Лекция по синтезаторам частот, страница 4

Можно задать от 1 до 7 ГГц.RF Input Sensitivity – чувствительность. От минус 5 до 5 дБм. Дляобеспечения характеристик ФАПЧ мощность на входе должна лежать вуказанных пределах. Если выйти за эти пределы, устройство будет работать, ноего характеристики будут ухудшаться.REFIN CHARACTERISTICS – характеристики по входу опорной частоты.REFIN Input Frequency – опорная частота, значение которой должно бытьзадано в пределах от 20 до 250 МГц. В примечании сказано: для синусоидальных25сигналов. Если подавать прямоугольный сигнал со скоростью нарастания>50 В/мкс, то частота может быть ниже.Phase Detector Frequency – максимальная частота работы фазовогодетектора.

После делителей по опорной частоте и частоте ГУНа частотасравнения на входе фазового детектора должна быть не больше 104 МГц.CHARGE PUMP – генератор тока накачки.Напомним, что с выхода генератора тока накачки сигнал подаётся на ФНЧ.Генератор тока накачки тока накачки указанной микросхемы можетвыдавать ток 625 мкА до 5 мА. Задавая эти токи, вы можете вы можете выбратьхарактеристики фильтра.Перестройка с одной частоты на другую занимает определённое время.Оно зависит не только от полосы ФНЧ в петле обратной связи, но в том числе иот скорости накачки. В этой микросхеме есть режим быстрого перехода надругую частоту, в котором ток накачки увеличивается до максимального.

Призахвате новой частоты ток накачки можно уменьшить до первоначальногозначения.Далее в технических описаниях приводят логические уровни управления ипитающие напряжения.Далееобратимсякнекоторымособенностямрассматриваемоймикросхемы. На рисунке 9 приведена входная цепь со стороны ГУНа.Рисунок 9 – Входная цепь ФАПЧ со стороны ГУНа26На схеме приведён стандартный дифференциальный приёмник, у которыхк эмиттерам присоединён генератор тока. А к базам присоединён генераторнапряжения смещения.

Также здесь установлены защитные диоды, включённыенавстречу друг другу. Они служат для ограничения входной мощности. Из схемыследует, что необходимо развязать входы ФАПЧ от выходов ГУНа попостоянному току. То есть для обеспечения рабочих точек транзисторов навыходах требуется поставить проходные конденсаторы.Далее рассмотрим схему предделителя, представленную на рисунке 10.Рисунок 10 – Предделитель ФАПЧФормула для пересчёта частоты ГУНа из опорной частоты представленадалее = [( ∙ ) + ] ∙.Здесь – коэффициент деления опорной частоты, а , , –коэффициенты деления счётчиков в цепях деления частоты ГУНа. Следуетобратить внимание, что в спецификации указано минимальное значениекоэффициента счётчика равное 3, а не 0.

Минимальное значение коэффициентасчётчика равно 0. Также указано, что минимальное значение коэффициентаделения определяется коэффициентом предделителя и равно (2 − ). Это27накладываетограничениянадостижимуючастотусравнения.Врассматриваемой микросхеме минимальный коэффициент предделителя = 8,то есть минимальный коэффициент деления частоты ГУНа равен 56.Приведём пример реальной системы.

Требуется разработать синтезатор свыходной частотой 6 ГГц. При этом будем использовать опорный кварцевыйтермостатированный генератор с частотой 100 МГц.Выберем общий коэффициент деления равным 60. При этом требуетсяпоставить внешний делитель на 3, чтобы частота на выходе предделителя былане более 300 МГц. Частота сравнения при этом получается равной 33,(3) МГц.На опорном входе её можно получить, разделив частоту кварцевого генераторана 3.Следует обратить внимание, что уровень просачивающейся на выходсинтезатора частоты сравнения бывает довольно велик, и выбирать её следуеттаким образом, чтобы она не лежала в рабочей полосе системы.

Также, если нетребуется перестройки генератора, то в петле связи можно поставитьузкополосный фильтр, что уменьшит паразитные составляющие до уровня, неоказывающего влияния на работу системы. В приведённой примере былустановлен фильтр с полосой 12 кГц.На рисунке 11 приведена схема соединения частотно-фазового детектора игенератора тока накачки.Рисунок 11 – Частотно-фазовый детектор и генератор накачки28Частотно-фазовый детектор состоит из двух D-триггеров. На D-входыподаются единицы, на вторые входы подаются сигналы “clock” от делителяопорной частоты и от делителя частоты ГУНа. Организован сброс, стоит схема«И». Когда оба триггера переходят состояние «единицы», то их состояниесбрасываются.Схема PROGRAMMABLE DELAY позволяет задавать несколько значенийпрограммируемой задержки.

Данная возможность позволяет ликвидировать«мертвые зоны» в работе схеме, когда генератор находится в синхронизме, адетектор может работать неверно, что может вывести генератор из синхронизма.Генератор тока заряда выполнен на комплементарных транзисторах (дваключа – верхний и нижний). Верхний ключ открывает подачу на выходкалиброванного тока, который задаётся резистором на выходе RSET и кодом (см.выше). Нижний ключ при открывании такой же ток сбрасывает на землю.Таким образом, если на выходе этих двух D-триггеров две «единички» или«нолика», то либо ток не течёт совсем, либо течёт от источника к земле, ненакачивая петлевой фильтр. Когда сверху «единица», внизу «нуль», происходитнакачка фильтра током. Когда сверху «нуль», внизу «единица», происходитотбор тока от фильтра, то есть его разрядка.На рисунке приведена данная комплементарная пара транзисторов.Рисунок 12 – Схема управления комплементарной парой транзисторов29Дальше приведены регистры, которые отвечают за счетчики и служебныеслова.Рисунок 12 – Регистры со словами состоянияПри помощи этих регистров можно заносить по последовательному каналувсё коды счётчиков, токи заряда (рабочий и действующий в момент перехода счастоты на частоту), можно подключать на выход контрольные точки, времязадержки в частотно-фазовом детекторе30Программа моделирования систем ФАПЧ Analog Device ADIsimPLLРассмотрим моделирование микросхемы ADF4107 и пример её включения,приведённый ранее, когда требовалось разработать синтезатор на 6 ГГц,используя опорный кварцевый генератор на 100 МГц.Вначале программа предлагает создать новый или открыть ужеимеющийся проект, либо работать с отладочными платами.Выбираем создать новый проект.

Открывается опция создания PLL. Вданном окне можно выбрать интересующую нас PLL ADF4107. В данном окнедоступна возможность посмотреть справочные данные в режиме онлайн. Принажатии кнопки View Selector Guide появляется таблица с PLL и еёхарактеристиками, приведенная на следующем рисунке.31В следующем окне можно настраивать частоту, в нашем примере выберемодну частоту.Выбираем не библиотечный предделитель.32В следующем окне выбирается коэффициент предделителя, в нашемслучае равный трём.33В следующем окне можно выбрать с разомкнутой петлей или нет,напряжение выхода, для 4107 напряжение по входу равно 5 В.34В следующем окне выбирается тип петлевого фильтра.35Активный усилитель в петле обратной связи позволяет сместить рабочуюточку за пределы 5 В. Также возможно построить различные фильтры наактивных элементах, но также любой активный элементы в петле обратной связи– это дополнительные шумы.В следующем окне можно настроить ГУН.36Нужного нам ГУНа нет в библиотеке, поэтому будем его настраивать.

Унужного генератора управление 18 МГц/В.37В следующем окне устанавливается характеристики фильтра.38Во вкладке Report показаны рассчитанные характеристики.39Во вкладке Schematic представлена схема.40Многие параметры можно настраивать.Если нет табличных характеристик, мы можно ввести свои. Настроимопорную частоту.41Опорный генератор ложиться на минус 155 dBc/Hz – белый шум, начастоте 10 Гц у него минус 195 dBc/Hz.Для VCO устанавливаем шумовые характеристики.Настроим диапазон отображаемых частот от 10 Гц до 10 МГц.Во вкладке TimeDomain отображаются построенные характеристики.42Во вкладке Components приведены характеристики использованныхкомпонентов.43На следующем рисунке приведен основной график – фазовые шумыобщего синтезатора.

Также видны вклады элементов в общие фазовые шумы44Видна идеальная частота петлевого фильтра. При использовании моночастоты можно добиться минимальных суммарных фазовых шумов вопределенной частоте.В ходе расчетов получились номиналы элементов, которые реально несуществуют. Данная программа позволяет поправить их на стандартныезначения.

Так можно подобрать вплоть до компонентов и затем делать разводку.Активный усилитель в петле обратной связи ухудшит фазовыехарактеристики.На рисунке представлено измерение фазовых шумов синтезатора вдиапазоне от 3 Гц до 300 МГц, измеренный с помощью анализатора цепейAgilent. Как видно, синтезатор не имеет паразитных составляющих спектра. Наминус 90 дБ ложиться «полка» фазового детектора, уровень минус 155 дБ –ограничение анализатора цепей.45Рисунок 13 – Результаты измерений фазовых шумовПример реального синтезатора частотНа рисунках 14 и 15 представлен синтезатор частот в комплексе смодулями формирования и обработки сигналов.46Рисунок 15 – Внешний вид модуля без крышки (вид сверху)Данный модуль имеет единственный контакт для подачи напряженияпитания, которое можно варьировать в диапазоне от 9 до 29 В (то есть беремлюбой имеющийся источник напряжения – 12, 18, 24 В и т.д.).

Естественно, дляпитания каждого из отдельных функциональных узлов синтезатора необходимыразличные уровни напряжений: 1,2 В для DSP (цифровой сигнальныйпроцессор), 3.3 В для ПЛИС и т.д.47Рисунок 15 – Внешний вид модуля без крышки (вид снизу)Большинствонапряжения.уровнейLDO-регуляторформируютсянапряженияблагодаря–этоLDO-регуляторамлинейныйрегулятор,отличающийся малым падением напряжения на регулирующем элементе. Нарисунке 15 можно заметить большое количество катушек накачки типичное дляформирования различных уровней напряжений из заданного. Также на платеярко выражен цифровой сигнальный процессор, на который установленрадиатор(цифровойсигнальныйпроцессорпредставляетизсебяспециализированный программируемый микропроцессор, предназначенный дляманипулирования в реальном масштабе времени потоком цифровых данных) иПЛИС.На обратной стороне платы реализована квадратурная обработкасигналов с шириной спектра порядка 40 МГц на промежуточной частоте150 МГц.

ЦАП и АЦП для работы с такими сигналами имеют полосупропускания – 200 МГц. Напомним, что несущая частота сигнала 6 ГГц. Приприеме происходит перенос спектра на промежуточную частоту и формированиеквадратур с помощью всем известного преобразования Гильберта. (Чем же такпривлекательно преобразование Гильберта?) Опорный сигнал оптимального48корреляционного приемника, сформированный с помощью преобразованияГильберта, в отличие от любых других сигналов, позволяет повернуть фазукаждой частотной составляющей на 90º.