CC BY
76Компоненты и технологии, № 1'2003
Двойные радиочастотные синтезаторы с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты
серии ADF4000
Мы продолжаем серию статей о синтезаторах частот производства Analog Devices Inc., являющихся базовыми элементами любых систем связи, навигации, кабельного и спутникового телевидения. В серии будут рассмотрены синтезаторы частот с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты (PLL).
Сергей Дмитриев
[email protected] Юрий Никитин, к. т. н.
е-
Компания Analog Devices (ADI) предлагает широкий спектр микросхем двойных цифровых синтезаторов частот на основе систем квази-астатической импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАП) серии ADF 4000.
Серия включает в себя двойные синтезаторы как с целочисленным (integer-N), так и с дробным (frac-tional-N) коэффициентом деления. Синтезаторы серии изготавливаются по современной технологии BiCMOS 0,35 мкм, могут работать в интервале пита-
ющих напряжений 2,7-3,3 В (ADF4217L-4219L и ADF4252) или 2,7-5,5 В (все остальные) в диапазоне рабочих температур -40... +85 °С.
Семейство сдвоенных RF/IF-синтезаторов ADF4000 позволяет реализовать современные гетеродины портативных приемопередатчиков с повышением (в трансмиттере) и понижением (в приемнике) частоты. В сочетании с внешними ГУН и петлевыми фильтрами приборы семейства ADF4000 образуют законченную систему гетеродинов PLL.
Минимизации занимаемой площади печатной платы способствует минимальная обвязка микросхем пассивными элементами и переход на новые корпуса. ADI предлагает микросхемы синтезаторов не только в традиционном корпусе TSSOP, но и в корпусах типа CSP (вариант CC-24). Кроме того, повышенная интеграция способствует уменьшению энергопотребления.
На рис. 1 приведен вариант структурной схемы приемника GSM с использованием в качестве гетеродинов однокристальных двухпетлевых синтезаторов серии ADF4000. Приемник выполнен по схеме двойного преобразования частоты, поэтому двойной гетеродин на одном кристалле существенно облегчает его конструктивную реализацию.
На рис. 2 показан один из вариантов выполнения двойного гетеродина на микросхеме ADF4219L.
IFout
RFout
Рис. 2. Гетеродин для системы GSM на микросхеме ADF4219L
Компоненты и технологии, № 1'2003
На рис. 3 приведена схема широкополосного гетеродина на ИР-синтезаторе микросхемы ЛБР4213.
Диапазон синтезируемых частот составляет 1350-2340 МГц при шаге сетки 1 МГц. Полоса прозрачности петли ИФАП — 40 кГц, выходной ток частотно-фазового детектора (ЧФД) — 2,5 мА. Следует обратить внимание на построение петлевого фильтра: изодром-ное звено отделено от входной цепи ГУН буферным усилителем с коэффициентом передачи К = +4.
Буферный усилитель выполняет две основные функции:
• Во-первых, он увеличивает размах управляющего напряжения практически до 20 В (реально до 18 В) для того, чтобы ГУН перекрыл требуемый диапазон.
• Во-вторых, он изолирует по постоянному току выход ЧФД и изодромное звено от нагрузки, уменьшая тем самым возможные токи утечки.
Такая изоляция позволяет уменьшить уровень дискретных побочных спектральных составляющих (ПСС) в выходном сигнале. Действительно, при малых управляющих (запирающих) напряжениях токи утечки варикапов ГУН возрастают, как, впрочем, и при увеличении температуры.
Рост тока утечки приводит к росту уровня дискретных ПСС в низкочастотной части выходного диапазона. Использование развязки с помощью высококачественного усилителя ЛБ820 позволяет избежать неконтролируемого изменения тока.
Описание и характеристики двойных синтезаторов серии ДОР4000
Использование прескалера с различными значениями модуля Р позволяет расширить возможности применения микросхем в устройствах различного частотного диапазона. Например, у ЛБР4219Ь в 1Р-канале РМИН = 8 и
NMHH = 56, а в RF-канале Рмш =
16 и NMHH = 240
V-(OV)
Рис. 4. Структурная схема ЧФД со схемой подкачки заряда
_п_п_л_п_п_л_п_п_п_п_п_
-IN
DUTJ У I
Рис. 5. Временные диаграммы сигналов в ЧФД
\ Рис. 6. Изодромн петлевого ФНЧ =а 7 ое звено с кон ]R1 -С2 7 денсатором
и выходных токов ЧФД в секциях RF и IF двойных синтезаторов серии ADF4000.
Частотно-фазовый детектор (ЧФД) в синтезаторах рассматриваемой серии такой же, как и в микросхемах одиночных синтезаторов. Цифровая часть ЧФД дополняется парой комплементарных полевых транзисторов N1 и P1 с малыми токами управления и утечки — схемой подкачки (точнее, поддержания) заряда Charge Pump (рис. 4).
Временная диаграмма сигналов на входах и выходе детектора приведена на рис. 5. Она справедлива при использовании вполне определенных цепей внешней обвязки ЧФД — изодромного звена И1С2 и, иногда, дополнительного ФНЧ, состоящего из конденсатора С1 и внутреннего сопротивления И0 открытых транзисторов ЧФД (рис. 6).
Изодромное звено позволяет скорректировать амплитудно-частотную и фазочастотную
Таблица 1. Значения модулей деления и токов ЧФД в двойных синтезаторах серии ЛЭР4000
В таблице 1 приведены значения модулей деления прескалеров, коэффициентов деления опорных делителей Р-МАКС (ИМИН = 1)
Наименование узла ADF4206 ADF4207 ADF4208 ADF4210 ADF4211 ADF4212 ADF4213 ADF4216 ADF4217 ADF4218 ADF42117L 8L DF A ADF42119L
Р в секции РР 64/65, 32/33 8/9, 16/17, 32/33, 64/65 32/33, 64/65 32/33, 64/65 64/65, 32/33 16/17, 32/33
Р в секции 1Р 64/65, 32/33 8/9, 16/17, 32/33, 64/65 8/9,16/17 8/9,16/17
РМАКС 16383 32767 16383 16383 | 32767
!чфд мин в секции РР, мА 1,25 0,301 1,25 1,0
!чфд МАКС в секции РР, мА 4,375 9,0 4,375 4,0
!чфд мин в секции 1Р, мА 1,25 0,294 1,25 1,0
^фд МАКС в секции 1Р, мА 4,375 8,704 4,375 4,0
Число ступеней тока 1чфд 2 8 2 2
Компоненты и технологии, № 1'2003
50|js
Рис. 7. Переходный процесс в синтезаторе с различной частотой среза кольца
CLOCK
I
DATA DB20 (MSB) LE
V У / \ *2 Н
( DB19
/ \
V У
DBl \/ DBO
(CONTROL BIT C2) (CONTRO
(LSB)
L BIT CI)
"‘1
Рис. 9. Временная диаграмма загрузки данных в синтезаторы серии АЭР4200
DVdd
IF ANALOG LOCK DETECT — IF R COUNTER OUTPUT IF N COUNTER OUTPUT IF/RF ANALOG LOCK DETECT RFR COUNTER OUTPUT RFN COUNTER OUTPUT RF ANALOG LOCK DETECT DIGITAL LOCK DETECT
Рис. 10. Мультиплексор микросхем ADF4210(1/2/3)
-----It
> MUXOUT
DGND
Таблица 2. Частотные характеристики двойных синтезаторов серии ADF4000
Наименование вывода «о о сч 2 о < Гч О сч 2 о < «о о сч 2 о < о сч 2 о < сч 2 о < сч сч 2 о < «о сч 2 о < «о сч 2 о < Гч СЧ ЧГ о < «о сч 2 о < сч чГ О < 09 СЧ чГ а < сь сч чГ о <
RF Input, МГц 550 1100 2000 1200 2000 2300 2500 1200 2000 2500 3000 2500 2200
IF Input, МГц 550 1100 1100 550 550 1000 1000 550 550 550 1100 1100 1000
REFIN, МГц 40 40 40 115 115 115 115 40 40 40 110 110 110
PROUT, МГц 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 188 188 188
PDIN, МГц 55 55 55 55 55 55 55 40 40 40 56 56 56
характеристики ИФАП в окрестностях частоты среза кольца и обеспечивает его устойчивую работу в диапазоне выходных частот.
Сочетание цифрового тракта ЧФД (Б-триг-геров с цепью сброса) и пары комплементарных транзисторов позволяет в режиме синхронизма обеспечить почти нулевое временное
рассогласование Дт между активными перепадами импульсов опорного колебания и приведенного колебания ГУН; абсолютная величина такого рассогласования составляет не более единиц наносекунд. Для этого необходимо, чтобы токи утечки изодромного звена (емкости С2 и С1) были незначительными на интер-
вале одного (и каждого) периода частоты сравнения. Тогда время перезаряда емкости изо-дромного звена будет минимальным и равным внутренней задержке цепей сброса цифровой части ЧФД, то есть определяться используемой технологией изготовления кристалла.
В рассматриваемых микросхемах возможно изменение полярности (наклона) характеристики детектора с прямой на обратную. Кроме того, выход ЧФД можно отключать (переводить в третье, высокоомное, состояние).
Чем шире полоса кольца (выше частота единичного усиления), тем лучше его динамика, то есть меньше время переходного процесса. На рис. 7 показан характер переходного процесса в квазиастатическом кольце ИФАП с ЧФД при переключении с частоты 880 на 915 МГц.
Ясно видно, что кольцо ИФАП с полосой (частотой среза кольца) 35 кГц переключается быстрее кольца с полосой 10 кГц; с неточностью установления номинального значения новой частоты 10 кГц время переходного процесса составляет, соответственно, 142 мкс и 248 мкс. При уменьшении неточности установления до 1 кГц время перестройки увеличивается почти на порядок.
Крутизна управляющей характеристики ГУН Ку = ДРГУН/ДиЧФд (рис. 7) может значительно изменяться по диапазону и существенным образом влиять как на устойчивость кольца в статическом режиме (в режиме синхронизма), так и на динамику кольца.
Например, при переключении выходной частоты ГУН с 915 на 880 МГц и характере изменения крутизны, показанной на рис. 8, амплитуда выброса по частоте и время переключения увеличится, то есть возрастет колебательный характер переходного процесса.
Для компенсации изменения крутизны управляющей характеристики ГУН можно воспользоваться, например, изменением выходного тока ЧФД в диапазоне рабочих частот. Такая возможность (8 градаций) предусмотрена в синтезаторах ЛБР4210(1/2/3).
Компоненты и технологии, № 1'2003
Таблица 3. Описание функций и обозначение выводов синтезаторов ADF4210(1/2/3)
Обозначение Выполняемая функция
FLo Выход «быстрого захвата». Можно использовать для переключения внешнего резистора, чтобы изменить полосу пропускания петлевого фильтра. Это ускоряет процесс захвата кольца ИФАП.
СР RF Выход схемы поддержания заряда RF-секции ЧФД. При включении обеспечивает выходной ток ±1ср для внешнего петлевого фильтра, который управляет внешним RF-ГУН.
CP|F Выход схемы поддержания заряда ^-секции ЧФД. При включении обеспечивает выходной ток ±1ср для внешнего петлевого фильтра, который управляет внешним ^-ГУН.
AGNDrf Аналоговая «земля» RF-секции ЧФД
AGNDif Аналоговая «земля» ^-секции ЧФД
rfin Вход ВЧ RF-прескалера. Этот вход для малых сигналов подключается к выходу RF-ГУН
IFin Вход ВЧ ^-прескалера. Этот вход для малых сигналов подключается к выходу ^-ГУН
Vdd1 Питание аналоговых цепей RF-секции. Можно подавать +2,7-5,5 В. Развязывающие конденсаторы к шине аналоговой «земли» RF необходимо размещать как можно ближе к этому выводу. Потенциалы VDD1 и У002 должны быть одинаковыми.
Vdd2 Питание аналоговых цепей ^-секции, цифровых и интерфейсных трактов. Можно подавать +2,7-5,5 В. Развязывающие конденсаторы к шине аналоговой «земли» ^ необходимо размещать как можно ближе к этому выводу. Потенциалы VDD 2 и VDD1 должны быть одинаковыми.
REFin Вход опорной частоты. Это КМОП-вход с порогом VDDD/2 и эквивалентным сопротивлением 100 кОм. Входной сигнал может быть уровня ТТЛ, КМОП или синусоидальным, подаваемым через разделительный конденсатор.
DGNDrf «Земля» цифровых цепей RF синтезатора
DGNDif «Земля» цифровых цепей ^ синтезатора, цифровых цепей управления и интерфейса
CLK Вход тактовой частоты. Тактовая частота используется для тактирования последовательного ввода данных в регистры. Данные запоминаются в 24-разрядном регистре сдвига по фронту тактового импульса.
data Последовательный вход данных. Данные загружаются СЗР вперед, с двумя МЗР в качестве контрольных разрядов. Это высокоомный КМОП-вход.
le КМОП-вход разрешения загрузки. Высокий уровень загружает данные, хранящиеся в регистрах сдвига, в один из четырех регистров-защелок, который выбирается с помощью разрядов управления (контрольных битов) СО, С1.
MUXOUT Выход мультиплексора позволяет вывести наружу либо сигнал контроля синхронизма, либо приведенную частоту опорного колебания, либо приведенную частоту RF-ГУН, либо приведенную частоту ^-ГУН (см. рис. 9).
DVdd Питание цифровой части. Можно подавать +2,7-5,5 В. Развязывающие конденсаторы к шине цифровой «земли» необходимо размещать как можно ближе к этому выводу. Величина DVDD должна быть равна величине AVDD.
Vpl Питание схемы поддержания заряда RF ЧФД. Должно быть больше или равно VDD1. В системах с VDD = 3 В Ур1 может быть равно 6 В и использоваться для управления ГУН с диапазоном управления до 6 В.
Vp2 Питание схемы поддержания заряда ^ ЧФД. Должно быть больше или равно VDD1. В системах с VDD = 3 В Vp1 может быть равно 6 В и использоваться для управления ГУН с диапазоном управления до 6 В.
Таблица 4. Описание способа установки тока ЧФД в двойных синтезаторах ЛЭР4000
Тип Обозначение Выполняемая функция
ADF4206(7/8) Цифровая установка Установка тока ЧФД производится битом P5 в регистре «RF2 reference counter latch»: P5 = 0, Icp = 1,25 мА; P5 = 1, Icp = 4,375 мА
ADF4210(1/2/3) Аналоговая ^ЕТ и цифровая установка Подключение резистора между этим выводом и CPGND устанавливает максимальный выходной ток схемы поддержания заряда ЧФД. Номинальное напряжение на выводе Rset равно 0,66 В. Взаимосвязь между Icp и RSET приведена ниже: 13.5 Icp max = о ' , например, при RSet = 2,7 кОм, Icpmax = 5 мА. KS£T Установка тока IF ЧФД производится битами DB23-DB21 в регистре «IF R counter latch»; установка тока RF ЧФД производится битами DB23-DB21 в регистре «RF R counter latch».
ADF4216(7/8) Цифровая установка Установка тока IF ЧФД производится битом P5 в регистре «IF reference counter latch»: P5 = 0, Icp = 1,25 мА; P5 = 1, Icp = 4,375 мА. Установка тока RF ЧФД производится битом P13 в регистре «RF reference counter latch»: P13 = 0, Icp = 1,25 мА; P13 = 1, Icp = 4,375 мА.
ADF4217L(8L/9L) Цифровая установка Установка тока IF ЧФД производится битом P5 в регистре «IF reference counter latch»: P5 = 0, Icp = 1,0 мА; P5 = 1, Icp = 4,0 мА. Установка тока ЧФД производится битом P13 в регистре «RF reference counter latch»: P13 = 0, Icp = 1,0 мА; P13 = 1, Ict = 4,0 мА.
Итак, во-первых, у всех синтезаторов серии ADF4000 минимальный коэффициент деления частоты опорного колебания RМИН = 1.
Во-вторых, алгоритм, структура и временные параметры загрузки данных по последовательному интерфейсу во всех синтезаторах серии одинаковы. Пользователь может выбрать один из двух вариантов загрузки:
-120
Г-140
§-150
Z
-170
-180
-120
-130
Г-140
§-150
Z
LU
2-160
Vdd = 3V Vp = 5V
ADF4206 J
ADF4207 ?
4ADF4208
10 100 1000 10000 PHASE DETECTOR FREQUENCY - kHz
-180
-120 -130 I*-140
Vdd = 3V Vr = 5V
1 10 100 1000 10000 PHASE DETECTOR FREQUENCY - kHz
О
z
! -150
'■ -160
-180
Vdd = 3V Vp = 5V
10 100 1000 10000 PHASE DETECTOR FREQUENCY - kHz
Рис. 12. Зависимость уровня фазовых шумов на выходе ЧФД от частоты сравнения
• по фронту — третья строка рис. 9;
• потенциальный — четвертая строка рис. 9. Двойные синтезаторы ADF4210(1/2/3)
(рис. 11) по своим параметрам являются аналогами синтезаторов «одиночной» серии ADF4110(1/2/3) и удобны при построении приемопередатчиков различного назначения и частотного диапазона.
Кристаллы двойных синтезаторов серии ADF4206(7/8) — «pin-совместимые» аналоги серии чипов LMX2335(6/7); синтезаторы ADF4216(7/8) аналогичны приборам серии LMX2330(1/2); синтезаторы ADF4217L(8L) аналогичны кристаллам серии LMX2330L(1L), а синтезатор ADF4217L — синтезатору LMX2370 фирмы National Semiconductor.
Частотные характеристики двойных синтезаторов серии ADF4000 по радиочастотному входу RF input, по второму входу IF input, по опорному входу REFIN, по выходу преска-лера PROUT и по входу фазового детектора PDIN приведены в таблице 2.
lObD/ DIVISION
=40 dBc/Hz rmb NOISE = 1.2°
-400kHz
-200kHz 1960MHz FREQUENCY
200kHz 400kHz
FREQUENCY OFFSET FROM 1960 Mhz CARRIER 1 MHz
Рис. 13. Спектральные характеристики выходных колебаний синтезаторов ADF4217L(8L/9L)
-200kHz 900MHz 200kHz 400kHz FREQUENCY
Компоненты и технологии, № 1'2003
lObD/DMSION
RMS NOISE = 1.7'
-2kHz -1kHz 3100MHz+1 kHz +2kHz
FREQUENCY OFFSET FROM 3100Mhz CARRIER 1MHz
-2 kHz -1kHz 3100MHz+1kHz +2kHz
Рис. 14. Уровень фазовых шумов и спектральных составляющих на выходе синтезатора ADF4213
-1kHz 900MHz 1kHz FREQUENCY
-2kHz -1kHz 900MHz 1kHz 2kHz FREQUENCY
Рис. 15. Распределение фазовых шумов в ближней зоне отстроек
на частоте 1960 МГц (слева) и 900 МГц (справа) 1^ и ^ синтезаторов ADF4219L
На рис. 10 приведена структура выходного мультиплексора с указанием сигналов, значения которых могут быть скоммутированы на контрольный выход.
Спектральные характеристики синтезаторов приведены на рис. 12-15 и в комментариях не нуждаются.
Проектирование двойных синтезаторов удобно вести с помощью интерактивной программы ADIsimPLL расчета кольца ИФАП, собранного с использованием чипов серии ADF4200 (www.analog.com/pll).
Как следует из приведенного обзора, двойные Integer-N синтезаторы по многим своим пара-
метрам дублируют друг друга. Поэтому компания ADI объявила о сокращении номенклатуры двойных синтезаторов в 2003-2004 годах. Так, до одного синтезатора ADF4212 сокращается серия ADF4210(1/2/3); целиком «уходит» серия ADF4206(7/8).
Вместо нее компания ADI рекомендует синтезатор ADF4252, который в планах ADI является наиболее перспективным. Также повсеместно рекомендуются к применению синтезаторы с пониженным энергопотреблением ADF4217L(8L/9L).
В следующей статье будут рассмотрены характеристики и вопросы применения двойного радиочастотного синтезатора частот с дробным коэффициентом деления ADF4252. ИИ
Литература
1. M. Curtin, P. O Bien. PLL for HF receivers and Transmitters. Parts 1, 2, 3. Analog Dialog. 1999. Volume 33.
2. www.analog.com.
