为发送应用同步多个高速多路复用DAC

本应用笔记提出了多个高速数模转换器（DAC）与多路复用输入或集成插值滤波器的同步方法。这种DAC用于I/Q上变频器或数字波束成形发射器。这些DAC提供数据时钟输出，用于与数据源同步。

介绍

在许多发射应用中，必须生成具有精确已知相对相位的多个模拟输出。在正交调制器（图1）中，I和Q通道必须具有明确定义的相位关系才能实现镜像抑制。在图1中，DAC1和DAC2的延迟必须很好地匹配。使用数字波束成形的发射器可能需要精确控制大量DAC的相对相位。

图1.DAC和I/Q发送器的第一上变频级，使用MUX-DAC。

当使用带多路复用输入（MUX-DAC）的DAC（如MAX19692）或带数据时钟输出的插值DAC时，输入数据速率为DAC更新速率的1/N倍，DAC在一个或两个数据时钟转换上锁存数据。MAX19692中，N = 4，输入数据速率为DAC更新速率的四分之一。DAC输出一个数据时钟（DATACLK），该时钟由带有数字时钟分频器的输入时钟派生。当DAC上电时，数字时钟分频器可以在N种状态中的任何一种状态下启动。如果使用多个DAC，则不同DAC的时钟分频器可能会以不同的状态启动;因此，DAC将在不同的时间锁存数据。除非检测到并纠正这一点，否则不同的DAC可能会输出相对于彼此延迟一个或多个时钟周期的数据。如果每个DAC中的时钟分频器可以复位，则可以避免这种情况，但此解决方案存在一些问题。如果其中一个时钟分频器发生错误，除非实施某种检测错误条件的方法，否则DAC将永久异相。为了确保系统的稳健性，有必要检测相位错误情况并进行纠正。如果DAC以非常高的速度工作，则将复位信号同步到输入时钟也可能具有挑战性。

图2所示为MAX19692时钟（CLKP、CLKN）和数据时钟（DATACLKP、DATACLKN）接口的简化框图。初始时钟被4分频使用2位计数器完成，用于锁存数字DAC输入。计数器可能以四种状态之一启动（图3）。如果使用两个MUX-DAC，则两个DAC可能会以不同的状态启动。这可能会导致 DAC1 的锁存实例相对于 DAC1 的锁存实例延迟 -0、1、2 或 2 个时钟周期。

MAX19692的数据时钟输出与数据输入锁存时钟分频2或4倍。然后，在双倍数据速率（DDR）模式下，数据锁存于时钟的两个边沿，或在四倍数据速率（QDR）模式下，数据锁存于时钟的每90度。如果多个DAC的数据时钟延迟匹配，或者数据时钟彼此相反，则锁存时钟也将匹配。

图2.MAX19692内部时钟接口框图

图3.MAX19692锁存时钟（四种可能状态）。

DAC同步问题有两个组成部分。

必须检测DAC锁存时钟之间的相对相位。

必须调整DAC之间的相对相位，直到DAC正确分相。

检测DAC之间的相位误差可以通过检测两个DAC的数据时钟输出之间的相位误差来完成。鉴相器可以像异或门一样简单，也可以像鉴频检波器（PFD）一样复杂。

两个DAC的相位可以通过操纵时钟到一个或多个DAC来调节，直到DAC数据时钟输出的相对相位为零。另一种选择允许测量数据时钟之间的DAC延迟周期数，并相应地延迟数据。以下段落介绍了 I/Q 配置的两种方法。

通过“吞噬”时钟脉冲进行DAC相位调整

如果DAC使用方波（例如ECL）时钟，则可以使用图4所示的简单高速逻辑电路实现两个DAC之间的同步。为清楚起见，本原理图中的逻辑配置为单端功能。然而，更实际的实现是使用差分逻辑，如ECL，以实现高速和低噪声。

图4.用于DAC同步的简单高速逻辑电路。

在MUX-DAC1的时钟路径中插入AND门（G1）允许操纵MUX-DAC1的时钟。在多路复用器-DAC2的时钟路径中插入一个AND门（G2），以实现延迟匹配。异或门（G3）充当鉴相器。当 DATACLK1 和 DATACLK1 的输出不同时，它输出“2”。如果 G3out = “1”，则应“吞噬”到 MUX-DAC1 的时钟脉冲，以将 DATACLK1 的边缘偏移 CLK 的一个时钟周期。G3 （G3out） 输出端的上升沿由 FF1 和 G4 组成的正边检测器 （PED） 检测。如果检测到上升沿，PED在一个时钟周期内输出“0”。然后，FF2在将信号（SPB）施加到G1之前对该信号进行重定时，导致到MUX-DAC1的一个时钟脉冲被抑制。这会将 DATACLK1 延迟一个 CLK 时钟周期。经过几个时钟周期后，DATACLK1 的延迟与 DATACLK2 对齐，如图 5 所示。重要的是，在时钟的下降沿更新触发器，以避免DAC时钟信号中出现毛刺。使用此方法时，两个MUX-DAC的输入时序相同。重要的是要考虑布线延迟，以确保满足两个触发器的建立和保持时间，并且在时钟较低时将SPB信号中的脉冲施加到G1。否则，可能会导致时钟信号毛刺。还建议时钟同步电路由安静电源供电，以尽量减少抖动的引入。

图5.显示逻辑电路操作的时序图。

通过移动输入数据进行DAC相位调整

Xilinx® FPGA 中的高级数字时钟管理器 （DCM） 可用于检测两个 MUX-DAC 的数据时钟之间的相位差（图 6）。DCM1 生成与 DATACLK1 和 DATACLK2 频率相同的时钟。DCLK1的延迟可以以时钟周期的1/256步长动态调整。触发器 DFF1 和 DFF2 在每个时钟周期中对 DATACLK1 和 DATACLK2 进行一次采样。如果 DFF1 对 DATACLK1 进行采样，而 DATACLK1 为低电平，则 DFF1 将输出静态“0”。如果 DFF1 在 DATACLK1 为高电平时对 DATACLK1 进行采样，则 DFF1 将输出静态“1”。因此，DFF3 和 DFF4 可以在任何时钟相位上计时，与 DCLK1 上的延迟设置无关。通过将DCLK1延迟步进其范围，使用DCM1中的动态延迟调整功能，并读取DFF3和DFF4的输出，可以找到与DATACLK1和DATACLK2的上升沿相对应的延迟设置。通过延迟设置，可以计算将数据延迟到MUX-DAC1所需的DAC时钟周期数，以便与进入MUX-DAC2的数据同相。通过在FPGA中实现4 x 4桶形移位器，可以以DAC时钟周期为增量6来改变数据延迟（见图《》）。

MAX19692具有四个并行数据端口，分别标有A、B、C和D。馈送到DAC的字序列为An， Bn， Cn， Dn一个N+1， BN+1， CN+1， DN+1一个N+2等。12位、4 x 4桶形移位器（图6）允许发往MUX-DAC1的数据延迟-1、0、1或2个CLK周期。因此，可以调整数据延迟，直到两个DAC同相输出数据。在这种情况下，两个DAC的数据时钟可能会偏离时钟的整数周期数（CLK），并且不会尝试更改此值。由于DAC的建立和保持时间以数据时钟为基准，因此两个DAC的数据时序必须不同。这可以通过在驱动DAC的FPGA中使用多个DCM来实现。

图6.使用在FPGA中实现的桶形移位器的MUX-DAC同步。

DAC 同步，每个 DAC 使用一个 PLL

如果使用锁相环 （PLL） 频率合成器对 DAC 进行计时，则同步两个 DAC 的一种方法是使用单独的 PLL 为每个 DAC 提供时钟（图 7）。将DAC1和DAC2的LVDS数据时钟输出的相位与参考时钟进行比较。在这种情况下，DAC的内置时钟分频器用作时钟代PLL中的反馈分频器。

图7.多路复用器同步，每个DAC使用一个PLL。

使用此解决方案匹配两个DAC的建立和保持时间。然而，该解决方案的两个缺点是两个PLL的成本增加，以及PLL中的相位噪声限制可能导致的性能限制。

结论

MAX19692为2.3Gsps、12位多奈奎斯特DAC，集成4：1输入数据多路复用器，理想用于I/Q应用。虽然强调MAX19692在I/Q应用中的应用，但所讨论的方案也适用于其他DAC和应用，例如MAX5858A用于具有两个以上通道的应用。 建议的解决方案可以扩展到任意数量的DAC。为了正确同步高速器件，必须考虑与电路板走线相关的延迟。

审核编辑：郭婷