Лекция по синтезаторам частот, страница 5

Широкополосный фазовращатель на 90ºявляется физической реализацией преобразования Гильберта). Как результат,DSP образует необходимые для дальнейшей обработки квадратуры.На рисунке 16 изображен непосредственно синтезатор.Рисунок 16 – Внешний вид синтезатора частотНа данном рисунке: микросхема ADF4107 – это PLL (ФАПЧ) фирмыAnalog devices, F2001 – управляющий контроллер фирмы Texas Instruments(работает один раз при включении питания), Z-COMM CRO6000Z – ГУН сцентральной частотой 6 ГГц и характеристикой 18 МГц/В, HMC496LP3 –двухканальный делитель мощности фирмы Analog devices, HMC437MS8G –квадратурный модулятор фирмы Analog devices, который, ко всему прочему,обеспечивает подавление зеркального канала на 60 дБ, HMC604LP3 – выходнойусилитель сигнала фирмы Analog devices. Синтезатор выполнен на подложкефирмыRogers,длякоторойхарактерны49малыепотери,ивысокаятеплопроводность.

Сборка такой платы осуществляется в автоматическом илиполуавтоматическом режиме в многозонной вакуумной парафазной печи.Влияние питающих напряжений на характеристики синтезаторовчастотСинтезатор частот чувствителен к шумам по питанию, поэтому дляпитания каждого из отдельных функциональных устройств блока синтезатораприменяются LDO-регуляторы напряжения (стабилизаторы).На рисунке 17 приведена схема питания ФАПЧ, на которой обозначенытребования к питанию её компонентов.Рисунок 17 – Подсистема питания для схем ФАПЧЧем выше коэффициент влияния напряжения питания на выходнуючастоту ГУН в схеме ФАПЧ, тем больше шум напряжения питания ГУН.

Такимобразом, для минимизации влияния на фазовый шум ГУН необходимоиспользовать малошумящие источники питания. На рисунке 18 показаносравнение фазового шума микросхемы ADF4350 на частоте 4,4 ГГц привариантах питания от двух LDO-стабилизаторов ADP3334, двух LDOстабилизаторов ADP150 и двух батареек типа AA.50Рисунок 18 – Фазовый шум микросхемы ADF4350 при различныхвариантах питанияИз рисунка 18 следует, что LDO-стабилизатор вносит свой вклад вфазовый шум.

Представим вклад в фазовый шум LDO-стабилизатора в видеаддитивной составляющей (), как показано на рисунке 19Рисунок 19 – Фазовый шум микросхемы ADF4350 при различныхвариантах питанияОднополосная спектральная плотность мощности () в полосе 1 Гцопределяется выражением:() = 2 ()/2.51Вклад шума стабилизатора в фазовый шум ГУН (дБн/Гц) при отстройкечастоты определяется по следующей формуле. = 10 [где(ℎ ∙ ())22∙2] = 20 ∙ [ℎ ∙ ()√2∙], – вклад шума стабилизатора в фазовый шум ГУН (дБн/Гц) приотстройке частоты ;ℎ – коэффициент влияния напряжения питания на выходнуючастоту ГУН (Гц/В); ()–спектральнаяплотностьшумовогонапряженияLDO-стабилизатора.Пример! Рассмотрим в качестве примера ГУН с коэффициентом влияниянапряжения питания на выходную частоту 10 МГц/В и фазовым шумом –116 дБн/Гц при отстройке на 100 кГц.

Какой должна быть спектральнаяплотность шума источника питания, чтобы она не приводила к ухудшениюшумовых характеристик ГУН при отстройке на 100 кГц?Решение: шум в цепи питания и собственный шум ГУН складываются позакону корня из суммы квадратов, и, следовательно, для минимизации вкладашума источника питания он должен быть, по меньшей мере, на 6 дБ нижесобственного шума ГУН. Таким образом, величина LLDO должна быть меньше –122 дБн/Гц.

Пользуясь приведенными формулами, получаем:−1 (−12210 МГц/В ∙ ())=10√2 ∙ 100 кГцРешая данное уравнение относительно (), имеем спектральнуюплотность шумового напряжения при отстройке на 100 кГц () = 11,2 нВ/√ГцЗначениеспектральнойплотностишумаLDO-стабилизаторапри заданной отстройке обычно можно определить при помощи типовыхграфиков характеристик, приводимых в техническом описании стабилизатора.Также для уменьшения шума LDO-стабилизатора добавляют фильтрациюпо выходу LDO-стабилизатора.

Вариант с фильтрацией может быть хорошим52выбором, если требования к шуму без фильтра превышают возможностиимеющихся LDO-стабилизаторов. Зачастую для уменьшения внеполосногошума LDO-стабилизатора на 20 дБ достаточно простого П-образного LCфильтра (рисунок 20)Рисунок 20 – П-образный LC-фильтрПри выборе компонентов следует соблюдать осторожность.

Типичнаякатушка индуктивности фильтра будет иметь номинал порядка мкГни ферритовый сердечник, поэтому необходимо учитывать ее ток насыщения(ISAT) — уровень постоянного тока, при котором индуктивность падает на 10%.Ток, потребляемый ГУН, должен быть ниже ISAT. Интерес также представляетэффективное последовательное сопротивление, поскольку оно вызывает падениенапряжения в фильтре. Чтобы добиться падения напряжения менее 100 мВ, дляГУН микроволнового диапазона с потребляемым постоянным током 300 мАпотребуется катушка индуктивности с эквивалентным последовательнымсопротивлением менее 0,33 Ом. С другой стороны, чтобы сделать откликфильтра менее резким и повысить стабильность LDO-стабилизатора, небольшоененулевоеэквивалентноепоследовательноесопротивлениенеобходимо.На практике рекомендуется выбрать конденсатор с очень малым паразитнымпоследовательнымсопротивлениеми использоватьдляповышениястабилизации отдельный последовательный резистор.Пример микросхемы ФАПЧ Analog Device ADF4351 со встроеннымГУНомРассмотрим микросхему ADF4351 фирмы Analog devices (рисунок 21).53Рисунок 21 – Функциональная диаграмма микросхемы ADF4351В данной микросхеме одновременно присутствуют ФАПЧ с дробнымкоэффициентом деления и ГУН.

Темным прямоугольником на функциональнойдиаграмме обозначен делитель с дробным коэффициентом деления. Дробныйкоэффициент деления позволяет значительно уменьшить шаг перестройки додолей 1 Гц. Минусы дробного коэффициента деления:- постоянно присутствует набор частот, кратный коэффициенту деления,что сильно искажает спектр;- поднимаются общие фазовые шумы (на 3 дБ по сравнению с ФАПЧ сцелочисленными коэффициентами деления).Здесь встроенный генератор, с ведущей частотой от 2,2 до 4 ГГц.Физически, данный генератор состоит из 3.

Кроме того, стоит предделитель,который позволяет сделать удобные коэффициенты деления для минимизациивсех помех. Перед генератором накачки стоит стандартный фазочастотныйдетектор. Генератор накачки соединяется с Vtune и управлением ГУНа черезвнешний петлевой фильтр.54На рисунке 22 приведены зависимости фазовых шумов от частоты.Рисунок 22 – Фазовые шумы ADF4351На графиках видны паразитные составляющие в виде вертикальныхлиний, это как раз продукты дробного деления, что необходимо учитывать привыборе частоты.55На рисунке 23 представлена зависимость генерируемой частоты отнапряжения на управляющем входе. ГУН состоит из трёх генераторов, и такжена графике видно 3 зоны, которые создают внутренние генераторы, о которыхбыло написано выше.Рисунок 23 – Зависимость генерируемой частоты от напряженияПри программировании необходимо задать рабочую частоту.Минусом такой системы является перестроение по последовательномуканалу, при этом возникает необходимость дополнительных кодов.

Вследствиеэтого уменьшается скорость обмена данных.56Пример схемы подключения ADF4351 в качестве генератора дляквадратурного модулятора (рисунок 24).Рисунок 24 – Схема подключения ADF4351 в качестве генератора дляквадратурного модулятораК Vtune и CPout подключен простейший петлевой фильтр.ADL5375 – квадратурный модулятор.AD9788 – синтезатор прямого синтеза.Принцип работы:С помощью ADF4351 изменяют опорную частоту, далее на ADL5375делают сдвиг фаз (чаще 45 градусов), чтобы организовать синусную иликосинусную составляющую опорной частоты.

На AD9788 формируетсямодулирующий сигнал. Затем он поступает на квадратурный модулятор, гдепроисходит суммирование.57Цифровые синтезаторы частотПосле того как в схемотехнике появились скоростные ЦАП, мировыепроизводители микросхем сумели реализовать прямой цифровой синтез в одноймикросхеме. На рисунке 25 приведена схема простейшего прямого цифровогосинтезатора.Рисунок 25 – Простейший прямой цифровой синтезаторНа вход счетчика поступает сигнал от опорного генератора. С помощьюделителя частоты можно получить необходимый коэффициент деления.

Накаждый такт счетчик переключается на одну единицу. Здесь он выступает какнакопитель фазы, постоянно увеличивая свое значение. Далее сигнал поступаетв ПЗУ, где фактически берется синус от накопленной фазы. Если установить, чтоминимальное значение кода будет соответствовать фазе в 0 градусов, амаксимальное 360 градусам, то за полный цикл счетчика получается полныйцикл синусоиды.

Дальше счетчик переполнится, и синусоида начнет повторятся.Затем отсчеты поступают на ЦАП, фильтруются и получается выход. У такогосинтезатора есть свои недостатки. В частности, так как ЦАП имеет переменныечастоты тактирования, соответственно появляются всевозможные эффектыфильтрации, которые не так легко убрать.58Прямой цифровой синтезатор на основе накапливающего сумматораНа рисунке 26 опорный генератор тактирует ЦАП и промежуточныйрегистр перед таблицей преобразования «фаза-код» в ПЗУ.