关于DAC 那些你不知道的事

  写在前面

  有源DAC在生成PAM-N信号方面有着不可替代的优势。在越来越多的应用场景下，有源DAC已经逐步取代了其他无源数模器件方案(如衰减器耦合)。不过，很多同学也有一些疑问，比如有源DAC与无源器件数模方案有什么区别、DAC对输入信号有什么要求、能否产生预加重的PAM信号等等。对于以上问题，本文将为大家依次解答~

  有源DAC和无源器件数模方案的区别

  虽然通过使用无源器件也可以生成PAM-4信号。但是，与有源DAC相比，有源DAC有更多优势。这里仅列举以下几点：

  ● 输出功率更大：

  有源DAC通常内置放大，从而能提供更大的输出信号幅度。而无源方案因为其最低有效位必须相应地衰减(通常>6dB)，而无法实现。

  ● 不受反射影响：

  有源DAC可以有效隔离反射信号的干扰，并且内置的锁存器进行采样还原，从而整形得到更完美的信号质量。而无源器件方案在所有方向都是透明的。这意味着，施加输入端的信号，不仅会出现在输出上，还会出现在其他的输入端。这会对输出信号质量产生影响。并且多次反射会相应地影响整个输出信号的质量(由于驱动源的输出反射系数(S22)不够理想)。一般通过在码型发生器的两个输出端同时接入衰减器，可以将这种影响弱化，但这又同时降低了输出电压。

  ● 宽松的延时精度要求：

  DAC对不同路输入信号的延时只需保证在一定范围内，即可产生完美输出信号，不需要严格匹配。而无源器件方案的输入端必须非常好地对齐，否则微小时延也会使输出信号失真。这对输入信号有精准时延控制的要求，甚至需要外部添加高精度延迟线，使用非常不方便。

  ● 离待测件更近：

  DAC可以如Remote Head一般，放置在非常靠近DUT的位置。延长电缆可以放在码型发生器和DAC之间。这些线缆引入的信号损伤不会影响DAC的输出。DAC还可以提供重新采样并整形，即使进行物理移动的同时也不会影响信号质量。而其他方案必须放置在非常靠近码型发生器输出的位置。这意味着，即使信号源提供了良好PAM-4信号，该信号也很可能需经过很长线缆才能传输到待测件。这将导致高速多电平信号的失真。

  ● 附加电平较少：

  SHF DAC至少具有3bit有效位，最新的DAC产品最高可以实现8bit有效位。其不仅仅可以输出常见的PAM-4信号，还有各种幅度不等的PAM信号，如PAM-5 / 8/16 /../ 64，多样的预加重的PAM信号等。而其他方案并不能实现。

  2 DAC对输入信号的要求

  SHF DAC需要输入二进制数据信号和与数据同频的时钟信号。

  所谓“同频”时钟，意思是时钟速度(以Hz为单位)必须与输入数据的速度(以bps为单位)相同。例如，想要产生60GBaud的8电平信号，就必须要有一个60 GHz时钟，再加上三个60 Gbps二进制数据信号输入到DAC。

  对于正确的操作，所有输入必须(a)相位对齐，对于某些应用，甚至(b)bit位也要对齐。 下图显示了一种完美的对齐方式。

  ● 相位对准

  所有SHF DAC都可以对输入信号重新采样并对其进行整形，其在输入信号失真和延时方面恢复及处理的能力非常强大，并且对输入信号质量要求不高，即使相位对准不如上图那样完美，也始终可以接收到一个完美的PAM信号。DAC可以很简单地得到每一个输入信号的相位对准，只需要用户进入软件控制界面即可控制进入DAC的相位，轻松解决时延困扰。

  ●Bit对准

  如果满足以上相位对准要求，则可以简单产生形状完美的PAM信号。

  但对于其他特殊应用，例如作为任意波形发生器(AWG)，不仅必须考虑相位对准，而且还要考虑逻辑位对齐。下图显示了输入D2的位对齐方式是不正确的，应将其移位-1Bit。

  在使用误差分析仪或示波器的时候，通常可以直接找出位流是否按位对齐。此外，对于SHF 12105A BPG，它可以完全控制位对齐。可在软件中自动设置完成完美的Bit对准。

  3 DAC可以生成带预加重的PAM-4信号

  我们可以从下面这个简单的示意图看到，如何使用一个4位的DAC完成此操作。

  如果SHF BPG配置了四路数据输出，则只需在软件中单击几下设置，而不需要其他硬件,就可以实现带预加重功能的PAM4眼图。

  如果SHF BPG仅配置了两路数据输出，则可用两路数据输出的data+分别给到D3,D2, 将data-分别通过延时线将数据延时1bit后给到D0和D1。

  预加重是一个非常强大的功能。下面是30 GBaud PAM-4信号在2.5米SMA电缆传输时，预加重效果的结果案例。

  如果没有预加重，一个完美的信号经过传输线后，恶化的眼图已经没办法睁开。有预加重后的信号，在经过传输线后，信号依旧比较完美。

  4 DAC在逻辑上是怎么工作的

  数模转换器(DAC)是将数字信号转换为模拟信号的设备。它采用二进制输入位，对每个二进制位设定权重并将其相加。由于芯片设计上最新的3R再生功能(重新采样，重新整形、重新放大)，DAC作用更加强大。举个例子，3bit DAC如下图，先标准化某个电压电平，然后通过添加其它电平来实现不同幅度输出，最后完成对称设置(即在输出电平之间具有相同的幅度间隔)

  这个方案对于各类bit DAC 均适用。例如6bit DAC，对于6位DAC，其输出电平为2^6=64。使用的bit越多，输出的电平就越多(同时也意味着分辨率越高)。

  5 如何使用更少bit的SHF DAC

  SHF DAC的bit位数由输入通道决定，例如，如果想生成PAM-4信号，仅需要两个输入信号输入DAC即可。当仅有一个输入位输入时，DAC将作为二进制D型触发器来使用。建议使用DAC的最高有效位，此时DAC的输出幅度最大，信噪比最优。

  6 DAC可以实验非对称眼图输出

  对于一个3位DAC，输出电压Uout与输入数据D1，D2和D3之间的关系计算如下：

  Uout=D0 · a0 + D1 · a1 + D2 · a2

  DAC的输出幅度是由输入的D1、D2和D3电压权重累加的，如下图所示：

  堆区每个单独输入位的幅度权重可通过GUI中的相应滑块进行调整。电压权重值最小值是最大值的一半。

  对于一个bit DAC(即输出PAM4信号)，输出电压Uout与输入数据D1和D2之间的关系如下：

  Uout=D1 · a1 + D2 · a2

  如果将a1和a2减小相同的系数，则总振幅将减小。当把所有贡献设置为最小时，输出功率将降低6dB。

  如果减小a1(或增大a2)，则PAM4眼图对称性会改变。这样就可以得到非对称PAM4眼图。