CC BY
30650 www.finestreet.ru компоненты генераторы
Интегральные радиочастотные синтезаторы частоты с ФАПЧ
National Semiconductor
Геннадий ШТРАПЕНИН, к. ф.-м. н.
Фирма National Semiconductor является одним из ведущих производителей интегральных микросхем (ИМС) радиочастотных синтезаторов частоты (РСЧ) на основе системы фазовой автоподстройки частоты — Phase Lock Loop (ФАПЧ — PLL). Последнее семейство синтезаторов серии PLLatinum охватывает частотный диапазон до 5 ГГц и обладает наилучшими в мире характеристиками, аналоги микросхем серии выпускаются и другими фирмами во многих странах. National Semiconductor поставляет свои изделия основным мировым производителям оборудования средств связи, таким как AT&T, Ericsson, Siemens, NEC и Alcatel.
Принцип работы устройств с системой ФАПЧ основан на использовании генератора, управляемого напряжением (ГУН), частота которого подстраивается под частоту входного управляющего сигнала с точностью до некоторого (небольшого) фазового сдвига. Структурная схема простейшей системы ФАПЧ приведена на рис. 1.
Для сравнения частоты и фазы ГУН и входного сигнала ивх используется фазовый детектор ФД, на выходе которого формируется сигнал ошибки иош, поступающий на фильтр нижних частот ФНЧ. Выходной сигнал последнего иупр является сигналом управления для автоматической подстройки частоты и фазы ГУН.
Система ФАПЧ может быть не только аналоговой, но и импульсной, цифровой или комбинированной. В импульсной системе ФАПЧ в качестве ФД используется логическая схема на D-триггерах с программируемой задержкой срабатывания и выходным каскадом в виде управляемого генератора тока на комплементарных полевых транзисторах — так называемой схеме подкачки заряда (Charge Pump), длительность выходных импульсов которой пропорциональна разности фаз входных сигналов, а в цифровой
ФАПЧ выходным является цифровой сигнал (поток данных), полученный в результате обработки квантованных отсчетов аналогового сигнала.
Типовая структурная схема современного радиочастотного синтезатора частоты с импульсно-фазовой ФАПЧ, приведенная на рис. 2, включает делитель частоты входного (опорного) сигнала кварцевого генератора Роп с фиксированным целочисленным коэффициентом деления (ДФКД), коэффициент деления которого К может устанавливаться внешним управляющим кодом, и делитель частоты ГУН с переменным коэффициентом деления (ДПКД) N, также устанавливаемым внешним кодом с шагом 1. Значение частоты выходного сигнала синтезатора Рвых рассчитывается по формуле, приведенной на рис. 2.
Отметим, что в современных интегральных синтезаторах частоты для повышения диапазона генерируемых частот ДПКД состоит из двухмодульного (с двойным целочисленным коэффициентом деления Р/Р+1) предварительного высокочастотного делителя частоты — прескалера, выполняемого по технологии БиКМОП, и двух сравнительно низкочастотных поглощающих счетчиков-делителей с коэффициентами пересчета А и В,
работающих на частотах порядка 300 МГц и ниже, которые могут быть реализованы на комплементарных МОП-структурах. При этом результирующий коэффициент деления N представляется в виде N = А(Р+1)+ВР, и для М^мин = -Р(-Р-1) можно получить непрерывную последовательность коэффициентов N вплоть до ^акс = Амакс+^акс, где величины Амакс и Вмакс определяются разрядностью счетчиков.
К основным параметрам РСЧ с ФАПЧ относятся диапазон генерируемых частот, шаг и время перестройки, уровень побочных составляющих основного сигнала и фазовый шум, характеризующий девиацию фазы и частоты ГУН. Величина фазового шума характеризует убывание мощности сигнала по частоте и рассчитывается как отношение мощности в полосе частот шириной 1 Гц на частоте, отстоящей от основной несущей частоты на 1 кГц, к мощности сигнала основной несущей в такой же полосе частот. Фазовый шум измеряется в дБс/Гц, где дБс — уровень мощности относительно центральной частоты несущей.
Фазовый шум существенно влияет на параметры приемопередающей аппаратуры с РСЧ. С ростом коэффициента деления N фазовый
Рис. 1. Упрощенная структурная схема устройства фазовой автоподстройки частоты
Таблица. Основные параметры интегральных РСЧ National Semiconductor
Тип Корпус Диапазон частот основного входного сигнала,ГГц Диапазон частот второго входного сигнала, ГГц Напряжение питания, В Потребляемый ток, мА Номированный фазовый шум, Дбс/Гц Коэффициенты деления основного прескалера Коэффициенты деления второго прескалера Выходной ток, мА Примечание
тип тип мин макс тип тип тип
LMX2306 TSSOP-16, CSP-16 0,025-0,55 2,3 5,5 1,7 -210 8/9 0,25/1,0 Экономичный
LMX2326 TSSOP-16, CSP-16 0,1-2,8 2,3 5,5 4,7 -210 32/33 0,25/1,0 То же
LMX2310U TCSP-20 0,5-2,5 2,7 5,5 2,3 -212 16/17 или 32/33 1,0/4,0 Сверхэкономичный
LMX2313U TCSP-20 0,045-0,6 2,7 5,5 1,0 -212 8/9 или 16/17 1,0/4,0 То же
LMX2324 TSSOP-16, CSP-16 0,1-2,0 2,7 5,5 3,5 - 32/33 4,0 Упрощенный
LMX2346 TSSOP-16, CSP-16 0,2-2,0 2,7 5,5 3,0 -217 32/33 4,0 Низкий фазовый шум
LMX2347 TSSOP-16, CSP-16 0,2-2,5 2,7 5,5 3,6 -217 32/33 4,0 То же
LMX1600 TSSOP-16, CSP-16 0,2-2,0 0,040-0,50 2,7 3,6 5,0 -197 32/33 8/9 0,16/1,6
LMX2330L TSSOP-16, CSP-16 0,2-2,0 0,045-0,51 2,7 5,5 5,0 -211 32/33 или 64/65 8/9 или 16/17 1,0/4,0
LMX2330U TSSOP-16, CSP-16 0,2-2,5 0,045-0,60 2,7 5,5 3,3 -212 32/33 или 64/65 8/9 или 16/17 1,0/4,0 Экономичный
LMX2370 TSSOP-20, CSP-24 0,045-2,5 0,045-1,2 2,7 5,5 5,0 -211 16/17 или 32/33 8/9 или 16/17 1,0/4,0
LMX2377U TSSOP-20, CSP-24 0,2-2,5 0,045-0,60 2,7 5,5 3,5 -212 16/17 или 32/33 8/9 или 16/17 1,0/4,0 Экономичный
LMX2430 TSSOP-20, UTCSP-20 0,25-3,0 0,10-0,80 2,35 2,75 4,2 -219 8/9 или 16/17 8/9 или 16/17 1,0/4,0 Высококачественный
LMX2433 TSSOP-20, UTCSP-20 0,5-3,6 0,25-1,7 2,35 2,75 5,2 -219 8/9 или 16/17 8/9 или 16/17 1,0/4,0 То же
LMX2434 TSSOP-20, UTCSP-20 1,5-5,0 0,50-2,5 2,35 2,75 7,0 -219 16/17 или 32/33 8/9 или 16/17 1,0/4,0 То же
LMX2350 TSSOP-24, UTCSP-24 0,5-2,5 0,010-0,55 2,7 5,5 6,5 -201 32/33 или 16/17 8/9 0,1—1,6 Дробный
LMX2352 TSSOP-24, UTCSP-24 0,25-1,2 0,010-0,55 2,7 5,5 4,7 -201 8/9 или 16/17 8/9 0,1—1,6 То же
LMX2354 TSSOP-24, UTCSP-24 0,5-2,5 0,010-0,55 2,7 5,5 6,0 -204 16/17/20/21 или 8/9/12/13 8/9 0,1—1,6 То же
LMX2364 TSSOP-24, UTCSP-24 0,5-2,6 0,05-0,85 2,7 5,5 7,0 -210 16/17/20/21 или 8/9/12/13 8/9 1,0/4,0/8,0/16 Высококачественный
LMX2470 UTCSP-24 0,5-2,6 0,05-0,80 2,35 2,75 4,1 -210 16/17/20/21 8/9 или 16/17 0,1 - 1,6 Сигма-дельта коррекция
LMX2471 UTCSP-24 0,5-3,6 0,25-1,7 2,35 2,75 5,6 -210 16/17/20/21 8/9 или 16/17 0,1-1,6 То же
шум возрастает, поэтому для уменьшения N приходится повышать частоту сигнала на входе ФД, но при целочисленном N эта частота не может быть больше шага перестройки частоты РСЧ, поэтому коэффициент N приходится выбирать довольно большим.
Стремление к уменьшению уровня фазовых шумов привело разработчиков интегральных РСЧ к созданию синтезаторов с дробно-переменным коэффициентом деления, в которых частота выходного сигнала ГУН определяется функцией суммы N+F, где N — целочисленный, а F — дробный компонент коэффициента деления частоты ДПКД. Дробный коэффициент достигается чередованием целочисленных коэффициентов деления N определенным образом, например, для достижения коэффициента деления 100,3 за время десяти выходных импульсов устанавливают три раза N =101 и семь раз N = 100, для чего в РСЧ вводится специальный программируемый счетчик-аккумулятор, выдающий сигнал переключения для изменения коэффициента деления основного делителя на 1. Поскольку дробные синтезаторы могут работать с меньшими значениями N, чем целочисленные, их фазовые шумы оказываются меньше. Положительным качеством дробных синтезаторов является также низкий уровень спектральных составляющих вблизи основной частоты, что весьма важно для аппаратуры связи. Метод ФАПЧ и принципы построения РСЧ на его основе подробно рассматриваются в серии статей [1].
Перейдем далее к рассмотрению некоторых интегральных микросхем РСЧ National Semiconductor, полная номенклатура которых насчитывает около 50 изделий [2].
Обзор начнем с интегральных микросхем одиночных целочисленных синтезаторов, основные параметры ряда которых представлены в таблице.
Серия экономичных РСЧ LMX2306/16/26 охватывает диапазон частот до 2,8 ГГц и предназначена для применения в портативной аппаратуре с автономным питанием. Используется совместно с внешними ГУН, опорным генератором и ФНЧ. Функциональная схема ИМС синтезатора представлена на рис. 3.
Управление синтезатором осуществляется по трехпроводной последовательной шине Microwire сигналами Data, Enable (LE) и Clock. Имеется программируемая установка одного из двух значений выходного тока фазового детектора (Charge Pump Current) 0,25 мА или 1 мА, а также программируемый режим быстрого захвата (Fast Lock), в котором переключение выходного тока фазового детектора происходит в течение определенного числа периодов выходного сигнала. В микросхеме имеется также специальный вывод FL0, используемый для подключения внешнего резистора, изменяющего полосу пропускания ФНЧ, что ускоряет процесс захвата частоты, и многофункциональный выход F0LD, на который можно программно коммутировать различные внутренние сигналы микросхемы. В дежурном режиме (Power down) потребление тока ИМС снижается до 1 мкА.
Серия сверхэкономичных синтезаторов LMX2310U/1U/2U/3U работает в диапазоне частот от 45 МГц до 2,5 ГГц и предназначена для использования в устройствах мобильной связи и приемниках GPS. Отличается переключаемыми коэффициентами деления пре-скалера (16/17 или 8/9 для LMX2313U и 32/33 или 16/17 для остальных) и низким минимальным уровнем сигналов шины управления 1,72 В. По остальным параметрам эти устройства аналогичны предыдущей серии.
Интегральный РСЧ LMX2324 — вариант простого и дешевого решения для построения различных персональных радиочастотных устройств — мобильных и бесшнуровых телефонов различных стандартов, устройств связи компьютеров и т. п. Работает в широком диапазоне частот и отличается сравнительной простотой схемотехники внешних элементов и программирования по трехпроводной шине Microwire. Выпускается также улучшенный вариант LMX2324 — серия LMX2346/7, отличающаяся низким уровнем фазовых шумов. По расположению выводов микросхемы LMX2346 и LMX2347 совместимы с очень популярными ранее выпускавшимися ИМС LMX2323.
52 компоненты генераторы
B(9)
16(17)
Vcc
20(1)
Vcc
1(2)
11(12)
13(14)
Рис. 4. Функциональная схема ИСЧ с ФАПЧ серии LMX2430/33/34
Перейдем далее к рассмотрению двойных интегральных РСЧ, предназначенных для использования совместно с внешними ГУН и ФНЧ в качестве гетеродинов приемных и передающих устройств с двойным преобразованием частоты, при этом из одного опорного сигнала формируются когерентные сигналы двух частот, например, радио (RF) и промежуточной (IF) частоты.
Серия недорогих двойных целочисленных синтезаторов LMX1600/1/2 (в таблице приведены параметры только LMX1600) охватывает диапазон частот до 2 ГГц основного и до 500 кГц второго канала и предназначена для использования в бытовых средствах связи. Отличается сравнительной простотой применения и программирования. Имеется встроенный программируемый цифровой детектор захвата ФАПЧ в обоих каналах и аппаратный и программный режим пониженного энергопотребления Power Down.
Более совершенные двойные интегральные РСЧ серий LMX2330L/31L/32L и их экономичный вариант LMX2330U/31U/32U позволяют получить расширенную сетку частот при низком уровне фазовых шумов, содержат цифровой и аналоговый детектор захвата и обеспечивают весьма высокие параметры выходных сигналов RF и IF. По аналогичным схемам выполнена серия интегральных РСЧ LMX2370/77U, отличающаяся широким
диапазоном рабочих частот и низким минимальным уровнем сигналов шины управления Microwire (1,8 В). Основной синтезатор ИМС LM2377U снабжен программируемой системой быстрого захвата частоты Fast Lock.
Последнее достижение National Semiconductor в области создания двойных целочисленных РСЧ — ИМС LMX2430/33/34, предназначенные для синтеза частот в диапазоне до 5 ГГц. Микросхемы отличаются высокой экономичностью при низком напряжении питания
2,5 В и чрезвычайно малым уровнем фазовых шумов, необходимым для высококачественной аппаратуры связи. Функциональная схема интегрального РСЧ серии LMX243x приведена на рис. 4.
Оба синтезатора микросхемы имеют программируемые системы Fast Lock и цифровой и аналоговый детекторы захвата частоты Lock Detect (выход последнего конфигурируется как двухтактный или с открытым стоком), а также два мультиплексированных выхода внутренних сигналов микросхемы, расширяющих возможности использования РСЧ LMX243x в приемопередающей аппаратуре.
Как уже было отмечено выше, синтезаторы ФАПЧ с дробным коэффициентом деления обладают по сравнению с целочисленными рядом преимуществ, а именно снижением фазового шума вблизи несущей частоты и уменьшением времени перестройки. Ком-
пания National Semiconductor выпускает одиночные и двойные интегральные РСЧ с дробным коэффициентом деления (у двойных синтезаторов с дробным коэффициентом реализуется высокочастотная секция RF, а секция промежуточной частоты IF выполняется на базе целочисленного делителя).
Рассмотрение начнем с двойных дробных РСЧ серии LMX2350/2 (выпускается также одиночный РСЧ LMX2353 с параметрами, аналогичными RF-части LMX2350), охватывающих частотный диапазон 0,5-2,5 ГГц и 0,25-1,2 ГГц соответственно. Обе ИМС серии включают схему ФАПЧ промежуточной частоты (IF) с целочисленным коэффициентом деления, работающую в диапазоне от 10 до 550 МГц. Радиочастотные (RF) делители представляют собой схему деления на 15/16 с дробной компенсацией для обеспечения дробно-переменного коэффициента деления.
Выходные токи фазовых детекторов LMX2350/2 могут программно устанавливаться в диапазоне от 0,1 до 1,6 мА с шагом 100 мкА для радиочастотной части и 0,1 или 0,8 мА для части ПЧ. Имеется режим пониженного энергопотребления Power Down (потребляемый ток 5 мкА при напряжении питания 3 В), которым можно управлять с помощью сигналов, подаваемых на разрешающие выводы ИМС RF_EN и IF_EN или с помощью кода по трехпроводной шине управления. Отме-
генераторы компоненты 53
VccRF -VddRF -VccIF -VddlF -
FinRF -FinRr -
CLK -DATA -LE-
t>
Счетчик-делитель N ПЧ
Прескалер 8/9 или 16/17
Счетчик-делитель R ПЧ
Устройство быстрого захвата ПЧ
Схема
подкачки
заряда
1Х/2Х
Счетчик-делитель R РЧ
Детектор
захвата
РЧ
Счетчик-делитель N РЧ
Прескалер 16/17/20/21 | Счетчик С | | Счетчик В |
| Счетчик А |
Ftest/LD
Мульти-
плексор
Схема
подкачки
заряда
Устройство быстрого захвата РЧ
Интерфейс
Microwire
ІД
компенсация
-Ftest/LD
- GND -GND -GND -GND -GND
Рис. 5. Функциональная схема ИСЧ сФАПЧ серии LMX2470/71
тим, что в общем случае состояние разрешающих выводов преобладает над кодом шины управления режимом Power Down (за исключением кода управления RF-части схемы ФАПЧ). Активация режима пониженного энергопотребления любой схемы ФАПЧ останавливает соответствующий счетчик N, а также опорный счетчик. Переустановка счетчиков может быть произведена командой переключения режимов. В режиме пониженного энергопотребления шина управления остается активной и позволяет загружать новые данные. ИМС LMX2350 и LMX2352, как и другие интегральные РСЧ с ФАПЧ серии PLLatinum, изготавливаются по запатентованной технологии BiCMOS National Semiconductor.
Дальнейшее развитие дробные РСЧ получили в виде ИМС двойного LMX2354 синтезатора и его усовершенствованного аналога LMX2364, отличающихся расширенным диапазоном коэффициентов деления основного прескалера и меньшим энергопотреблением, а также в серии микросхем LMX2470/1, в которых для снижения фазового шума дробности используется цифровая коррекция с сигма-дельта модулятором [1], действующая как эффективный аналоговый фильтр, при этом шумовой спектр переносится в область более высоких частот за пределы частоты захвата, где шумы хорошо подавляются. Порядок сигма-дельта модулятора от 2 до 4, влияющий на параметры фильтрации, устанавливается программно. Функциональная схема ИМС двойного РСЧ LMX2471 представлена на рис. 5.
Радиочастотный тракт серии LMX2470/1 охватывает диапазон частот от 500 МГц
до 3,6 ГГц. Микросхема содержит все элементы, необходимые для эффективной работы — систему быстрого захвата частоты Fast Lock в обоих каналах с переключаемым выходным током и детекторы захвата Lock Detect, поддерживает программный и аппаратный режимы Power Down и т. д. Максимальная частота входного опорного сигнала 110 МГц, имеется встроенный удвоитель опорной частоты для RF-канала. Стандартное напряжение питания ИМС LMX2470/1 —
2,5 В. Применяется в различных устройствах соответствующего диапазона — мобильных телефонах и базовых станциях, беспроводных компьютерных сетях, системах кабельного и спутникового телевидения и др.
Кроме управляющих микросхем ФАПЧ синтезаторов частоты в ассортименте продукции National Semiconductor имеются ИМС генераторов, управляемых напряжением — Voltage Controlled Oscillator (ГУН — VCO), и комбинированные микросхемы, сочетающие в одном корпусе схему ФАПЧ и ГУН. В частности, сдвоенный интегральный ГУН LMX2604, выпускаемый в корпусе LLP-20 с размерами 4x4x0,75 мм работает в диапазонах частот 880-915 МГц, 1710-1785 МГц и 1850-1910 МГц различных стандартов мобильной телефонии и предназначен для применения в соответствующих устройствах. Одна из последних разработок компании — комбинированная ИМС LMX2531, включающая высококачественный ФАПЧ ИСЧ с дробным коэффициентом деления и сигма-дельта коррекцией, частично интегрированный программируемый ФНЧ и ГУН. Микросхема выпускается в семи модификациях, охватывающих диапазон частот 765-2790 МГц,
и предназначена для использования в аппаратуре радиосвязи различных стандартов, передачи данных и др. Функциональная схема ИМС LMX2531 приведена на рис. 6.
LMX2531 рассчитана на типовое напряжение питания 3 В, ток потребления 37 мА (7 мкА в режиме Power Down). Управление производится по трехпроводной шине Microwire 1,8 В. Выпускается в 36-выводном корпусе LLP. Нормальная работа всех рассмотренных в обзоре микросхем гарантируется в диапазоне температур от -40 до +85 °С.
Для сокращения затрат времени на выбор и тестирование интегральных синтезаторов частоты с ФАПЧ компания National Semiconductor создала и разместила на сайте по адресу http://webench.national.com/appinfo/webench/ EasyPLL удобную программную оболочку Easy PLL, являющуюся частью онлайнового программного пакета автоматизированного проектирования электронных устройств WEBENCH и дающую возможность произвести оптимальный выбор подходящих микросхем, а также спроектировать и проанализировать работу радиочастотного синтезатора частоты ФАПЧ с требуемыми параметрами. Используя Easy PLL, разработчик электронных устройств освобождается от необходимости производить трудоемкие расчеты схем и дорогостоящее физическое макетирование. Технология обеспечивает мгновенный доступ к самой свежей информации о компонентах National Semiconductor, а также позволяет пользователю проводить сравнение характеристик нескольких устройств одновременно.
Использование программной оболочки Easy PLL абсолютно бесплатно. Компания National Semiconductor гарантирует поставку любых
поддерживаемых средствами WEBENCH продуктов в пределах 24 часов.
Широкая номенклатура, относительно невысокая стоимость и возможность онлайнового выбора интегральных радиочастотных синтезаторов частоты National Semiconductor делает их весьма привлекательными для ши-
рокого круга российских разработчиков РЭА. ■
Более подробную техническую информацию можно найти на сайте ЗАО «ПРОМЭЛЕКТРО-НИКА», официального дилера компании National Semiconductor, по электронному адресу: http://www.promelec.ru/lines/nsc.html
Литература
1. Стариков О. Метод ФАПЧ и принципы синтезирования высокочастотных сигналов // Chip News. 2001. NN 6-8, 10.
2. National Analog Products Databook. 2004 Edition.
