Diseño y test de convertidores de datos: los desafíos
Los convertidores de datos van sustituyendo gradualmente a los sistemas de RF tradicionales hasta el rango de los GHz, y esto plantea una creciente demanda de validación de los convertidores A/D y D/A para estos casos de uso avanzados. Puesto que los convertidores actúan como puentes entre el dominio analógico y digital, los sistemas son tan eficaces como lo es su convertidor. Un veloz procesador o un perfecto amplificador pierden todo su valor si el convertidor A/D o el convertidor D/A no están a la altura de sus funciones o introducen gran cantidad de ruido y distorsión.
Los convertidores de datos de alta velocidad de última generación están diseñados para satisfacer la demanda de mayores anchos de banda y velocidades de transmisión, y van ampliando los límites en cuestión de velocidad de reloj y potencia de procesamiento digital. Al mismo tiempo, factores como una baja latencia, bajo consumo energético y disipación eficiente del calor, añaden otros inconvenientes que hay que abordar en el desarrollo y la verificación de diseños electrónicos y de RF.
Para validar convertidores de tipo analógico-digital y digital-analógico, así como para verificar el consumo de energía del diseño, se requieren medidas precisas de diversos parámetros clave.
Los parámetros críticos del diseño de convertidores incluyen, entre otros:
- Relación señal/ruido (SNR): define la sensibilidad del convertidor comparando el nivel de la señal deseada con el nivel del ruido de fondo. Se trata de un parámetro fundamental a la hora de verificar sistemas de RF y de microondas, puesto que una SNR elevada significa que el convertidor es capaz de distinguir con mayor claridad las señales del ruido. El resultado es una calidad mejorada de la señal de salida.
- Rango dinámico libre de espurios (SFDR): representa la relación entre la potencia de la señal y la distorsión espuria más alta. Una SFDR más elevada indica un mejor rendimiento a la hora de reducir al mínimo señales espurias no deseadas, un aspecto esencial para mantener la integridad de señal en sistemas que requieren un amplio rango dinámico.
- Número efectivo de bits (ENOB): combina la SNR y el SFDR en una sola medida. Se define principalmente por el valor SFDR e indica cuántos bits se necesitan realmente en la aplicación de destino, independientemente de la resolución teórica del convertidor. Se puede calcular aproximadamente como ENOB = SFDR/6,02 + 1,76 dB
- Respuesta en frecuencia: describe cómo se comporta la parte analógica del convertidor en términos de sensibilidad y cobertura de frecuencias frente a distintas frecuencias de señal y anchos de banda. Garantiza que el proceso de conversión mantiene la precisión y uniformidad en todo el rango de señales de entrada posibles.
Además, diversos factores externos del diseño de destino repercuten de forma notable en el rendimiento del convertidor. Entre ellos se incluyen:
- Calidad de la señal de reloj: controla la temporización del convertidor. El ruido de fase, jitter, tonos espurios y otras distorsiones en el reloj repercuten directamente en la precisión de la señal de salida del convertidor.
- Alimentación de CC: suministra la potencia necesaria al convertidor y a menudo se pasa por alto, a pesar de que es igual de importante que la señal de reloj. La correcta integridad del suministro de corriente de la fuente de alimentación de corriente continua es esencial para mantener la pureza y precisión de señal del convertidor.
- Integridad de señal en la tarjeta: cualquier diafonía o interferencia en el diseño de destino interactúa y afecta a la calidad de señal que rodea al convertidor.
Como se ha indicado más arriba, los nuevos convertidores son capaces de muestrear directamente señales de radiofrecuencia, y se denominan a menudo convertidor A/D de RF o convertidor D/A de RF. Para estos equipos se necesitan todas las funciones de medida de RF. Existen dos indicadores clave de rendimiento (KPI) esenciales para los convertidores de datos en este campo:
- El test de intermodulación con una señal de 2 tonos es un método básico para determinar capacidades de RF y distorsión.
- En casos de uso específicos, se realiza una validación de la magnitud del vector de error (EVM) con la forma de onda de destino para garantizar una baja tasa de bits erróneos.
Las nuevas generaciones de convertidores de datos de alta velocidad dan respuesta a la necesidad de anchos de banda y velocidades de transmisión cada vez mayores y plantean requisitos cada vez más exigentes en relación a la velocidad de reloj y capacidad de procesamiento digital. Otros aspectos, como el bajo consumo energético y la disipación térmica, suponen desafíos adicionales durante el desarrollo y la verificación de los diseños de sistemas electrónicos y de RF.
