Подписка на новости

Опрос

Нужно ли ввести комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

2007 №3

Гетеродин на 6 ГГц на базе широкополосного синтезатора с ФАПЧ с целочисленным коэффициентом деления

Кёртен Майк


Характеристики синтезатора сетки частот оказывают значительное влияние на общие показатели качества многоканальных систем пере дачи данных и других радиотехнических систем. В предлагаемой статье обсуждается схема и характеристики высококачественного синтезатора с диапазоном частот 5,4–6,0 ГГц на ба зе микросхемы ADF4106 производства компании Analog Devices, а также вопросы, связанные с применением данной микросхемы для улучшения характеристик синтезаторов с более низкими частотами.

Характеристики ИМС синтезатора частот ADF4106

Синтезатор с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) ADF4106, обладающий высокой скоростью перестройки и низкими фазовыми шумами, способен генерировать сигналы с частотой до 6 ГГц, что позволяет значительно упростить создание схем, предназначенных для работы в верхнем ISM-диапазоне (5,4–5,8 ГГц). Эта микросхема производится по улучшенной 0,35-мкм BiCMOS-технологии и является заменой для программно совместимых и совместимых по выводам с ней микросхем на 4 ГГц ADF4113. Она обладает максимальным быстродействием среди всех серийно выпускаемых синтезаторов с целочисленным коэффициентом деления, и уровень ее фазового шума на 3 дБ ниже, чем у ближайших конкурентов. Для работы ADF4106 достаточно одного источника питания с напряжением 3,3 В, однако для совместимости с уровнями напряжения настройки, которые зачастую используются в модульных ГУН, применяемых в базовых станциях, на вывод VP допускается подавать напряжение до 5,5 В.

Синтезатор частот ADF4106 (рис. 1) может использоваться для формирования сигнала гетеродина в блоках, осуществляющих перенос частоты вверх или вниз в приемниках и передатчиках систем беспроводной связи. В состав синтезатора входят: цифровой частотно-фазовый дискриминатор (ЧФД, phase-frequency detector) с низким уровнем шума, прецизионная схема «накачки заряда» (charge pump), программируемый делитель опорной частоты, два счетчика (А и В) и предделитель с двумя модулями (P/P+1). Счетчики A (6-разрядный) и B (13-разрядный) совместно с указанным предделителем образуют делитель с целочисленным коэффициентом деления N (N = ВР + А) или N-делитель. Четырнадцатиразрядный делитель опорной частоты (R-делитель) позволяет варьировать частоту сигнала, поступающего на вход ЧФД путем деления частоты сигнала REFIN.

Функциональная блок-схема ADF4106

Для создания полнофункциональной системы 25 ФАПЧ совместно с синтезатором необходимо использовать внешний фильтр контура и генератор, управляемый напряжением (ГУН). Возможность формирования с помощью ADF4106 сигналов в очень широком диапазоне частот позволяет во многих высокочастотных системах избавиться от удвоителей частоты, что, в свою очередь, ведет к упрощению архитектуры системы и снижению ее стоимости.

Практическое применение ADF4106 для создания гетеродинов с улучшенными характеристиками

Стандартная архитектура системы ФАПЧ на базе синтезатора ADF4106 или его предшественника ADF4113 показана на рис. 2. Максимальная рабочая частота ADF4113 составляет порядка 4 ГГц, для получения с ее помощью более высоких частот потребуется удвоитель частоты и, как правило, дополнительный ВЧ-усилитель, который обеспечит необходимый уровень сигнала на входе удвоителя. При использовании синтезатора ADF4106 необходимость в удвоителе частоты и связанных с ним дополнительных элементов отпадает, что приводит к упрощению схемы гетеродина и повышению ее эффективности с точки зрения потребляемой мощности.

Стандартная архитектура системы ФАПЧ

Рассмотрим в качестве примера схему, показанную на рис. 3, которая формирует выходной ВЧ-сигнал с частотами от 5,4 до 6,0 ГГц и разносом между каналами (шагом сетки), равным 1 МГц. Фазовый шум в верхней точке диапазона для данной схемы составляет –83 дБн/Гц.

Схема гетеродина на 6 ГГц на базе ADF4106

Поскольку входной импеданс ADF4106 на таких высоких рабочих частотах очень близок к 50 Ом, согласующий резистор 50 Ом по ВЧ-входу подключать не обязательно. Устранение согласующего регистра приведет к повышению эффективности передачи мощности. Значения импедансов на более низких частотах, необходимые для согласования по ВЧ-входу, могут быть получены с помощью s–параметров, которые приведены в техническом описании (data sheet) микросхемы.

Низкий уровень фазового шума позволяет использовать рассмотренную выше схему для создания малошумящего гетеродина на 1,5 ГГц, обладающего высокой скоростью перестройки. При помощи микросхемы ADF4106 и широкополосного делителя частоты можно добиться улучшения характеристик фазового шума и времени вхождения в синхронизм стандартного гетеродина для частот менее 2,0 ГГц.

Рассмотрим систему беспроводной связи, в которой требуется формирование частот в диапазо не от 1450 до 1500 МГц с шагом сетки, равным 200 кГц. Чтобы обеспечить такую перестройку при помощи синтезатора с целочисленным коэффициентом деления, опорная частота на входе ЧФД должна составлять 200 кГц; при этом коэффициент деления N будет варьироваться от 7250 (1450 МГц) до 7500 (1500 МГц). При использовании в схеме ADF4106 коэффициент фазового шума составит –88 дБн/Гц. Типичный уровень побочных составляющих опорной частоты в такой системе составит –88 дБн/Гц при отстройке на 200 кГц и –90 дБн/Гц при отстройке на 400 кГц. При ширине полосы контура, равной 20 кГц, стандартное время вхождения в синхронизм (до уровня ошибки фазы менее 10°) будет равно 250 мкс. Поскольку ADF4106 имеет широкий диапазон рабочих частот, в рассматриваемой системе можно применить альтернативную архитектуру, которая показана на рис. 4. В этой конфигурации ядро системы ФАПЧ формирует частоту, кратную требуемому выходному значению. В нашем случае требуется генерация выходных частот в диапазоне от 1450 до 1500 МГц. В диапазон рабочих попадают частоты микросхемы от 5800 до 6000 МГц (4-кратное умножение частот требуемого выходного диапазона). В предложенной конфигурации (рис. 4) частота FPFD равна 800 кГц, диапазон частот на выходе ГУН — FVCO равен 5800–6000 МГц, а окончательное значение выходной частоты гетеродина системы получается путем деления FVCO на 4: FOUT = (FPFD × N)/X.

Архитектура с улучшенными временем вхождения в синхронизм, фазовым шумом и уровнем побочных составляющих опорной частоты

Рассмотрим некоторые преимущества, которые дает подобная архитектура.

Снижение фазового шума

Фазовый шум синтезатора пропорционален 10logFPFD. То есть с каждым удвоением частоты ЧФД фазовый шум синтезатора ухудшается на 3 дБ. Однако частота выходного сигнала ГУН в данной схеме подвергается делению, а его фазовый шум подчиняется закону 20logX. Следовательно, каждое удвоение Х приводит к улучшению фазового шума на 6 дБ. Если частота на входе ЧФД повышается, как в рассматриваемом примере, в четыре раза, то FVCO для получения необходимой частоты FOUT делится на четыре. Таким образом, потери за счет умножения частоты ЧФД в четыре раза составят 6 дБ, выигрыш за счет деления выходной частоты на 4–12 дБ и общий выигрыш в уровне фазового шума в системе, показанной на рис. 4, по сравнению со стандартной архитектурой составит 6 дБ. Для рассматриваемого примера результирующий фазовый шум будет равен –94 дБн/Гц.

Снижение уровня побочных составляющих опорной частоты

В синтезаторе с ФАПЧ с целочисленным коэффициентом деления в выходном сигнале на частотах отстройки, кратных частоте ЧФД, присутствуют побочные составляющие опорной частоты. В выходном сигнале ГУН в системе, показанной на рис.4, они появятся на частотах отстройки FPFD, 2FPFD, 3FPFD и т. д. Однако частота этого сигнала делится на X. В данном примере Х = 4 и FOUT = FVCO/4. Побочные составляющие останутся на указанных частотах, но их уровень уменьшится по закону 20logX на 12 дБ.

Шаг сетки частот на выходе системы, показанной на рис. 4, равен FPFD/X (FPFD/4 для рассматриваемого примера). Таким образом, при формировании выходных частот в диапазоне от 1450 до 1500 МГц с шагом сетки, равным 200 кГц, на частотах отстройки 200, 400 и 600 кГц побочных составляющих опорной частоты не будет, а на 800 кГц их уровень будет равен 90 дБн.

Сокращение времени входа в синхронизм

Поскольку в конфигурации, показанной на рис. 4, ЧФД работает на более высокой частоте, сравнение фазы осуществляется с этой частотой и, следовательно, контур входит в синхронизм быстрее. Кроме того, из-за более высокой входной частоты ЧФД ширину полосы контура можно увеличить, что также положительно влияет на время вхождения в синхронизм. В данном примере при ширине полосы контура ФАПЧ, равной 80 кГц, и допустимой ошибке фазы не более 10° оно составляет приблизительно 70 мкс.

Реализованная схема конфигурации, показанной на рис. 4, изображена на рис. 5.

Гетеродин на 1,5 ГГц на базе ADF4106 с выходным делителем

Основные характеристики схемы на рис. 5 приведены в таблице.

Таблица. Основные характеристики схемы
Основные характеристики схемы

Платой за улучшение характеристик является дополнительная стоимость выходного делителя и увеличение потребляемой мощности системы (HMC требует 68 мА в дополнение к 13 мА, которые необходимы для работы ADF4106). Таким образом, переход к этой архитектуре целесообразен, когда улучшение характеристик системы является критическим требованием. Увеличение занимаемого пространства на печатной плате в данном случае минимально, так как HMC выпускается в 8-выводном корпусе SOIC.

Ширина полосы пропускания

Использование при производстве микросхемы технологического процесса 0,35 мкм BiCMOS и грамотное применение методов проектирования ВЧ-схем позволяют предделителю ADF4106 работать с частотой 6,0 ГГц при уровне входного сигнала –10 дБм (относительно 50 Ом) во всем промышленном диапазоне температур (от –40 до +85 °С). На рис. 6 показана типичная зависимость чувствительности ADF4106 в корпусе TSSOP от частоты при –40 °С, +25 и +85 °С. Из этого графика следует, что в диапазоне рабочих частот до 6 ГГц чувствительность устройства не хуже –15 дБм.

Зависимость чувствительности ADF4106 от частоты

Фазовый шум

Фазовый шум — это мера спектральной чистоты сигнала гетеродина. Он является наиболее важным параметром блока гетеродина в радиотехнических системах и непосредственно влияет на чувствительность приемника. Этот параметр определяется как отношение мощности шума в полосе 1 Гц при заданной отстройке относительно несущей выходного сигнала и в логарифмической форме представляется в единицах дБн/Гц. Как правило, для измерения фазового шума применяется спектроанализатор.

На рис. 7 показана модель схемы, которая будет использоваться при дальнейшем обсуждении фазового шума системы ФАПЧ.

Базовая модель системы фазовой автоподстройки частоты

Полный фазовый шум системы ФАПЧ (в дБ) описывается выражением:

где PNTOTAL — это полный фазовый шум системы ФАПЧ; PNSYNTH — фазовый шум, обусловленный непосредственно схемой синтезатора с ФАПЧ; 20logN — вклад в фазовый шум вследствие умножения частоты, определяемый коэффициентом деления цепи обратной связи (1/N); 10logFPFD — вклад в шум входного сигнала ЧФД. График на рис. 8 иллюстрирует зависимость фазового шума ADF4106 от частоты на входе ЧФД — FPFD.

Зависимость фазового шума ADF4106 от входной частоты ЧФД

Получив путем измерения значение полного шума, можно найти показатель шума синтезатора по формуле:

Это выражение позволяет сравнивать качество синтезаторов с ФАПЧ независимо от коэффициента деления N и частоты ЧФД, которые одинаковы для всех однотипных схем ФАПЧ. В случае ADF4106 данная величина равна –219 дБн/Гц, что на 3 дБ ниже, чем у ADF4113, который до недавнего времени имел наилучшие показатели фазового шума среди синтезаторов с целочисленным коэффициентом деления.

Зная фазовый шум синтезатора, разработчик может найти полный фазовый шум системы ФАПЧ при любых заданных частотах ЧФД и выходного ВЧ-сигнала. Рассмотрим в качестве примера формирование сигнала гетеродина с частотой в диапазоне от 1700 до 1800 МГц и шагом сетки частот, равным 200 кГц. На основании выражения (1) величина фазового шума системы при использовании в качестве синтезатора микросхемы ADF4106 равена:

Рис. 8 показывает, что ADF4106 подчиняется «правилу» 10logFPFD (зависимость фазового шума от логарифма частоты ЧФД близка к линейной) при частотах на входе ЧФД до 30 МГц. У некоторых синтезаторов с целочисленным коэффициентом деления эта зависимость резко ухудшается при значениях частоты ЧФД, превышающих 1 МГц.

Заключение

Применение микросхемы синтезатора сетки частот ADF4106 позволяет значительно упростить создание гетеродинов с частотой до 6 ГГц для приемных и передающих трактов различных радиотехнических систем за счет устранения из схемы удвоителей частоты и сопутствующих им цепей согласования уровня. Кроме того, при помощи малогабаритных делителей частоты со сравнительно низкой потребляемой мощностью на базе ADF4106 можно строить гетеродины для диапазонов 2 ГГц и менее, обладающие улучшенными шумовыми характеристиками и высоким быстродействием.

Литература

  1. Mini-Circuits Corporation. VCO Designer’s Handbook, 1996.
  2. Couch L. W. Digital and Analog Communications Systems. Macmillan Publishing Company, New York, 1990.
  3. Vizmuller P.. RF Design Guide. Artech House, 1995.
  4. Best R. L. Phase Locked Loops: Design, Simulation and Applications. 3rd ed. McGraw Hill, 1997.
  5. Bannerjee D. PLL Performance, Simulation and Design. National Semiconductor Website.
  6. Analog Devices Inc. Data Sheet for ADF4106.
  7. Hittite Microwave Corporation. Data Sheet for HMC362S8G.
  8. Curtin M. Phase-Locked Loops. 3-part series // Analog Dialogue 33-3, 33-5, and 33-7 (1999). Also in hard copy: Analog Dialogue. Vol. 33, 1999.
  9. Goldberg Bar-Giora. Digital Frequency Synthesis Demystifi ed (LLH, 1999).

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Беспроводные технологии PDF


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке