Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2003 №5

Частотный метод анализа характеристик синтезаторов частот с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты ANALOG DEVICES. Часть 3

Никитин Юрий  
Дмитриев Сергей  

Для синтеза сетки частот используют системы синтеза частот (ССЧ), в том числе и на основе колец ИФАП (Phase Locked Loop — PLL). Полезным продуктом ССЧ является их выходное колебание, поэтому к основным техническим характеристикам ССЧ относят величину фазовых шумов в выходном колебании при различных отстройках и уровень дискретных побочных спектральных составляющих (ПСС)

Все статьи цикла:

Расчет синтезаторной системы ИФАП сводится к определению требований к петлевому фильтру нижних частот (ФНЧ) при безусловном учете исходных факторов и обеспечении требуемых характеристик выходного колебания.

Часть исходных параметров для расчета необходимо задавать волевым способом — это и выбор выходного тока ЧФД, и число звеньев петлевого фильтра, и полоса пропускания петли ИФАП; а часть брать из справочников и описаний.

Обобщенная структурная схема синтезаторного квазиастатического кольца ИФАП (АФАП) показана на рис. 1.

Исходные данные для расчета кольца АФАП

Основные исходные данные для расчета кольца АФАП следующие:

  1. Диапазон синтезируемых частот FВЫХ = FМИН…FМАКС; ΔF ? FΔ = FМАКС – FМИН.
  2. Шаг сетки синтезируемых частот FS.
  3. Частота опорного колебания FОКГ.
  4. Уровень дискретных ПСС, равных и кратных частоте сравнения в кольце DПСС.
  5. Распределения уровня фазовых шумов при отстройке от выходного колебания (по желанию).
  6. Требуемая полоса прозрачности кольца (частота среза кольца FС или частота единичного усиления кольца).
  7. Тип применяемой микросхемы АФАП и значение выходного тока ЧФД I0.

Расчет кольца заканчивается определением требований к петлевому ФНЧ — его АЧХ и ФЧХ и, может быть, синтезом звеньев ФНЧ.

Значение выходной частоты можно определить по формуле:

где N и R — коэффициенты деления ДПКД и ДФКД соответственно; FTCXO — частота опорного кварцевого генератора FОКГ; FOUT — выходная частота ГУН FВЫХ.

Методику расчета изложим в виде примеров расчета конкретных синтезаторных колец АФАП [1, 2].

Так, если нужно спроектировать гетеродин для приемника базовой станции E-GSM900 (880–915 МГц), при F1 ПЧ = 240 МГц и нижнем сопряжении, получим диапазон синтезируемых частот FВЫХ = FМИН…FМАКС = 640…675 МГц, при верхнем сопряжении FВЫХ = 1120…1155 МГц и полосу перестройки ГУН ΔF ? FΔ = FМАКС – FМИН = 35 МГц.

Следует учесть температурную нестабильность ГУН и уход частоты вследствие старения элементов. Поэтому, ориентировочно, полосу перестройки FΔ можно выбрать равной 50 МГц. Далее из информационных материалов следует найти максимальную крутизну управляющей характеристики выбранного ГУН KV МАКС.

Например, для генераторов ROS-765 и ROS-1500 фирмы Mini-Circuits KV МАКС = 38 и 42 МГц/В соответственно. Основные технические параметры указанных генераторов приведены в таблице 1. Запись в таблице 1 «дБн/Гц» означает, что уровень фазовых шумов нормирован к уровню несущего (выходного) колебания ГУН и полосе анализа 1 Гц.

Таблица 1

Примем, что выбрана микросхема PLL типа ADF4118, обеспечивающая выходной ток ЧФД I0 = ±1 мA или I0 = ±250 мкA.

Предварительный расчет

В таблице 2 сведем исходные параметры и результаты предварительных расчетов по 4 вариантам синтезаторных колец АФАП:

  • Вариант 1 — нижнее сопряжение гетеродина, диапазон частот 640…675 МГц;
  • Вариант 2 — верхнее сопряжение гетеродина, диапазон частот 1120…1155 МГц;
  • Вариант 3 — максимальное перекрытие ГУН ROS-765, диапазон частот 445…800 МГц;
  • Вариант 4 — максимальное перекрытие ГУН ROS-1500, диапазон частот 990…1560 МГц.
Таблица 2

Коэффициент деления N тракта приведения частоты ГУН

приведенная к частоте сравнения полоса удержания (перестройки) ГУН

Далее построим асимптотические логарифмические АЧХ для полосы перестройки ГУН и его полосы удержания (рис. 2 и 3). Графики на рис. 2 показывают, во сколько раз ГУН будет усиливать помеху, приходящую (просачивающуюся) на его управляющий вход.

Например, при полосе перестройки ГУН FΔ = KV × EV

= 50 МГц и частоте помехи FI = 1 кГц, кольцо усилит помеху.

Вот почему так важны короткая разводка цепей управления ГУН и их экранирование, прежде всего от низкочастотных помех, а также эффективная фильтрация помех по цепям питания.

Изодромное звено

Под изодромным звеном условимся считать выходную цепь поддержания заряда Charge Pump ЧФД, которая подсоединена к общей (земляной) шине через резистор RI и конденсатор CI. Эквивалентная схема выходной цепи ЧФД и изодромного звена приведена на рис. 4.

Выходная цепь Charge Pump заменена генератором тока потому, что выходные ключи ЧФД практически весь период частоты сравнения находятся в разомкнутом состоянии, обеспечивая малые токи утечки.

После анализа приведенной на рис. 4 эквивалентной схемы можно записать

или

где TI = RI × CI — постоянная времени изодромного звена. Если представить выходной ток детектора как

где ED — размах управляющего напряжения на выходе Charge Pump ЧФД, R0 — внутреннее сопротивление открытого ключа Charge Pump, можно переписать выражение (4) в более удобном безразмерном виде:

где TD = R0 × CI — постоянная времени ЧФД-интегратора.

На практике напряжение ED меньше напряжения питания Charge Pump на 5–10%.

На рис. 5 представлена асимптотическая ЛАХ системы «Charge Pump-изодромное звено», где FI = 1/TI = 1/(2π × RI × CI); FD = 1/TD = 1/(2π × R0 × CI).

Построение ЛАХ

При построении ЛАХ кольца АФАП удобнее разбить ЛАХ изодромного звена на две части — ЛАХ идеального интегратора с частотой среза FD и ЛАХ дифференцирующего звена с частотой среза FI.

Частоту FD будем считать частотой среза (частотой единичного усиления) ЧФД. Заметим, что постоянная времени ЧФД TD = R0 × CI зависит как от выходного тока ЧФД, так и от величины емкости изодромного звена CI.

Далее на ЛАХ «ГУН-интегратор» (рис. 3) строим ЛАХ «ЧФД-интегратор» и их суммарную ЛАХ, которая будет иметь отрицательный двойной наклон –40 дБ/дек (рис. 6). Не следует забывать, что фазовый набег одиночного интегратора постоянен и равен –π/2, а у идеального двойного интегратора — –π. Вот почему необходимо введение изодромного (дифференцирующего) звена.

Отметим и тот факт, что для конкретного коэффициента деления N точка FV зафиксирована, в то время как точку FD можно двигать, изменяя величину постоянной времени TD . Соответственно, будет двигаться и точка FA.

Излом дифференцирующего (изодромного) звена вводят для обеспечения запаса по фазе на частоте среза FC. Поскольку частота среза (единичного усиления) FC кольца АФАП изменяется в зависимости от значения N, то худшее соотношение между частотой среза FC и частотой сравнения FS будет при минимальном значении NMIN.

Сказанное означает, что при минимальном N частота FC максимальна и наиболее близка к FS.

Поэтому введение петлевого фильтра вызовет наибольший набег фазы на частоту среза кольца и, соответственно, уменьшит запас по фазе. К тому же и требования к петлевому фильтру в этом случае будут наиболее жесткими.

Из теории систем автоматического регулирования [3] известно, что для обеспечения монотонности переходного процесса и приемлемого коэффициента колебательности (перерегулирования) желательно не иметь изломов ЛАХ, расположенных на расстоянии GNH = +(14…20) дБ и GNH = –(3…8) дБ от оси абсцисс, то есть в интервале коэффициентов передачи GN(ω) разомкнутой петли H = +(14…20)…–(3…8) дБ.

Поскольку

можно записать для частоты излома дифференцирующего звена

где FC = FIH × H.

Для расчетов удобно воспользоваться следующей формулой:

Когда частота излома изодромного звена расположена, например, на уровне H = 14 дБ, можно записать

а частоту среза (частота единичного усиления) кольца АФАП вычислить как

Заметим, что частоту FC мы выбираем самостоятельно, полагаясь на интуицию и опыт. Такое же неоднозначное толкование допускает выбор частоты среза FD ЧФД [4].

Далее в справочных данных на синтезатор находим величину тока утечки ключей Charge Pump и токов утечки элементов обвеса цепи управления частотой ГУН — прежде всего, буферного УПТ.

Например, ток утечки Charge Pump микросхемы ADF4118 не превышает ICP = 1 нA, а входной ток ОУ типа AD820 не превышает 25 пA; током утечки конденсатора изодромного звена пренебрежем из-за его малости. Правда, не следует пренебрегать его шумами.

При значении выходного тока ЧФД I0 = 250 мкА подавление помех с частотой сравнения FS в ЧФД составит не менее ICP/I0 = 108 дБ.

Петлевой фильтр

Тем не менее бесфильтровое кольцо усиливает помеху, приходящую с управляющим напряжением вследствие высокой крутизны KV ГУН. В нашем примере (строки 1 и 2 в табл. 2) помеха будет усилена в 50 МГц/200 кГц = 250 раз или на 48 дБ. В итоге уровень дискретной ПСС с частотой 200 кГц на выходе кольца не превысит –108 + 48 = –60 дБн. В широкополосных синтезаторах (строки 3 и 4 в табл. 2) помеха будет усилена на 65 и 70,6 дБ соответственно, и уровень дискретных ПСС на их выходе составит всего –43 и –37,4 дБн соответственно.

Таким образом, требуется дополнительная фильтрация помех петлевым ФНЧ. Если обратиться к рис. 4 и формуле 5, можно увидеть наличие виртуального резистора R0 . Подключение к выходу ED дополнительного конденсатора C0 позволяет создать звено RC ФНЧ с частотой среза

Изодромное звено можно «нагрузить» дополнительным ФНЧ. Следует лишь проследить за тем, чтобы сопротивление R1 превышало значение RI не мене, чем в 3–5 раз. Ошибка расчета при этом не превысит 10…4%. Отметим, что при определении постоянных времени TI изодромного звена и TD ЧФД под емкостью CI следует понимать сумму емкостей, подключенных к выходу ЧФД.

Частоты изломов FF звеньев петлевого фильтра желательно располагать вне «охранной зоны» H = –(3…8) дБ во избежание коэффициентов перерегулирования M ≥ 1,2 при переходе с частоты на частоту. Также не следует забывать, что фильтрация помех в импульсном кольце ФАП прекращается на половинной частоте сравнения.

Сведем результаты расчета исходных вариантов колец АФАП в таблице 3.

Таблица 3

Возможные номинальные значения элементов изодромного звена и петлевого фильтра приведены в таблице 4.

Таблица 4

Показатель перерегулирования Mне превысит заданного значения, если запас по фазе на частоте сравнения не менее

в том интервале частот, в котором

то есть в указанном диапазоне частот ФЧХ не должна заходить в зону, ограниченную прямой –180° и кривой –180° + DY.

Отметим то обстоятельство, что значения элементов R1, C1 петлевого ФНЧ в таблице 4 отсутствуют. Это вызвано большим разбросом значений RI. При использовании развязывающего усилителя целесообразно, во-первых, разделить звенья петлевого ФНЧ, поместив их как до, так и после ОУ; во-вторых, реализовать на буферном ОУ усилитель постоянного тока с требуемым коэффициентом передачи; в-третьих, по возможности минимизировать этот коэффициент.

Например, при построении узкополосного синтезатора (строки 1 и 2 табл. 2), целесообразно предусмотреть цепь постоянного смещения для того, чтобы ограничить коэффициент передачи петлевого фильтра по постоянному току минимальной величиной.

Обычно полученных результатов достаточно для получения представления о параметрах проектируемого кольца АФАП. Для более детального построения характеристики распределения фазовых шумов в спектре выходного колебания необходимо располагать исходными характеристиками ОКГ и ГУН и, последовательно смещая частоту среза кольца, получить желательную итоговую характеристику.

При расчете кольца АФАП с ДДПКД приходится, как правило, существенно корректировать параметры петлевого фильтра для обеспечения требуемого подавления помех дробности и сохранения устойчивости кольца во всем диапазоне изменения коэффициента деления N.

Владение частотными методами анализа и синтеза синтезаторных колец фазовой автоподстройки позволяет при минимальной затрате времени и средств получать представление о фильтрующих свойствах проектируемых колец и строить кольца АФАП с требуемыми качественными характеристиками.

В следующей, завершающей статье серии будет рассмотрен расчет фильтрации помех кольцом АФАП с ДДПКД.

Литература

  1. Шапиро Д. Н., Паин А. А. Основы теории синтеза частот. М.: Радио и связь. 1981.
  2. Рыжков А. В., Попов В. Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. М.: Радио и связь. 1991.
  3. Макаров И. М., Менский Б. М. Линейные автоматические системы. М.: Машиностроение. 1977.
  4. Гуревич И. Н., Зарецкий М. М., Никитин Ю. А. Анализ и расчет фильтрации помех астатической системой ФАП // Электросвязь. 1994. № 8.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке