Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2003 №6

Частотный метод анализа характеристик синтезаторов частот с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты ANALOG DEVICES. Часть 4

Никитин Юрий  
Дмитриев Сергей  

Расчет синтезаторной системы АФАП сводится к определению требований к петлевому фильтру нижних частот (ФНЧ) при безусловном обеспечении устойчивости системы и требуемых характеристик выходного колебания. Часть исходных параметров для расчета необходимо задавать волевым способом, а часть брать из справочников и описаний.

Все статьи цикла:

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

Исходные данные для расчета кольца АФАП

Основные исходные данные для расчета кольца АФАП следующие:

  1. Диапазон синтезируемых частот FВЫХ = FМИНFМАКС; ΔF ? FΔ = FМАКСFМИН.
  2. Шаг сетки синтезируемых частот FS.
  3. Частота колебания опорного кварцевого генератора FОКГ = FTCXO.
  4. Уровень дискретных ПСС, равных и кратных частоте сравнения в кольце DПСС.
  5. Желательная полоса прозрачности кольца (частота среза кольца FС или частота единичного усиления кольца).
  6. 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 ДДПКД и ДФКД соответственно, FTCXO — частота опорного кварцевого генератора FОКГ, FOUT — выходная частота ГУН FВЫХ.

Параметры кольца, задаваемые разработчиком

Методику расчета изложим в виде примеров расчета конкретных синтезаторных колец АФАП [1, 2]. Пусть требуемый диапазон синтезируемых частот FВЫХ1 = FМИН1FМАКС1 = 770…800 МГц при шаге сетки FS = 25 кГц; FВЫХ2 = 1000…2000 МГц при шаге сетки FS = 500 кГц. Полоса перестройки ГУН = FΔ1 = FМАКС1FМИН1 = 30 МГц и FΔ2 = FМАКС2FМИН2 = 1000 МГц.

Следует учесть температурную нестабильность ГУН и уход частоты вследствие старения элементов кольца. Поэтому ориентировочно полосу перестройки FΔ1 можно выбрать равной 35 МГц и полосу перестройки FΔ2 равной 1100 МГц.

Далее, из информационных материалов следует найти максимальную крутизну управляющей характеристики выбранного ГУН KV МАКС. Например, для генераторов ROS-810LN и ROS-2150VW фирмы Mini-Circuits KV МАКС равна 10 и 80 МГц/В соответственно.

Наименее удобный для разработчика и наиболее тяжелый для реализации вариант определения полосы перестройки ГУН будет для записи FΔ= KV МАКС×EУПР — он составит FΔ1 = 10×7 = 70 МГц и FΔ2 = 80×16,5 = 1320 МГц, то есть определение исходных параметров по худшей точке диапазона перестройки.

В этом случае в худшей (с точки зрения фильтрации помех) точке — в самом начале управляющей характеристики ГУН — будет гарантирована устойчивость кольца и обеспечен заданный уровень помех.

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 ADF4252BCP, обеспечивающая выходной ток ЧФД в диапазоне от I0 = ±7,785mA до I0 = ±0,301mA [3].

Следует задать значение частоты сравнения F0 в кольце АФАП; для определенности последующих рассуждений примем параметр дробности M = 16, поэтому частоты сравнения будут 400 кГц для первого варианта и 8 МГц — для второго.

Предварительный расчет

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

  1. диапазон частот 770…800 МГц;
  2. диапазон частот 1000…2000 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. Отметим, что ГУН всегда усиливает помеху, приходящую (просачивающуюся) на его управляющий вход.

Например, при полосе перестройки ГУН FΔ = KV×EV = 1320 МГц и частоте помехи FI = 10 кГц, кольцо усилит помеху в KA = FΔ/FI = 132000 раз, то есть на 102 дБ. Однако, если частота 10 кГц — помеха дробности, она будет усилена бесфильтровым кольцом с ДДПКД только в KA = FΔ/F0 = 165 раз или на 44 дБ.

Правда, при этом параметр дробности M должен быть равен 800; такую возможность предоставляет синтезатор ADF4252, параметр дробности M которого можно изменять в пределах от 0 до 4095 [3].

Привлекательная черта колец АФАП с ДДПКД и заключается в значительном уменьшении влияния помех, кратных частоте шага сетки FS, на спектр выходного колебания и в уменьшении времени неуправляемой работы ГУН.

Но за любое удовольствие приходится платить. В кольце ИФАП с ДДПКД платой будет усложнение петлевого ФНЧ и, возможно, «обужение» кольца — уменьшение полосы прозрачности кольца FС.

Построение логарифмической амплитудной характеристики (ЛАХ)

Построение ЛАХ кольца АФАП с ДДПКД практически ничем не отличается от построения ЛАХ обычного кольца АФАП с ДПКД [1].

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

Строим ЛАХ «ГУН-интегратор», ЛАХ «ЧФД-интегратор» и их суммарную ЛАХ, которая будет иметь отрицательный двойной наклон –40 дБ/дек (рис. 3).

Не следует забывать, что фазовый набег одиночного интегратора постоянен и равен –π/2, а у идеального двойного интегратора он равен –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 характеристическая точка FA.

Излом дифференцирующего (изодромного) звена вводят для обеспечения запаса по фазе в окрестностях частоты 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 шага сетки FS будет при минимальном значении NMIN.

Сказанное означает, что при минимальном значении 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 в кольце. К тому же и требования к петлевому фильтру в этом случае будут наиболее жесткими.

Поскольку характеристическая частота

можно записать для частоты излома дифференцирующего звена

и

где FC = FIN×H.

Для расчетов удобно пользоваться следующей формулой:

Если излом расположен на уровне H= 20 дБ, запишем

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

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

Петлевой фильтр

Бесфильтровое кольцо усиливает помеху, приходящую с управляющим напряжением пропорционально крутизне KV ГУН. В нашем примере (строка 1 в таблице 2) помеха будет усилена в 70 МГц/400 кГц = 175 раз или на 45 дБ.

Уровень помех на выходе ЧФД вследствие токов утечки есть функция выходного тока ЧФД. DCPI = ICP/I0 равен –138 дБ, –120 дБ и –109 дБ для токов ЧФД 7,875 мА, 1,0 мА и 0,301 мА соответственно.

Из-за конечной ширины импульса поддержания заряда на емкости изодромного звена уровень помех на выходе ЧФД составит DCPT = Δτ/T0 = 1 нс/2,5 мкс = –68 дБ [1].

В итоге, уровень дискретной ПСС с частотой сравнения 400 кГц и гармоник частоты шага сетки 25 кГц на выходе кольца не превысит –68+45 = –23 дБн.

В широкополосном синтезаторе (строка 2 в таблице 2) помеха с частотой сравнения 8 МГц и гармоники частоты шага сетки 500 кГц будут усилены в 1320 МГц/8 МГц = 165 раз или на 44 дБ.

Уровень помех на выходе ЧФД вследствие токов утечки не превысит ICP/I0 = –138 дБ, –120 дБ и –109 дБ для токов ЧФД 7,875 мА, 1,0 мА и 0,301 мА соответственно.

Но из-за конечной ширины импульса поддержания заряда на емкости изодромного звена уровень помех на выход ЧФД составит всего 1 нс/125 нс = –42 дБ [1].

Поэтому в широкополосном кольце АФАП уровень дискретных ПСС на его выходе превысит уровень несущей и составит +2дБн — кольцо не сможет войти в синхронизм!

Заметим, что измеряя уровень ДПСС можно косвенно определить внутреннюю задержку в ЧФД. Разумеется, если выполняется неравенство DCPI = ICP/I0 >> DCPT = Δτ/T0, что в большинстве практических случаев соблюдается.

В конкретной паре примеров ограничивающим фактором является высокая частота сравнения в кольце.

Обратим внимание, что в широкополосном кольце целесообразно, как правило, выбрать минимальный ток ЧФД, чтобы «токовый» уровень помех DCPI был наиболее близок к «временному» уровню помех DCPT .

Поэтому в обоих случаях требуется дополнительная фильтрация помех петлевым ФНЧ и, может быть, корректировка ЛАХ кольца. Подключение к выходу ED ЧФД дополнительного конденсатора C0 (рис. 4) позволяет создать звено RC ФНЧ с частотой среза

Изодромное звено можно «нагрузить» дополнительным ФНЧ, корректирующим АЧХ (ЛАХ) кольца (рис. 4 и 5). Отметим, что при определении постоянных времени TI изодрома и TD ЧФД под емкостью CI следует понимать сумму емкостей, подключенных к выходу ЧФД.

Частотная характеристика (ЛАХ) корректирующего звена приведена на рис. 6. Заметим, что без емкости CK1 корректирующий фильтр вырождается в пропорциональноинтегрирующий фильтр (ПИФ).

Обобщая проблему выбора петлевого фильтра, следует сказать, что любой ФНЧ суть аппроксимация прямоугольного скачка на X дБ вниз, причем n-звенный ПИФ является наиболее близкой RC-аппроксимацией такого скачка.

Частоту F2 излома ПИФ можно выбрать в окрестностях частоты FS, справа от нее. Следует лишь помнить, что асимптотические ЛАХ имеют погрешность в окрестностях частоты излома (таблица 3).

Таблица 3

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.

Результаты расчета узкополосного и широкополосного вариантов кольца АФАП с ДДПКД приведены в таблицах 4 и 5 соответственно. Параметры рассчитаны при выходном токе ЧФД 1 мА.

Таблица 4
Таблица 5

Прочерки в первой строке таблицы 5 означают, что излом изодромного звена расположен в нежелательной зоне ЛАХ. Вследствие этого переходный процесс в кольце затянут и имеет колебательный характер, а выброс на переходной характеристике M>>1,2.

При использовании развязывающего усилителя постоянного тока 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 и, если необходимо, сумматор напряжений;
  • в-третьих, по возможности, минимизировать коэффициент передачи ОУ.

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

Например, в рассматриваемом широкополосном кольце АФАП с ДДПКД коэффициент передачи разомкнутого кольца уменьшается с увеличением выходной частоты в KVMAX×NMAX/KVMIN×NMIN = 3,5 раза, а во всем диапазоне перестройки ГУН — в 8 раз!

Соответственно, будут сдвигаться все основные точки излома кольца. Для выравнивания коэффициента передачи по диапазону удобно изменять выходной ток ЧФД, что приводит к изменению постоянной времени TD. В табл. 6 приведены параметры широкополосного кольца при фиксированном токе ЧФД 1 мА.

Таблица 6

Анализ данных, приведенных в таблице 6, и ЛАХ на рис. 7 показывает, что увеличение выходного тока ЧФД с 1 мА в начале диапазона до 3,55 мА в конце позволяет выровнять коэффициент передачи кольца и сохранить его фильтрующие свойства. Такое изменение можно предусмотреть при управлении синтезатором ADF4252BCP от микропроцессора.

Обычно полученных результатов достаточно для создания представления о параметрах проектируемого кольца АФАП с ДДПКД в цепи обратной связи.

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.

В заключение отметим, что расчет кольца производился в предположении, что механизмы компенсации помех дробности отсутствуют, то есть для наихудшего случая.

Знание механизма формирования дробного коэффициента деления позволяет учесть более тонкие эффекты при проектировании синтезаторных колец фазовой автоподстройки и при минимальной затрате времени и средств строить кольца АФАП с ДДПКД с требуемыми качественными характеристиками.

Эта статья является последней в серии статей, посвящённых частотному методу анализа характеристик синтезаторов частот с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты производства компании Analog Devices.

Авторы надеются, что им удалось достаточно доступно осветить методы расчета параметров синтезаторов частот компании Analog Devices на основе фазовой автоподстройки частоты, этих поистине элегантных устройств для создания сетки стабильных частот в диапазоне до 7 ГГц.

В списке литературы приведены ссылки на работы, прочтение которых может оказаться полезным для понимания механизмов работы синтезаторов частот на основе колец ИФАП.

Литература

  1. Никитин Ю., Дмитриев С. Частотный метод анализа синтезаторных систем импульснофазовой автоподстройки частоты // Компоненты и технологии. 2003. № 3–5.
  2. Макаров И. М., Менский Б. М. Линейные автоматические системы. М.: Машиностроение. 1977.
  3. Голуб В. Система ФАПЧ и ее применения // Chip News. 2000. № 4.
  4. Холладей К. Проектирование ФАПЧ по полосе пропускания // Chip News. 2000. № 9.
  5. Стариков О. Цикл статей по синтезаторам ФАПЧ // Chip News. 2001. № 6–7.
  6. Майская В. Fractional синтезаторы. Когда часть лучше целого // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2002. № 5.
  7. Curtin M., O`Brien P. Phase-Locked Loops for High-Frequency Receivers and Transmitters. Part 1, 2, 3. Analog Dialog. Volume 33. 1999.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке