Интегрирани RF честотни синтезатори с PLL National Semiconductor - Всичко за
National Semiconductor е един от водещите производители на интегрални схеми (IC) на радиочестотни синтезатори (RFS), базирани на фазово заключена верига - Phase Lock Loop (PLL - PLL). Най-новото семейство синтезатори от серията PLLatinum покрива честотния диапазон до 5 GHz и има най-добрите характеристики в света; аналозите на серийните микросхеми се произвеждат и от други компании в много страни. National Semiconductor доставя своите продукти на големите световни производители на комуникационно оборудване като AT&T, Ericsson, Siemens, NEC и Alcatel.
Принципът на работа на устройства с PLL система се основава на използването на осцилатор с управление на напрежението (VCO), чиято честота се настройва към честотата на входния управляващ сигнал с точност до известно (малко) фазово изместване. Блоковата схема на най-простата PLL система е показана на фиг. 1.
За сравняване на честотата и фазата на VCO и входния сигнал Uin се използва PD фазов детектор, на изхода на който се генерира сигнал за грешка Uosh, подаден към нискочестотния филтър на нискочестотния филтър. Изходният сигнал на последния Ucontrol е управляващият сигнал за автоматично регулиране на честотата и фазата на VCO.
PLL системата може да бъде не само аналогова, но и импулсна, цифрова или комбинирана. В импулсна PLL система като PD се използва логическа схема, базирана на D-тригери с програмируемо забавяне на реакцията и изходен етап под формата на контролиран генератор на ток на допълнителни транзистори с полеви ефекти - така наречената верига на зарядната помпа, чиято продължителност на изходните импулси е пропорционална на фазовата разлика на входните сигнали, а в цифровата PLL изходът е цифровсигнал (поток от данни), получен в резултат на обработка на квантувани проби от аналогов сигнал.
Типична блокова схема на модерен радиочестотен синтезатор с импулсно-фазова PLL, показана на фиг. 2, включва честотен разделител на входния (референтен) сигнал на кристалния осцилатор FOP с фиксирано коефициент на отделение на цяло число (DFCD), съотношението на разделяне, от което R може да бъде зададено чрез външен контролен код, и VCO честотен разделител с променливо коефициент на разделение (CVDR) n, също така зададен от външен код с стъпка на 1. Стойността на честотата на изходния сигнал на синтезато на синтез, като се изчисли на варианция с променлив с променлив сбор. 2.
Трябва да се отбележи, че в съвременните интегрирани честотни синтезатори, за да се увеличи обхватът на генерираните честоти, DPCD се състои от двумодулен (с двойно цяло съотношение на деление P / P + 1) предварителен високочестотен честотен делител - прескалер, изпълнен с помощта на BiCMOS технология, и два относително нискочестотни абсорбиращи делителя броячи с коефициенти на преобразуване A и B, работещи на честоти от порядъка на 300 MHz и по-ниски, които могат да бъдат реализирани на допълнителни MOS структури. В този случай полученият коефициент на разделяне N е представен като N = A(P+1)+BP, а за N≥Nmin = P(P-1) може да се получи непрекъсната последователност от коефициенти N до Nmax = Amax+PBmax, където стойностите Amax и Bmax се определят от капацитета на броячите.
Основните параметри на PLL DFC включват обхвата на генерираните честоти, стъпката и времето за настройка, нивото на фалшивите компоненти на основния сигнал и фазовия шум, който характеризира фазовото и честотното отклонение на VCO. Стойността на фазовия шум характеризира намаляването на мощността на сигнала по отношение на честотата и се изчислява като съотношението на мощността в честотна лента от 1 Hz къмчестота на разстояние 1 kHz от основната носеща към силата на сигнала на основната носеща в същата честотна лента. Фазовият шум се измерва в dBc/Hz, където dBc е нивото на мощност спрямо централната честота на носещата.
Фазовият шум значително влияе върху параметрите на приемо-предавателното оборудване с DFC. С увеличаване на коефициента на разделяне N, фазовият шум се увеличава, следователно, за да се намали N, е необходимо да се увеличи честотата на сигнала на входа на PD, но за цяло число N тази честота не може да бъде по-голяма от стъпката за настройка на честотата на DFS, така че коефициентът N трябва да бъде избран доста голям.
Желанието да се намали нивото на фазовия шум накара разработчиците на интегрирани RFC да създадат синтезатори с коефициент на разделяне на дробна променлива, в който честотата на изходния VCO сигнал се определя от функцията на сумата N + F, където N е цяло число, а F е дробният компонент на коефициента на разделяне на честотата на DPCD. Дробният коефициент се постига чрез редуване на целочислените коефициенти на делене N по определен начин, например, за да се постигне коефициент на разделяне 100,3 по време на десет изходни импулса, N = 101 се задава три пъти и N = 100 седем пъти, за които в RFC се въвежда специален програмируем акумулаторен брояч, който издава превключващ сигнал за промяна на коефициента на разделяне на главния делител с 1. Тъй като fra ционалните синтезатори могат да работят с по-малки стойности на N от целочислените, техните фазови шумове са по-малки. Положително качество на фракционните синтезатори също е ниско ниво на спектрални компоненти в близост до основната честота, което е много важно за комуникационното оборудване. Методът PLL и принципите за конструиране на DSC въз основа на него са разгледани подробно в поредица от статии (1).
Нека да преминем към разглеждането на някои интегрални схеми на National Semiconductor DSC, завършеничиято номенклатура включва около 50 продукта (2).
Нека започнем прегледа с интегрални схеми на синтезатори с едно цяло число, основните параметри на някои от които са представени в таблицата.
Евтината DFC серияLMX2306/16/26 покрива честотния диапазон до 2,8 GHz и е проектирана за преносими приложения със самостоятелно захранване. Използва се във връзка с външен VCO, референтен осцилатор и нискочестотен филтър. Функционалната схема на ИС на синтезатора е показана на фиг. 3.
Синтезаторът се управлява чрез трипроводна серийна Microwire шина със сигнали Data, Enable (LE) и Clock. Има програмируема настройка за една от двете стойности на изходния ток на фазовия детектор (Charge Pump Current) от 0,25 mA или 1 mA, както и програмируем режим на бързо заключване (Fast Lock), при който превключването на изходния ток на фазовия детектор става през определен брой периоди на изходния сигнал. Микросхемата също има специален изход FL0, използван за свързване на външен резистор, който променя честотната лента на нискочестотния филтър, което ускорява процеса на улавяне на честотата, и многофункционален изход F0LD, към който различни вътрешни сигнали на микросхемата могат да се превключват чрез софтуер. В режим на готовност (Power down) консумацията на ток на IC се намалява до 1 μA.
Серията ултра-ефективни синтезаториLMX2310U/1U/2U/3U работи в честотен диапазон от 45 MHz до 2,5 GHz и е предназначена за използване в мобилни комуникационни устройства и GPS приемници. Той разполага с превключваеми съотношения на делене на предскалера (16/17 или 8/9 за LMX2313U и 32/33 или 16/17 за останалите) и ниско минимално ниво на сигнала на управляващата шина от 1,72 V. В други отношения тези устройства са подобни на предишната серия.
Сега се обръщаме към разглеждането на двойнотоинтегриран DFC, проектиран да се използва във връзка с външни VCO и нискочестотни филтри като локални осцилатори за приемащи и предавателни устройства с двойно честотно преобразуване, докато кохерентни сигнали от две честоти се формират от един референтен сигнал, например радио (RF) и междинна (IF) честота.
СериятаLMX1600/1/2 от евтини синтезатори с двойно цяло число (само параметрите на LMX1600 са показани в таблицата) покрива честотния диапазон до 2 GHz на главния и до 500 kHz на втория канал и е предназначена за използване в потребителски комуникации. Сравнително лесен за използване и програмиране. Има вграден програмируем цифров PLL детектор за заключване в двата канала и хардуерен и софтуерен режим на изключване.
По-усъвършенстваната серияLMX2330L/31L/32L с двойни интегрирани DFCs и техният икономичен вариантLMX2330U/31U/32U осигуряват разширена честотна мрежа с нисък фазов шум, цифрово и аналогово засичане на блокиране и изключително високи RF и IF изходи. Серия от интегрирани RFCsLMX2370/77U беше направена съгласно подобни схеми, характеризиращи се с широк работен честотен диапазон и ниско минимално ниво на сигнали на шина за управление на Microwire (1,8 V). Основният синтезатор IC LM2377U е оборудван с програмируема система за заключване на честотата Fast Lock.
Най-новото постижение на National Semiconductor в областта на създаването на двойно цяло число RFC - ICLMX2430/33/34, предназначено за честотен синтез в диапазона до 5 GHz. ИС са много икономични при ниско захранващо напрежение от 2,5 V и имат изключително ниския фазов шум, необходим за висококачествено комуникационно оборудване. Функционална схема на интегрирания DSCсерията LMX243x е показана на фиг. 4.
И двата синтезатора на чипа имат програмируеми системи Fast Lock и цифрови и аналогови детектори за улавяне на честота Lock Detect (изходът на последния е конфигуриран като push-pull или отворен дрейн), както и два мултиплексирани изхода на вътрешните сигнали на микросхемата, разширявайки възможностите за използване на LMX243x DFC в трансивърно оборудване.
Както беше отбелязано по-горе, PLL синтезаторите с коефициент на дробно деление имат редица предимства в сравнение с целочислените, а именно намаляване на фазовия шум близо до носещата честота и намаляване на времето за настройка. National Semiconductor произвежда единични и двойни интегрирани дробни RFC (двойните дробни синтезатори имат високочестотна RF секция, а IF секцията е базирана на целочислен делител).
Нека започнем сLMX2350/2 двойно дробен DSC (единичният DSC LMX2353 също се предлага с параметри, подобни на RF частта LMX2350), покриващ честотния диапазон от 0,5-2,5 GHz и 0,25-1,2 GHz, съответно. И двете ИС от серията включват PLL с междинна честота (IF) с коефициент на целочислено деление, работещ в диапазона от 10 до 550 MHz. Радиочестотните (RF) делители са схема на деление 15/16 с частична компенсация за осигуряване на частично променливо съотношение на разделяне.
Изходните токове на фазовите детектори LMX2350/2 могат да се настройват чрез софтуер в диапазона от 0,1 до 1,6 mA на стъпки от 100 µA за RF частта и 0,1 или 0,8 mA за IF частта. Има режим на изключване на захранването (консумация на ток от 5 μA при захранващо напрежение от 3 V), който може да се управлява чрез сигнали, приложени за активиранеIC извежда RF_EN и IF_EN или използвайки код на трипроводна управляваща шина. Обърнете внимание, че като цяло състоянието на щифтовете за разрешаване преобладава над кода на управляващата шина за режим на изключване (с изключение на PLL RF контролния код). Активирането на режим на изключване на който и да е PLL спира съответния N брояч, както и референтния брояч. Нулирането на броячите може да се извърши с команда за превключване на режима. В режим на ниска мощност управляващата шина остава активна и позволява изтегляне на нови данни. LMX2350 и LMX2352 IC, както и други PLLatinum PLL интегрирани RFC, са произведени с помощта на патентованата BiCMOS технология на National Semiconductor.
Фракционните RFC бяха допълнително разработени под формата на двоенLMX2354 синтезатор IC и неговия подобрен аналог LMX2364, които се отличават с разширен диапазон от съотношения на делене на главния предскалер и по-ниска консумация на енергия, както и вLMX2470/1 серия от микросхеми, в които цифровата корекция със сигма-делта модулатор (1) се използва за намаляват фазовия шум на фракционността, действайки като ефективен аналогов филтър, докато спектърът на шума се прехвърля в областта с по-високи честоти извън честотата на улавяне, където шумът е добре потиснат. Редът на сигма-делта модулатора от 2 до 4, който влияе на параметрите на филтриране, се задава софтуерно. Функционалната схема на ИС на двойния DSC LMX2471 е показана на фиг. 5.
LMX2531 е проектиран за типично захранващо напрежение от 3 V, консумация на ток от 37 mA (7 μA в режим на изключване). Управлението се осъществява чрез трипроводна шина Microwire 1,8 V. Предлага се в 36-пинов LLP корпус. Нормалната работа на всички разглеждани в прегледа микросхеми е гарантирана в температурния диапазон от -40 до +85 °С.
Използването на обвивката Easy PLL е абсолютно безплатно. National Semiconductor гарантира доставка на всички поддържани от WEBENCH продукти в рамките на 24 часа.
Широката гама от продукти, сравнително ниската цена и възможността за онлайн избор на интегрирани RF честотни синтезатори на National Semiconductor ги правят много привлекателни за широк кръг български разработчици на електронно оборудване.