Diseño y prueba de convertidores de datos: sus desafíos
A medida que los convertidores de datos están cada vez más reemplazando los sistemas tradicionales de RF en el rango de los GHz, es necesario centrarse en la validación de los convertidores D/A y A/D para estos casos de uso mejorados. Dado que los convertidores sirven como dispositivos de enlace entre los dominios analógico y digital, cualquier sistema solo es tan bueno como el convertidor. Un procesador rápido y un amplificado perfecto son inútiles si los convertidores D/A y A/D no pueden mantener o introducir un ruido y una distorsión significativos.
Las nuevas generaciones de convertidores de datos de alta velocidad están diseñadas para satisfacer la demanda de anchos de banda y velocidades de transferencia cada vez mayores y ponen nuevas exigencias en la velocidad del reloj y en la potencia de procesamiento digital. Al mismo tiempo, factores como la baja latencia, el bajo consumo energético y la eficiente disipación de calor añaden desafíos adicionales durante el desarrollo y verificación de los diseños electrónicos y de RF.
Validar tanto los convertidores D/A como los A/D, así como probar el consumo energético del diseño, requiere de mediciones precisas de diversos parámetros clave.
Entre los parámetros clave en los diseños de convertidor se tiene:
- Relación seña/ruido (SNR): define la sensibilidad del convertidor al comparar el nivel de la señal deseada con el nivel del ruido fondo. Es un parámetro de suma importancia al momento de verificar tanto el sistema de RF como el de microondas, ya que una relación señal/ruido más alta significa que el convertidor puede distinguir con mayor claridad las señales del ruido. Esto da como resultados una mejor calidad de señal de salida.
- Rango dinámico libre de espurios (SFDR): representa la relación entre la potencia de la señal y la distorsión de espurios más alta. Un mayor SFDR indica un mejor rendimiento a la hora de minimizar las señales espurias no deseadas, lo cual es fundamental para mantener la integridad de la señal en sistemas que requieren una amplia gama dinámica.
- El número efectivo de bits (ENOB): combina la SNR y el SFDR en una sola medición. Se define principalmente por el valor del SFDR e indica la cantidad de bits que son realmente útiles en la aplicación objetivo, sin importar la resolución teórica del convertidor. Puede calcularse aproximadamente como ENOB = SFDR/6.02 + 1.76 dB
- Respuesta en frecuencia: describe como la parte analógica del convertidor se comporta en cuanto a sensibilidad y cobertura de frecuencia en diferentes frecuencias de señal y anchos de banda. Asegura que el proceso de conversión se mantenga preciso y coherente en toda la gama de señales de entrada previstas.
Además, diversos factores externos en el diseño objetivo afectan de manera significativa el rendimiento del convertidor. Esto incluye:
- Calidad de la señal de reloj controla la sincronización del convertidor. El ruido de fase, el jitter, los tonos espurios y otras distorsiones en el reloj afectan directamente la precisión de la señal de salida del convertidor.
- Fuente de poder de corriente continua: proporciona la potencia necesaria para el convertidor y aunque a menudo no se la toma en consideración, es tan importante como la señal del reloj. Es esencial contar con una adecuada integridad de potencia de la fuente de poder de corriente continua para mantener una señal del convertidor limpia y precisa.
- Integridad de señal en el módulo: cualquier diafonía o interferencia en el diseño objetivo interactuará y afectará la calidad de la señal en torno al convertidor.
Como se mencionó anteriormente, los nuevos convertidores tienen la capacidad de muestrear señales de RF directas y a menudo se los denomina convertidores D/A de frecuencia o A/D de frecuencia. En el caso de estos dispositivos, entra a tallar toda la gama de pruebas de RF. Para los convertidores de datos, en este campo, existen dos indicadores clave de rendimiento (KPI) destacados:
- Las pruebas de intermodulación con una señal de dos tonos es el enfoque que se utiliza para determinar las capacidades y la distorsión de RF.
- En casos de uso específicos, se lleva a cabo la validación de la magnitud del vector de error con la forma de onda objetivo a fin de asegurar una baja tasa de errores de bits.
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 cuanto a velocidad de reloj y capacidad de procesamiento digital. Otros aspectos como el bajo consumo de energía y la disipación térmica conllevan a desafíos adicionales durante el desarrollo y la verificación de los diseños de sistemas electrónicos y de radiofrecuencia.
