De ce un dispozitiv cu buclă de translație complet integrat obține cea mai bună performanță a zgomotului de fază

Ne confruntăm cu o creștere explozivă a cererii de lățime de bandă care împinge frecvențele purtătoare la mai multe zeci de gigahertzi. La aceste frecvențe extrem de înalte, consumatorii se pot bucura de lățimi de bandă mai mari fără teama de supraaglomerare a spectrului. Însă, pe măsură ce frecvențele cresc, soluțiile de instrumentație care vizează aceste dispozitive și frecvențe pot deveni extrem de complexe. Acest lucru provine din necesitatea unei performanțe superioare în soluțiile de instrumentație pentru a preveni afectarea dispozitivului testat. În acest articol, vom trece în revistă mai multe metode de generare a semnalelor cu zgomot de fază redus.

Vom demonstra avantajele și dezavantajele acestor metode și vom prezenta dispozitivul cu buclă de translație, care preia ce este mai bun din toate metodele de generare a frecvențelor, fără complexitatea acestora, pentru a permite generarea de semnale cu zgomot de fază foarte redus.

Anatomia circuitelor cu buclă de prindere a fazei

Figura 1. Un circuit cu buclă de prindere a fazei. — © ADI ▶

Circuitele cu buclă de prindere a fazei (PLL) se găsesc în mod obișnuit în multe dispozitive de generare a frecvențelor. Aceste dispozitive asigură faptul că formele de undă și semnalele create în cadrul dispozitivului sunt aliniate sau blocate în fază cu un semnal de referință. Figura 1 prezintă o schemă bloc simplificată a unui PLL. Ieșirea oscilatorului controlat în tensiune (VCO) este divizată cu ajutorul unui numărător N și comparată cu un semnal de referință cu ajutorul circuitului detector de fază/frecvență (PFD). Acest circuit simplu a făcut obiectul a numeroase manuale și a fost studiat pe larg. Vom folosi unele dintre elementele de bază bine cunoscute pentru a stabili ce este necesar pentru a reduce drastic zgomotul de fază la ieșire.

Imperfecțiunile sau zgomotul de fază al fiecărui bloc de construcție contribuie la zgomotul de fază general al circuitului PLL. Zgomotul de fază asociat fiecărui bloc poate fi modelat, iar zgomotul de fază global al PLL poate fi estimat cu precizie atât prin simulări, cât și prin calcule analitice. Să trecem în revistă fiecare dintre aceste blocuri și să discutăm modul în care acestea influențează zgomotul de fază de ieșire.

Blocul PFD compară semnalul de referință cu frecvența de ieșire divizată. Acest bloc produce un semnal de eroare care este alimentat de o pompă de sarcină ce creează o tensiune de control, direcționând VCO până când faza de ieșire a dispozitivului se potrivește cu faza de referință. Majoritatea dispozitivelor moderne de generare a frecvenței cu circuite PFD integrate oferă o cifră de merit (FOM − figure of merit) în fișele lor tehnice. Utilizând FOM, zgomotul de fază în bandă poate fi calculat după cum urmează:

Unde f_PFD este frecvența PFD, iar N este valoarea divizorului de frecvență de ieșire. Observați că frecvența de ieșire este o înmulțire a f_PFD cu valoarea divizorului N. Pentru o frecvență de ieșire dată, pe măsură ce f_PFD crește cu un factor, valoarea N scade cu același factor. Acest lucru ar avea ca rezultat un zgomot de fază de ieșire global mai mic, deoarece orice reducere a valorii N ar reduce zgomotul de fază de două ori mai mult decât rata de creștere datorată valorii f_PFD. În concluzie, putem spune că, pe măsură ce frecvența PFD este mai mare, zgomotul de fază apropiat va fi mai mic. Vom exploata această constatare în următoarele secțiuni ale acestui articol.

Filtrul buclei urmărește PFD (netezind semnalul de eroare provenit de la dispozitivul PFD) și controlează VCO. Acesta este proiectat prin utilizarea mai multor parametri ai sistemului, cum ar fi curentul pompei de sarcină, sensibilitatea VCO și frecvența PFD. Una dintre funcțiile mai puțin evidențiate ale filtrului buclei este aceea că determină lățimea de bandă a buclei de control cu reacție negativă. Semnalul de referință va avea o influență asupra zgomotului de fază al semnalului de ieșire în cadrul lățimii benzii de control a filtrului buclei. Dincolo de această frecvență de tăiere, performanța globală a zgomotului de fază va fi definită de caracteristicile VCO. Vom utiliza acest fapt în secțiunile următoare pentru a optimiza zgomotul de fază global al sistemului.

VCO creează frecvența de ieșire pe baza tensiunii de control aplicate la intrarea sa. Frecvența de ieșire a VCO este actualizată de bucla de control până când este blocată (prinsă) în faza semnalului de referință. VCO influențează în mod direct zgomotul de fază global al sistemului. În general, pe măsură ce crește factorul de calitate al VCO, zgomotul de fază al acestuia devine mai mic. Cu toate acestea, un factor de calitate mai mare necesită, de obicei, componente care, de obicei, limitează intervalul general de ajustabilitate. VCO-urile care sunt ajustate pentru o funcționare la o frecvență îngustă au, de obicei, cele mai bune performanțe de zgomot de fază.

Opțiuni de generare a frecvențelor

Există mai multe modalități pentru a genera semnale utilizând diverse topologii de oscilatoare cu diferite niveluri de calitate. Aplicațiile de instrumentație se străduiesc, de obicei, să obțină cele mai bune performanțe, atât în ceea ce privește zgomotul de fază redus, cât și nivelurile de perturbații. Să trecem în revistă câteva opțiuni de generare a frecvențelor care pot obține un zgomot de fază foarte redus.

Generarea de frecvență utilizând oscilatoare cu frecvență fixă

Figura 2. Generarea de frecvențe variabile utilizând o sursă fixă. — © ADI

O clasă de dispozitive de generare a semnalelor care au o performanță excelentă a zgomotului de fază este reprezentată de oscilatoarele cu frecvență fixă. Aceste dispozitive au, de obicei, factori de calitate foarte mari, permițând performanțe superioare de zgomot de fază apropiat. Aceste oscilatoare funcționează la o frecvență predeterminată, definită în mare măsură de geometria și construcția dispozitivului, cu o anumită posibilitate de ajustare pentru a permite blocarea fazei la o sursă de referință. Oscilatoarele cu cristale controlate prin cuptor (OCXO), oscilatoarele cu cristale compensate în funcție de temperatură (TCXO) și oscilatoarele SAW controlate în tensiune (VCSO) sunt câteva exemple de astfel de dispozitive. Un dezavantaj esențial al oscilatoarelor cu frecvență fixă este acoperirea limitată a frecvențelor acestor dispozitive. Deși acestea pot fi potrivite pentru dispozitive care funcționează la un set fix de frecvențe sau la multiplii acestora, majoritatea dispozitivelor de instrumentație necesită o acoperire de frecvență variabilă.

O soluție la această problemă implică utilizarea unui dispozitiv de sinteză digitală directă (DDS) sau a unui convertor digital-analogic (DAC). Semnalul de frecvență fixă poate fi utilizat pentru a comanda ceasul de eșantionare al unui dispozitiv DDS, așa cum se arată în figura 2. Frecvența oscilatorului poate fi multiplicată după cum este necesar printr-un multiplicator de frecvență sau o diodă de recuperare pas (SRD − step recovery diode) și filtrată înainte de a fi aplicată la DDS. Dispozitivul DDS poate crea orice frecvență arbitrară până la jumătate din frecvența de eșantionare în prima zonă de funcționare Nyquist. Unele dispozitive DAC moderne pot funcționa confortabil chiar și în a doua zonă Nyquist. Figura 3 prezintă un exemplu de spectru de ieșire și o diagramă de zgomot de fază a dispozitivului AD9164 comandat de un oscilator de tip DRO (dielectric resonant oscilator) cu zgomot de fază redus la 6 GHz. Graficul zgomotului de fază arată un zgomot de fază de ieșire incredibil de scăzut, iar spectrul de ieșire are niveluri de impulsuri parazite sub -70 dBc.

Figura 3. Spectrul de ieșire și zgomotul de fază al dispozitivului AD9164 la 800 MHz, utilizând un oscilator cu frecvență fixă drept ceas de eșantionare. — © ADI

Puritatea spectrală a ceasului de eșantionare multiplicat are o influență directă la ieșirea dispozitivului. Odată ce semnalul este multiplicat, multe armonici vor fi prezente la ieșire. Semnalul dorit trebuie să fie filtrat pentru a obține niveluri foarte scăzute de efecte parazite la ieșirea dispozitivului DDS. În mod obișnuit, perturbațiile prezente la ceasul de eșantionare vor apărea la ieșire la niveluri similare. Pentru factori de multiplicare mari, este posibil ca filtrele să trebuiască să fie extrem de precise, ceea ce poate necesita o suprafață semnificativă.

În plus, zgomotul de fază al semnalului multiplicat crește pe măsură ce crește factorul de multiplicare. De exemplu, de fiecare dată când frecvența semnalului este dublată, zgomotul de fază crește cu 6 dB. Pe baza profilului de zgomot de fază de pornire și a factorului de multiplicare, nivelul de zgomot (zgomotul de fază îndepărtat) ar putea crește semnificativ, ceea ce face ca soluția generală să fie mai puțin atractivă. Aceasta este o dilemă bine cunoscută, în care valorificarea zgomotului de fază apropiat al unui dispozitiv cu o singură frecvență și factor de calitate ridicat este însoțită de o penalizare a zgomotului de fază îndepărtat. De exemplu, dispozitivele cu unde acustice de suprafață (SAW − Surface Acoustic Wave) au performanțe excelente în ceea ce privește zgomotul de fază apropiat cu frecvențe purtătoare de aproximativ 1 GHz. Un dispozitiv cu unde milimetrice care funcționează la peste 40 GHz ar necesita factori de multiplicare de până la 40. Acest lucru ar putea duce la o creștere cu 32 dB sau mai mult a pragului de zgomot de fază, ceea ce ar putea face soluția mai puțin atractivă.

Generarea de frecvențe utilizând dispozitive PLL de bandă largă

Sintetizatoarele de bandă largă rezolvă multe dintre provocările asociate cu dispozitivele cu frecvență unică. Aceste dispozitive, cum ar fi sintetizatorul de microunde ADF4372, utilizează mai multe nuclee VCO care sunt împărțite în mai multe benzi suprapuse. Această arhitectură permite ca fiecare nucleu și bandă să atingă un factor de calitate ridicat. Acest lucru îmbunătățește semnificativ performanța generală a dispozitivului în comparație cu arhitecturile care utilizează un singur nucleu.

Un avantaj cheie al acestor dispozitive îl reprezintă frecvențele fundamentale de operare mai mari în comparație cu oscilatoarele bazate pe cristal sau SAW. Multe VCO-uri moderne pot avea frecvențe fundamentale cuprinse între 4 GHz și 20 GHz și chiar mai mult. Acest lucru face ca zgomotul lor de fază îndepărtat în aplicațiile cu unde milimetrice să fie mult mai interesant. De exemplu, un dispozitiv care funcționează la o frecvență fundamentală de 10 GHz necesită un factor de 4 pentru a extinde frecvența la 40 GHz. Acest lucru se traduce printr-o creștere a zgomotului de fază de bază cu 12 dB, spre deosebire de creșterea cu 32 dB în cazul unui oscilator cu cristal.

O provocare asociată cu aceste dispozitive multinucleu și multibandă este găsirea benzii optime pentru a sintetiza frecvența țintă. Acest lucru ar putea implica crearea unor tabele de căutare pentru a identifica banda corectă. Dispozitivele echipate cu funcții de autocalibrare, cum ar fi ADF4372 și ADF5610, fac acest proces mult mai ușor și robust la variațiile de temperatură și de proces. Acest lucru simplifică foarte mult funcționarea generală a dispozitivului, unde modificările de frecvență pot fi pur și simplu programate în regiștrii dispozitivului, iar banda cea mai potrivită de operare este determinată automat.

O altă provocare a acestei opțiuni este aceea că zgomotul de fază apropiat asociat cu aceste dispozitive este de obicei mult mai mare în comparație cu dispozitivele cu frecvență unică. Chiar și în cazul unui nivel mai scăzut al zgomotului de fază global, zgomotul de fază apropiat mai mare se poate traduce printr-un zgomot integrat global mai mare. Acest lucru poate limita utilizarea acestor dispozitive în aplicații care necesită un zgomot de fază integrat mai mic.

Buclă de translație

Figura 4. Arhitectura buclei de translație. — © ADI

Metoda buclei de translație obține cele mai bune rezultate dintre toate metodele de generare a frecvențelor analizate anterior, fără a le lua în considerare dezavantajele. Să rezumăm ceea ce am descoperit până acum, înainte de a discuta detaliile buclei de translație.

Dispozitivele de frecvență unică, cum ar fi OCXO-urile, SAW-urile și cristalele cu factori de calitate ridicați, au cel mai bun zgomot de fază apropiat. Aceste dispozitive de frecvență unică au, de obicei, frecvențe fundamentale scăzute, ceea ce face ca zgomotul lor de fază îndepărtat să fie mai puțin atractiv atunci când sunt multiplicate la frecvențe de unde milimetrice. O soluție ideală poate beneficia de performanțele ‘close-in’ ale acestor dispozitive fără a fi penalizată de zgomotul de fază îndepărtat (far-out).

Dispozitivele DDS sau DAC pot fi utilizate pentru a genera frecvențe variabile folosind dispozitive cu frecvență fixă. Aceste dispozitive suferă, de asemenea, din cauza factorilor mari de multiplicare necesari pentru frecvențele de unde milimetrice și a filtrării necesare pentru a respinge subarmonicile și alte supratensiuni nedorite. Tolerarea acestor neajunsuri poate permite o soluție dezirabilă.

Sintetizatoarele de bandă largă pot avea frecvențe fundamentale foarte înalte cu performanțe excelente de zgomot de fază îndepărtat. Totuși, aceste dispozitive nu au cu adevărat factori de calitate ridicată, ceea ce determină ca zgomotul lor de fază apropiat să fie relativ slab în comparație cu dispozitivele cu o singură frecvență. Ar fi necesar să se profite de zgomotul lor de fază îndepărtat fără zgomotul de fază apropiat degradat.

Acest lucru ne îndreaptă către dispozitivul cu buclă de translație, așa cum este prezentat în figura 4. În loc să se împartă frecvența de ieșire la o valoare mare a divizorului, se utilizează un mixer de frecvență pentru a deplasa semnalul de ieșire la o frecvență intermediară (IF − intermediate frequency) care se potrivește cu frecvența semnalului de referință. Acest lucru reduce efectiv valoarea divizorului la 1, eliminând contribuția zgomotului provenit de la valorile mari ale divizorului utilizate în mod obișnuit în dispozitivele PLL tradiționale. Acest lucru impune, de asemenea, profilul de zgomot de fază al LO asupra buclei de control. Putem utiliza un dispozitiv cu frecvență unică și performanțe close-in excelente și un DDS pentru a crea acest semnal LO.

Figura 5. Profilul zgomotului de fază al unui dispozitiv cu buclă de translație. — © ADI

Lățimea de bandă a filtrului buclei este un parametru critic de proiectare pentru dispozitivul cu buclă de translație. După cum am discutat mai devreme, filtrul buclei determină lățimea de bandă globală a buclei de control. Cu alte cuvinte, acesta definește în ce măsură semnalul de referință și semnalul LO au o influență asupra zgomotului de fază de ieșire. Putem alege o lățime de bandă mare a filtrului buclei în cazul buclei de translație, deoarece zgomotul de fază apropiat poate fi extrem de scăzut. Figura 5 prezintă profilul zgomotului de fază al unui dispozitiv cu buclă de translație și al intrării sale LO. Observați că, în timp ce LO are un zgomot de fază apropiat extrem de scăzut, nivelul de zgomot de ieșire este ridicat. Ieșirea RF urmărește zgomotul de fază al LO până la lățimea de bandă a filtrului buclei. După acest decalaj de frecvență, zgomotul de fază îndepărtat este definit de VCO, care este extrem de scăzut.

Dispozitivul cu buclă de translație valorifică, în esență, performanțele dezirabile apropiate ale unui dispozitiv cu o singură frecvență care utilizează un dispozitiv DDS drept LO și utilizează zgomotul de fază îndepărtat al unui VCO de bandă largă prin selectarea unei lățimi de bandă mari a buclei. Acest lucru nu numai că elimină dilema bine-cunoscută cu privire la regiunea de zgomot de fază care trebuie optimizată, dar are ca rezultat și un zgomot de fază de ieșire extrem de scăzut.

Figura 6. (a) Spectrul de ieșire al buclei de translație la 6,5 GHz și (b) Spectrul de intrare al LO la 3 GHz. Utilizând amplificatorul de frecvență LO intern al ADF4401A, frecvența LO efectivă devine 6 GHz. În acest exemplu, frecvența FI este la 500 MHz. — © ADI

Performanța superioară a zgomotului de fază a buclei de translație o face foarte utilă în multe aplicații de instrumentație cu unde milimetrice. În plus față de performanța zgomotului de fază, se așteaptă ca soluțiile de instrumentație să suprime semnalele parazite la niveluri extrem de scăzute. Acest lucru poate fi extrem de dificil în cazul dispozitivelor cu buclă de translație, din cauza prezenței mai multor semnale puternice cu frecvențe diferite. În multe cazuri, este foarte dificil să se prevină trecerea semnalelor LO și IF la ieșire. În plus, la ieșire se pot crea o mulțime de semnale de intermodulație IF, LO și RF. Aceste semnale parazite pot cauza o performanță slabă a soluției de instrumentație în ansamblu.

Analog Devices oferă un dispozitiv de buclă de translație complet integrat, ADF4401A, care abordează multe dintre aceste provocări. Dispozitivul elimină toate căile de trecere care ar putea exista într-o implementare discretă. Acest lucru se realizează prin ecranare și prin practici de proiectare globale care minimizează mecanismele de trecere. În plus, oferă o performanță de rejecție a impulsurilor parazite, fără egal, de -90 dBc sau mai mică, rivalizând cu soluțiile de oscilatoare bazate pe sfere de ytriu și granat de fier (YIG). Ieșirea dispozitivului poate avea niveluri scăzute de impulsuri false, chiar dacă intrările în sistem nu sunt ideale. Figura 6a prezintă spectrul de ieșire al ADF4401A cu o intrare LO care conține multe impulsuri parazite la un nivel de aproximativ -40 dBc, așa cum se observă în figura 6b. Tipic, acest tip de semnal LO nu este utilizabil în soluțiile de instrumentație din cauza necesității unei filtrări extinse. Totuși, ADF4401A poate accepta această intrare LO fără a necesita o filtrare suplimentară pentru a produce spectrul de ieșire prezentat în figura 6a.

Acest dispozitiv este echipat cu un motor de autocalibrare care poate identifica cea mai potrivită bandă VCO pentru o anumită frecvență țintă. În modul de calibrare, dispozitivul poate căuta banda corectă în condițiile reale de temperatură și de proces, ceea ce face ca procesul de ajustare a frecvenței să se desfășoare fără probleme.

Rezumat

Soluțiile de instrumentație necesită semnale purtătoare cu zgomot de fază foarte redus și niveluri extrem de scăzute ale semnalelor cu zgomot de fază, pentru a satisface cerințele dispozitivelor cu unde milimetrice. Deși există diverse metode de sintetizare a acestor semnale, toate acestea au compromisuri semnificative, ceea ce face ca soluția generală să fie din ce în ce mai complexă. Dispozitivul cu buclă de translație ADI, ADF4401A, preia avantajele multiplelor opțiuni de generare a frecvențelor, fără să preia dezavantajele acestora. Se poate obține un zgomot de fază foarte scăzut cu performanțe de neegalat în ceea ce privește semnalele parazite, fără a necesita o filtrare complexă.

Referințe

Collins, Ian. “Phase-Locked Loop (PLL) Fundamentals.” Analog Dialogue, Vol. 52, No. 3, July 2018.

Leeson, D. B. “A Simple Model of Feedback Oscillator Noise Spectrum.” Proceedings of the IEEE, Vol. 54, No. 2, February 1966.

Autor: Erkan Acar, RF Systems Architect

Despre autor

Erkan Acar a obținut atât doctoratul, cât și masteratul la Universitatea Duke din Durham, Carolina de Nord. Erkan a condus numeroase proiecte de cercetare și dezvoltare privind testarea RF cu costuri reduse, echipamente de testare automatizate și integritatea semnalului și a energiei pentru interfețe de mare viteză. Este titularul mai multor brevete și a publicat numeroase articole. Interesele sale actuale sunt lanțurile de semnal RF și mmWave care variază de la banda de bază la 110 GHz și dincolo de aceasta. Poate fi contactat la erkan.acar@analog.com.

Analog Devices