Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2002 №9

Одиночные радиочастотные синтезаторы с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты серии ADF4000

Дмитриев Сергей  
Никитин Юрий  

Этой публикацией мы открываем серию статей о синтезаторах частот производства Analog Devices Inc., являющихся базовыми элементами любых систем связи, навигации, кабельного и спутникового телевидения. в серии будут рассмотрены синтезаторы с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты (PLL).

Фирма Analog Devices Inc. (ADI) предлагает широкий спектр микросхем одиночных цифровых синтезаторов частот на основе систем квазиастатической импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАП) серии ADF4000, имеющих конкурентоспособные цены на рынке компонентов для радиосвязи.

Серия включает в себя синтезаторы с целочисленным (integer-N) коэффициентом деления. Синтезаторы изготавливаются по современной технологии BiCMOS 0,35 мкм, могут работать в интервале питающих напряжений 2,7–3,3 В (ADF 4106) и 2,7–5,5 В (все остальные) и в диапазоне рабочих температур от –40 до +85 °С.

PLL-синтезаторы являются базовыми элементами гетеродинов, модуляторов и демодуляторов любой беспроводной системы связи, включая навигационные системы GPS/GLONASS, мобильные телефоны всех стандартов, персональные информационные устройства (PDA), базовые станции сотовой связи, беспроводные LAN/LMDS (Local Area Network/Local Multipoint Distribution System), SDH/SONET (Synchronous Digital Hierarchy/Synchronous Optical NETwork), схемы тактовых генераторов, системы кабельного и спутникового телевидения и тестовое коммуникационное оборудование.

Основные элементы цифрового синтезатора частот

Прежде всего уточним, что под термином «цифровой синтезатор частот», применительно к системам импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАП) (или [Impulse] Phase Locked Loop — PLL), мы понимаем цифровые, то есть использующие в основном цифровую схемотехнику, элементы кольца ИФАП:

  • тракт формирования частоты опорного сигнала;
  • тракт приведения частоты перестраиваемого генератора (ГУН), или Voltage Controlled Oscillator (VCO);
  • частотно-фазовый детектор (ЧФД), или Phase Frequency Detector with Charge Pump.

Тракт формирования частоты опорного сигнала представляет собой делитель с фиксированным целочисленным коэффициентом деления (ДФКД), или Reference Divider, а его коэффициент деления R может устанавливаться внешним управляющим словом, например, от 1 до 16384.

Тракт приведения частоты перестраиваемого генератора — это делитель с переменным коэффициентом деления в N раз (ДПКД), или Divider with a float factor of division, integer-N Divider, его коэффициент деления также устанавливается внешним кодом и может изменяться с единичным шагом.

В низкочастотных синтезаторах (например, в ADF4001) тракт деления частоты ГУН в N раз выполнен на обычных счетчиковых делителях частоты ДПКД, поскольку используемая технология КМОП (CMOS) позволяет реализовывать триггеры счетчика со временем переключения до 4–6 нс.

Поэтому и тракт деления частоты опорного генератора ДФКД обеспечивает надежную работу синтезатора до значений FREF ≤ 250 МГц (например, в ADF4106). Следует отметить, что все синтезаторы серии ADF4000 обеспечивают минимальный коэффициент деления опорной частоты R = 1.

На рис.1 приведена структурная схема кольца ИФАП с обозначением входящих узлов:

  • R (Reference Divider) — делитель опорной частоты;
  • PD (Phase Detector) — импульсно-фазовый детектор;
  • LPF (Low Pass Filter) — петлевой фильтр нижних частот ФНЧ;
  • VCO (Voltage-Controlled Oscillator) — генератор, управляемый напряжением (ГУН);
  • DFFD — Divider with a float factor of division — делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД);
  • FREF — частота опорного (кварцевого) генератора;
  • FOUT — выходная частота синтезатора;
  • R — коэффициент деления опорного делителя;
  • F1 — частота сравнения;
  • F1 — приведенная частота ГУН после деления в ДПКД;
  • N — коэффициент деления DFFD (целое число без остатка).

Введение «прескалера», или двухмодульного предварительного делителя частоты, позволило поднять рабочую частоту ДПКД до современных значений (например, до 4 ГГц у синтезатора ADF4113 и до 6 ГГц у синтезатора ADF4106). Минимальный модуль прескалера PMIN = 8 позволяет обеспечить NMIN = 56. Структурная схема двухмодульного прескалера приведена на рис. 2.

Выходную частоту синтезатора можно определить по формуле:

где fVCO — выходная частота синтезатора; P — модуль прескалера; B — коэффициент деления счетчика В; A — коэффициент деления счетчика A (0 ≤ A < В); FREF — частота опорного колебания; R — коэффициент деления опорного делителя.

Любой прескалер состоит из поглощающего счетчика Swallowing Counter (счетчик A на рис. 2) и схемы поглощения импульса P/P+1. Суммарная задержка переключения этих узлов не должна быть кратной периоду входного колебания, то есть активные перепады входных и управляющих импульсов не должны совпадать. В противном случае возникает эффект «состязаний» и устройство начинает работать со сбоями. На практике стараются, чтобы величина суммарной задержки в прескалере не превышала минимального периода входного колебания. Иными словами, задержка в прескалере определяет максимальную рабочую частоту микросхемы.

Интересной особенностью работы прескалера в синтезаторах ADF4110(1/2/3) является так называемый режим ресинхронизации, или восстановления синхронизации входной радиочастоты на выходе прескалера — resynchronizing the prescaler output.

В режиме синхронизации работы прескалера моменты его переключения из режима «деление на P» в режим «деление на P + 1» стробируются частотой входного сигнала RF. Стробирование уменьшает фазовый шум N-делителя (джиттер), но предъявляет более жесткие требования к величине и стабильности внутренних задержек микросхемы. Поэтому максимальная входная частота на входе RF, при которой синтезатор надежно работает, может уменьшиться.

Частотно-фазовый детектор

Частотно-фазовый детектор в синтезаторах серии ADF4000 выполнен на D-триггерах, дополненных логикой сброса и выравнивания задержек — схемой anti-backlash pulse width — рис. 3.

Введение программируемой задержки на переключение триггеров от 1,5 до 6 нс (ADF4110(1/2/3)) позволяет получить практически линейную статическую характеристику фазового детектора с крутизной 1/2?. Кроме того, отсутствует эффект «проскальзывания» в окрестностях точки сшивания двух пилообразных характеристик ЧФД, то есть в области нулевых фазовых расстроек.

Дополняется цифровая часть ЧФД парой комплементарных полевых транзисторов с малыми токами управления и утечки — схемой подкачки (точнее, поддержания) заряда Charge Pump.

Такое построение фазового детектора с внешними цепями — изодромным звеномпозволяет в режиме синхронизма обеспечить временное рассогласование Δτ между одноименными перепадами импульсов опорного колебания и приведенного колебания ГУН не более единиц наносекунд.

Сказанное означает, что на выходе фазового детектора фазовая ошибка Δφ = 2π×Δτ/T0, где T0 = 1/FОП — период сравнения в кольце ИФАП. Так, если частота сравнения в кольце FОП = 200 кГц (стандарт GSM), то Δφ не превысит 360°×3 нс/5 мкс = 0,216°

Иными словами, в системе ИФАП наблюдается квазиастатизм по фазе, в то время как в обычном кольце ИФАП с обычным ИФД типа RS-триггера или схемы «исключающее ИЛИ» фазовая ошибка есть функция начальной расстройки ГУН и изменяется по диапазону.

Разумеется, утверждение о квазиастатизме справедливо «в среднем», то есть статистически. Кроме того, при увеличении частоты сравнения в кольце, например, до 10 МГц, фазовая ошибка, при прочих равных условиях, увеличится и составит Δφ = 360°×3 нс/100 нс = 10,8°.

Поэтому синтезаторы ИФАП с ЧФД называют квазиастатическими. Чтобы кольцо ИФАП стало астатическим не только по частоте, но и по фазе, в цепь регулирования необходимо ввести идеальный интегратор. ЧФД в паре с изодромным звеном выполняет эту роль тем точнее, чем ниже частота сравнения в кольце.

Астатизм по фазе приводит к дополнительному фазовому набегу π/2 и система ИФАП подходит к границе устойчивости. Для корректировки амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) кольца в районе частоты среза вводят изодромное звено, которое представляет собой последовательное соединение R и C.

Такое звено, подключенное параллельно генератору тока на выходе Charge Pump, позволяет наиболее экономным способом корректировать АЧХ кольца и обеспечивает его устойчивую работу в диапазоне выходных частот.

Остальные элементы кольца ИФАП — петлевой фильтр нижних частот (ФНЧ) и генератор, управляемый напряжением (ГУН), являются внешними для микросхем серии ADF4000 и подробно не рассматриваются.

Для первоначального освоения методов программирования микросхем синтезаторов серии ADF4000 и получения навыков работы с ними можно воспользоваться программным обеспечением ADF4XXX evaluation Software, находящимся на сайте www.analog.com. Там же приведена программа Loop Filter Design, позволяющая спроектировать необходимый петлевой фильтр нижних частот.

Характеристики «стандартных» моделей синтезаторов серии ADF4000.

Итак, во-первых, у всех синтезаторов серии ADF4000 минимальный коэффициент деления частоты опорного колебания RMIN = 1. Во-вторых, алгоритм, структура и временные параметры загрузки данных по последовательному интерфейсу во всех синтезаторах серии одинаковы.

Могут лишь различаться размеры управляющих слов и число контрольных разрядов (у ADF4252, например, три контрольных разряда C0, C1, C2 вместо двух — C1 и C2 — у остальных синтезаторов серии). Пользователь может выбрать два варианта загрузки — по фронту или потенциальный (рис. 4).

Частотные характеристики однопетлевых синтезаторов серии ADF4000 по радиочастотному входу RF Input, по опорному входу REFIN, по выходу прескалера PROUT и по входу фазового детектора PDIN приведены в таблице 1.

Таблица 1. Частотные характеристики однопетлевых синтезаторов частот серии ADF4000

Первые синтезаторы серии — ADF 4116(7/8) (рис. 6) были полными (pin-совместимыми) аналогами синтезаторов LMX2306/16/26 «платиновой» серии фирмы National Semiconductor, но некоторые их параметры и функции были расширены.

Кроме обеспечения RMIN = 1 синтезаторы ADF 4116(7/8) позволяют программно устанавливать два значения выходного тока фазового детектора (Charge pump) — 250 мкА или 1 мА.

В режиме «быстрого захвата» (FastLock) возможно программируемое переключение выходного тока фазового детектора из стандартного режима (low) 250 мкА в режим (high) 1 мА в течение 3–63 периодов частоты сравнения с шагом четыре периода (то есть 3, 7, 11 и т. д. до 63), в зависимости от параметров петли ИФАП.

Увеличение тока фазового детектора во время переходного процесса способствует его форсированию, то есть уменьшению времени переключения с частоты на частоту за счет кратковременного увеличения коэффициента усиления кольца ИФАП.

Однако увеличение коэффициента усиления в кольце ИФАП может привести к его возбуждению и почти всегда приводит к перерегулированию, что, впрочем, не страшно. Краткое описание функций и назначения выводов синтезаторов ADF4116(7/8) приведены в таблице 2.

Таблица 2. Описание функций и обозначение выводов синтезаторов ADF4116(7/8)

Характеристики «усовершенствованных» моделей синтезаторов серии ADF4000.

Синтезаторы ADF4110(1/2/3) являются развитием предыдущих. Они позволяют устанавливать выходной ток фазового детектора плавно и ступенчато в интервале значений от 0,294 до 8,704 мА, во-первых, с помощью внешнего резистора, а во-вторых, внутри «аналогового» интервала, программными средствами — до 8 значений.

Столь широкий выбор установок дает разработчику аппаратуры удобный инструмент для проектирования синтезаторов частот, особенно широкополосных. Например, изменение тока фазового детектора в статическом режиме позволяет выровнять по диапазону коэффициент усиления в кольце ИФАП, который может изменяться из-за неодинаковой крутизны управляющей характеристики ГУН в начале и в конце рабочего диапазона.

В режиме «быстрого захвата» (FastLock) также возможно переключение выходного тока фазового детектора из выбранного режима в режим переключения также в течение 3–63 периодов частоты сравнения с шагом четыре периода, в зависимости от требований, предъявляемых к параметрам петли ИФАП.

Таблица 3. Описание функций и назначение выводов в синтезаторах ADF4110(1/2/3)
Остальные выводы имеют обозначения и выполняемые функции, аналогичные ADF4116(7/8) (см. табл. 2)

Из одноканальных синтезаторов серии ADF4000 следует также отметить ADF4001 (рис. 9–10) и ADF4106. Первый из них позволяет синтезировать выходную частоту, равную входной (опция N = 1), то есть использовать кольцо ИФАП в качестве высокодобротного следящего полосового фильтра, модулятора или демодулятора сигналов ЧМ в относительно низкочастотном (до 200 МГц) диапазоне. Такой синтезатор удобен при синтезе вторичных источников опорных колебаний, в частности, кварцевых.

Таблица 4. Описание функций и назначение выводов в «тактовом» синтезаторе ADF4001
Остальные выводы имеют обозначения и выполняемые функции, аналогичные ADF4116(7/8) (см. табл. 2).

Второй синтезатор ADF4106 (рис. 7) позволяет синтезировать сетку частот в диапазоне от 0,5 до 6 ГГц. Типичные спектральные характеристики выходного колебания синтезатора, собранного с использованием микросхемы ADF4106, приведены на рис. 11, а описание функций и назначение выводов — в таблице 5.

Таблица 5. Описание функций и назначение выводов в синтезаторе ADF4106
Остальные выводы имеют обозначения и выполняемые функции, аналогичные ADF4116(7/8) (см. табл. 2).

Все перечисленные синтезаторы относятся к классу синтезаторов с целочисленным коэффициентом деления на N (integer-N). Иными словами, в таких синтезаторах приведение частоты перестраиваемого генератора к частоте сравнения производится с помощью делителей с целочисленным коэффициентом деления. В этом случае шаг сетки синтезируемых частот и частота сравнения — одно и то же.

Возможный вариант построения синтезатора частот.

Пример построения синтезатора частот на микросхеме ADF4106 приведен на рис. 12. Идея заключается в том, что уровень помеховых составляющих увеличивается при умножении частоты и уменьшается при ее делениипо логарифмической шкале на ±20lgN, где N — коэффициент умножения или деления.

Построение синтезатора, формирующего сетку в N-кратном диапазоне (в нашем примере в 4-кратном) с последующим внешним делением в N раз (в нашем примере на 4), позволяет обеспечить минимальное время переключения частот 70 мкс с точностью до фазовой ошибки 10°, дополнительное уменьшение дискретных побочных спектральных составляющих (ПСС) на 12 дБ и наиболее чистую спектральную линию выходного колебания (рис. 13).

Диапазон синтезируемых частот от 5,8 до 6 ГГц трансформируется делением в требуемую область частот 1450–1500 МГц. Шаг сетки в кольце равен 800 кГц, полоса прозрачности (частота среза кольца) составляет 80 кГц.

После деления шаг сетки становится равным 200 кГц, а уровень дискретных ПСС, кратных частоте шага сетки не превышает –100 дБ относительно несущей (dBc — dB carrier). Исключение составляют ПСС, отстоящие от несущей на ±800 кГц, — их уровень не превышает –90 dBc. Мал и уровень фазовых шумов при отстройке от несущей на 1 кГц — не более –94 дБ/Гц.

На сайте Analog Devices по адресу www.analog.com/pll представлена интерактивная программа ADIsimPLL для расчета кольца ИФАП, собранного с использованием микросхем серии ADF4000.

При наличии некоторого начального опыта и оценочной платы EVAL-ADF4*** можно рассчитать параметры элементов петлевого фильтра кольца ИФАП и разработать синтезатор в необходимом частотном диапазоне с требуемыми спектральными и динамическими характеристиками.

В следующей статье серии будут рассмотрены двойные радиочастотные синтезаторы с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты серии ADF4200.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке