Razvijalci merilnih instrumentov in sistemov za zagotavljanje razmerij med signalom in šumom (SNR) ali velikosti vektorjev napak (EVM), potrebnih za izpolnjevanje vedno večjih zahtev strank, potrebujejo signale z nizkim tresenjem ter brez motenj.
Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
2021-300-20
Hkrati pa se soočajo z občutnimi pritiski, da bi zmanjšali tako zasedeni prostor na tiskanem vezju in stroške razvoja kot kompleksnost. Slednje je bistvenega pomena za krajšanje časa, potrebnega za razvoj, da bi se doseglo vedno krajše roke za vstop na trg.
Da bi se inženirji uspešno spopadli s številnimi izzivi uporabe, morajo prilagojene, tradicionalno samostojne zasnove svojih rešitev za merilne instrumente in merilne taktne signale preoblikovati v bolj integrirane rešitve. Pomemben korak na tej poti je uporaba integrirane fazno sklenjene zanke (PLL). Ta omogoča višanje frekvence signala tradicionalnega napetostno krmiljenega oscilatorja (VCO) in hkratni bistveno ohranja tresenje ter fazni šum fiksnega zunanjega lokalnega oscilatorja (LO).
Ta članek obravnava vlogo sklenjene zanke pri doseganju najnižjega integriranega faznega šuma v industriji. S primerom predstavlja celostni sistem sklenjene zanke (TL SiP) ADF4401A družbe Analog Devices in prikazuje, kako ta na zahteve za učinkovitost odgovarja z izhodnim signalom z zmogljivostjo efektivnega širokopasovnega integriranega tresenja, manjšega od -10 femtosekund (fs), ter izboljšano izolacijo za oslabitev motečih komponent, hkrati pa izpolnjuje potrebe razvojnikov glede integracije, stroškov, kompleksnosti in rokov do vstopa na trg.
Primerjava delovanja običajne fazno sklenjene zanke (PLL) in sklenjene zanke
Glavni namen sklenjene zanke je ustvarjanje izhodnega signala, ki je sinhroniziran z vhodnim referenčnim signalom z znatno znižanim faznim šumom znotraj frekvenčnega pasu v primerjavi z običajnimi fazno sklenjenimi zankami (PLL).
Standardna fazno sklenjena zanka (PLL) je sestavljena iz fazno-frekvenčnega detektorja (PFD), ojačevalnika, nizkopasovnega filtra (LPF), napetostno krmiljenega oscilatorja (VCO) in delilnika frekvence N (slika 1).
Fazno-frekvenčni detektor (PFD) primerja fazo vhodne reference in fazo povratnega signala ter sorazmerno s fazno napako med njima ustvari niz impulzov. Ojačevalnikojači impulze fazno-referenčnega detektorja (PFD) in jih pretvori v tok oziroma zmanjša impulze, ki nato napetostno krmiljenemu oscilatorju (VCO) povišajo ali znižajo frekvenco. Nizkopasovni filter (LPF) odstrani vso visokofrekvenčno energijo impulzov in jih pretvori v napetost, ki jo napetostno krmiljeni oscilator (VCO) lahko uporabi. Izhodni signal napetostno krmiljenega oscilatorja (VCO) se vrne nazaj v blok fazno-frekvenčnega detektorja (PFD) prek delilnika N, da se zanka sklene.
Frekvenčna prenosna funkcija slike 1 se izračuna z enačbo 1:
FRF = N x FPFD Enačba 1
Pri čemer je FRF izhodna frekvenca
N razmerje delilnika (lahko je celo število ali ulomek)
FPFD je frekvenca fazno-frekvenčnega delilnika
Prag šuma znotraj frekvenčnega pasu slike 1 se izračuna z enačbo 2:
Prag šuma znotraj frekvenčnega pasu = FOMPLL + 10 log10 (FPFD) + 20 log10 (N) Enačba 2
Pri čemer je FOMPLL izkoristek (FOM) pragu faznega šuma znotraj frekvenčnega pasu fazno sklenjene zanke (PLL)
Poglejmo primer s pragom faznega šuma znotraj frekvenčnega pasu z izkoristkom (FOM) -234 decibelov na Hertz (dB/Hz), frekvenco fazno-frekvenčnega delilnika (FPFD) 160 megahertzev (MHz) in izhodno frekvenco (FRF) 8 gigahertzev (GHz).
Pri tem sistemu se vrednost N izračuna z enačbo 1:
FRF = N x FPFD
8000 MHz = N × 160 MHz
N = 50
Prag šuma znotraj frekvenčnega pasu se izračuna z enačbo 2:
Prag šuma znotraj frekvenčnega pasu = FOMPLL + 10 log10 (FPFD) + 20 log10 (N)
= -234 dBc/Hz + 10 log10 (160e6 Hz) + 20 log10 (50)
= -118 dBc/Hz
Pri zgornjem izračunu delilnik N veliko prispeva k skupnem pragu šuma znotraj frekvenčnega pasu z 20 log10 (50), kar je enako 34 dB. Manjša vrednost N zmanjša prag šuma znotraj frekvenčnega pasu, vendar zmanjša tudi izhodno frekvenco. Kako torej ustvarimo visoko izhodno frekvenco in ohranimo nižje ojačenje zanke (N)?
To težavo rešimo tako, da delilnik N zamenjamo z mešalno stopnjo, ki niža frekvenco (slika 3).
Na sliki 3 mešalnik zamenja delilnik N, zaradi česar je ojačenje zanke enako 1 (N=1). Ta operacija občutno zmanjša prispevek povratne zanke pragu šuma znotraj frekvenčnega pasu. Pri izračuni šuma znotraj frekvenčnega pasu je vrednost N zdaj enaka 1. Z enačbo 2 je zdaj prag šuma znotraj frekvenčnega pasu pri prilagojenem sistemu, kot sledi:
Prag šuma znotraj frekvenčnega pasu = FOMPLL + 10 log10(FPFD) + 20 log10 (N)
= -234 dBc/Hz + 10 log10(160e6 Hz) + 20 log10(1)
= -152 dBc/Hz
Pri novem šumu znotraj frekvenčnega pasu je zdaj opazna izboljšava v vrednosti 34 dBc/Hz.
Pri sliki 3 je mešalnik odvisen od lokalnega oscilatorja (LO) z izjemno nizkim šumom, imenovanega LO z odmikom. FLO ± FRF mora biti enako FPFD, da se zanka sklene.
Pri arhitekturi prenosne zanke je fazni šum LO z odmikom zelo pomemben za doseganje največje učinkovitosti izhodne frekvence RF. Zato inženirji LO z zamikom običajno načrtujejo na podlagi napetostno krmiljenega oscilatorja površinskega akustičnega vala (SAW), oscilatorjev (VCSO), »comb« generatorjev ali oscilatorjev z dielektričnim resonatorjem (DRO). OPOMBA: Za pomoč pri načrtovanju LO z odmikom se obrnite na družbo Analog Devices.
Izzivi sklenjene zanke
Običajno zasnova prenosne zanke z nizkim šumom vključuje uporabo številnih blokov v vezju, zaradi česar je zasnova kompleksna, pogosto velika in ima omejeno prilagodljivost. Poleg tega je treba celotno vezje ovrednotiti in mu določiti karakteristike za ciljno delovanje. Ena glavnih težav zasnove je na primer neželen tok lokalnega oscilatorja (LO) v izhodni signal RF (izolacija med LO in RF). To je za inženirje velik izziv. Pri tradicionalnih zasnovah inženirji optimalno učinkovitost in ustrezno izolacijo dosežejo z večkratnimi ponovitvami načrtovanja.
Slika 3 prikazuje, kako sistem ADF4401A integrira velike bloke v vezju, da zagotovi rešitev s popolno karakterizacijo, ter odpravi običajno težavna območja, povezana z učinkovitostjo in izolacijo pri zasnovah s prenosno zanko. To rešitev je mogoče programirati in inženirjem omogoča, da dosežejo optimalno učinkovitost že pri prvem poskusu ter skrajšajo čas do vstopa na trg.
Razvojni sistem ADF4401A
Sistem ADF4401A je zasnovan tako, da inženirjem pomaga skrajšati čas do vstopa na trg za visoko zmogljive instrumente z rešitvijo za generiranje VF frekvenc s pasovno širino od 62,5 MHz do 8 GHz. Zahvaljujoč mešalniku za nižanje frekvence ima sistem ADF4401A zelo nizek šum znotraj frekvenčnega pasu z integriranim širokopasovnim tresenjem ~9 femtosekund (fs) v območju od 100 Hz do 100 MHz. Tehnike zasnove in postavitve znotraj sistema ADF4401A omogočajo običajen dinamični razpon brez motenj 90 dBc. Velikost ohišja je 18 × 18 × 20 milimetrov (mm), kar v primerjavi s tradicionalno samostojno zasnovo občutno zmanjša zasedeni prostor na plošči.
Za ocenjevanje učinkovitosti naprave lahko razvojniki uporabijo razvojno ploščo EV-ADF4401ASD2Z (slika 4). Plošča vključuje celotno sklenjeno zanko, vključno z zunanjim fazno-frekvenčnim detektorjem (PFD) (HMC3716), aktivnim filtrom (LT6200) in multiplekserjem (ADG1609).
Plošča EV-ADF4401ASD2Z vključuje sistem ADF4401A TL SiP z integriranim napetostno krmiljenim oscilatorjem (VCO), filter zanke (5 MHz), fazno-frekvenčni detektor (PFD), USB vmesnik in regulatorje napetosti. Poleg tega plošča EV-ADF4401ASD2Z potrebuje ploščo s krmilniki za demonstracijsko platformo sistema (SDP) (serijsko) EVAL-SDP-CS1Z (SDP-S) (slika 5). Ta plošča plošči EV-ADF4401ASD2Z zagotavlja povezavo USB z računalnikom, ki je potrebna za programiranje. Plošča s krmilniki ni vključena v komplet EV-ADF4401ASD2Z.
Slika 6 prikazuje fizične povezave sistema EV-ADF4401ASD2Z. Povezana programska oprema Analysis | Control | Evaluation (ACE) nadzira funkcije sistema TL SiP. Sistem se napaja z zunanjim 6-voltnim napajanjem.
Oprema, predlagana za uporabo z razvojno ploščo vključuje računalnik s sistemom Windows, spektralni analizator ali analizator vira signala in tri generatorje signalov.
Blokovna shema plošče EV-ADF4401ASD2Z prikazuje modul ADF4401A skupaj s fazno-frekvenčnim detektorjem (PFD) HMC3716, operacijskim ojačevalnikom LT6200 in stikalom SPDT ADG1219 družbe Analog Devices (slika 7).
Ključnega pomena je, da se uporabi fazno-frekvenčni detektor (PFD), ki lahko deluje pri visokih frekvencah, saj to zmanjša potrebo po delilnikih, ki lahko zmanjšajo odziv šuma znotraj referenčnega pasu. Zaradi svoje zmogljivosti frekvence za primerjavo 1,3 GHz faz je detektor HMC3716 družbe Analog Devices popoln za uporabo v območju srednjih frekvenc modula ADF4401A. Ker je tako vezje sposobno primerjati tako frekvenco kot fazo, dodatno vezje za krmiljenje frekvence v želeno izhodno frekvenco ni potrebno. Detektor HMC3716 postane zunanji fazno-frekvenčni detektor (PFD) za sklenitev zanke za odmik. Visokofrekvenčno delovno območje in ultra nizek prag šuma detektorja HMC3716 omogočata načrtovanje filtrov za zanke s širokim frekvenčnim pasom.
Na sliki 7 operacijski ojačevalnik LT6200 s konfiguracijo nizkopasovnega filtra (LPF) oslabi visokofrekvenčne motnje, stikalo ADG1219 pa sklene prenosno zanko sistema.
Razvojna oprema EV-ADF4401ASD2Z izriše grafe šuma znotraj frekvenčnega pasu in meritve tresenja, kot je prikazano na sliki 8.
Na sliki 8 sta vhoda LO2 in HMC3716 generator signalov RF in mikrovalovnih signalov SMA100B. Šum znotraj frekvenčnega pasu LO2 razvojne plošče znaša okoli -135 dBc/Hz, kar je očitno pri nizkih odmikih do 300 kHz. Oscilator LO2, modul ADF4401A, fazno-frekvenčni detektor HMC3716 in filter zanke prispevajo k šumu znotraj frekvenčnega pasu v vrednosti okoli -140 dBc/Hz. Notranji fazni šum se pojavlja v območju med 5 MHz in 50 MHz, prag faznega šuma napeljave pa je približno -160 dBc/Hz. Skupaj torej efektivno tresenje znaša 12,53 fs.
Zaključek
Merilni sistemi visoke hitrosti potrebujejo taktne signale z izjemno nizkim tresenjem, da se zagotovi nedotaknjenost izhodnih podatkov. Izziv za inženirje je, da poiščejo primerne naprave, s katerimi je mogoče zgraditi sistem za gigaherčne taktne signale visoke hitrosti. Prenosna zanka ADF4401A občutno poenostavi izbiro naprav za izgradnjo sistema za taktne signale, saj ponuja kompakten modul, ki zagotovi nizko tresenje pri visokih frekvencah, hkrati pa zmanjšuje zasedeni prostor na plošči, stroške in čas do vstopa na trg.
