-5185/86 di National Instruments grazie al jitter di campionamento straordinariamente basso dei digitalizzatori. Il veramente contenuto jitter a 500 fs RMS dei digitalizzatori garantisce il ragguardevole valore di 5,5 ENOB a 5 GHz.

Tabella 2 - Confronto tra le prestazioni di rumore, jitter ed ENOB tra il digitalizzatore PXIe-5186 di National Instruments e un prodotto concorrente chiamato Digitalizzatore A

La tecnologia Tektronix applicata ai digitalizzatori di National Instrumenst

I chip ASIC dello stadio di ingresso e l’ADC utilizzato nel digitalizzatori PXIe-5185/86 di National Instruments sono tecnologie sviluppate e brevettate da Tektronix che sono state progettate per offre una maggiore fedeltà del segnale in applicazione con oscilloscopi e digitalizzatori.

Per oscilloscopi e digitalizzatori ad altà velocità, il livello di ENOB costituisce la il parametro di valutazione più importante per confrontare i livelli di rumore tra differenti alternative.

I chip per lo stadio di ingresso e la conversione analogico/digitale di Tektronix sono stati progettati per offrire le migliori prestazioni sul rumore, garantendo un alto ENOB su tutta la banda dei digitalizzatori offerti da National Instruments.

Note

1. Le specifiche del Digitalizer A sono disponibili pubblicamente.

2. La piattezza nella risposta in frequenza del Digitizer A prodotta è stata estrapolata in un laboratorio presso National Instruments. Le misure sono state prese dopo una fase di riscaldamento del dispositivo e ad auto calibrazione passata. Il generatore di segnale è stato configurato per produrre un'onda sinusoidale generata da un SMA100 di Rohde & Schwarz a 71% del full scale e con un range di input ad 1 Vpp. I livelli di potenza sono stati valitati tramite un misuratore NRP-Z91 di Rohde & Schwarz. National Instruments ha utilizzato la stessa procedura per validare le prestazione dei digitalizzatori NI PXIe-5185/86.

3. Le specifiche del PXIe-5185/86 di National Instruments sono state prese dal manuale disponibile su, http://digital.ni.com/manuals.nsf/websearch/148683C5194E43828625784F0077F2A8.