Luo nopeasti alhaisen värinän korkeataajuisia kelloja muuntosilmukkamoduulin avulla

Instrumentointi- ja mittausjärjestelmien suunnittelijat tarvitsevat häiriöttömiä signaaleja alhaisella värinällä voidakseen tarjota signaalikohinasuhteet (SNR) ja EVM-virhevektorit (Error Vector Magnitude) yhä vaativampien asiakasvaatimusten täyttämiseksi. Samaan aikaan suunnittelijoiden halutaan pienentävän piirilevyn kokoa, laskevan suunnittelukustannuksia ja vähentävän kompleksisuutta. Jälkimmäinen on kriittinen tekijä kehitysajan lyhentämisessä yhä tiukempien markkinoilletuontiaikojen täyttämiseksi.

Voidakseen täyttää nämä lukuisat sovellushaasteet insinöörien on siirryttävä instrumentointi- ja mittauskelloratkaisuissa perinteisistä räätälöidyistä tilaustöistä yhä integroiduimpiin sovelluksiin. Tärkeä askel tähän suuntaan on käyttää integroitua vaihelukittua muuntosilmukkaa (PLL). Tämä mahdollistaa perinteisen jänniteohjatun oskillaattorisignaalin (VCO) tarjoaman taajuuden korottamisen säilyttäen kuitenkin olennaisesti kiinteän ulkoisen paikallisoskillaattorin (LO) värinän ja vaihekohinan.

Tässä artikkelissa käsitellään muuntosilmukoiden roolia alan alhaisimman integroidun vaihekohinan saavuttamisessa. Artikkelissa esitellään esimerkiksi ADF4401A- TL SiP (Translation Loop System-in-Package) valmistajalta Analog Devices ja näytetään, miten se täyttää suorituskykyvaatimukset tarjoamalla lähtösignaalin, johon sisältyy alle 10 femtosekunnin (fs) rms:n laajakaistainen integroitu värinäominaisuus, ja parannettu erotus häiriökomponenttien vaimentamiseksi. Samalla se täyttää suunnittelijoiden integrointi-, kustannus-, kompleksisuus- ja markkinoilletuontiaikaan kohdistuvat vaatimukset.

Perinteinen vaihelukittu silmukka verrattuna muuntosilmukan käyttöön

Muuntosilmukan ensisijainen tarkoitus on tuottaa lähtösignaali, joka on lukittu tuloreferenssisignaaliin ja jonka kaistansisäinen vaihekohina on huomattavasti alhaisempi perinteisiin vaihelukittuihin silmukkoihin verrattuna.

Standardi vaihelukittu silmukka koostuu takaisinkytkentäjärjestelmästä, joka sisältää vaihe-taajuusvertailijan (PFD), latauspumpun, alipäästösuodattimen (LPF), jänniteohjatun oskillaattorisignaalin (VCO) ja takaisinkytkentätaajuuden jakajan N (kuva 1).

Kuva 1: Standardi vaihelukittu silmukka kytkeytyy alemman taajuuden (F_PFD) referenssisignaaliin ja tuottaa lähtötaajuuden (F_RF). (Kuvan lähde: Bonnie Baker)

Vaihe-taajuusvertailija vertaa tuloreferenssin vaihetta takaisinkytkentäsignaalin vaiheeseen ja tuottaa sarjan pulsseja, jotka ovat verrannollisia niiden välisen vaihevirheen kanssa. Latauspumppu vastaanottaa vaihe-taajuusvertailijan pulssit ja muuntaa ne virran syöttö- tai vastaanottopulsseiksi, jotka puolestaan säätävät jänniteohjatun oskillaattorisignaalin taajuutta joko ylös- tai alaspäin. Alipäästösuodatin poistaa pulsseista kaiken korkeataajuisen energian ja muuntaa ne jännitteeksi, jota jänniteohjattu oskillaattorisignaali voi käyttää. Jänniteohjattu oskillaattorin lähtösignaali syötetään takaisin vaihe-taajuusvertailijalohkoon N-jakajan kautta silmukan sulkemiseksi.

Kuvan 1 taajuussiirtofunktio lasketaan yhtälöllä 1:

 Yhtälö 1

Siinä F_RF on lähtötaajuus

N on takaisinkytkentäjakajan suhde (voi olla kokonais- tai murtoluku)

F_PFD on vaihe-taajuusvertailijan taajuus

Kuvan 1 kaistansisäinen pohjakohina lasketaan yhtälöllä 2:

 Yhtälö 2

Tässä FOM_PLL on vaihelukitun silmukan kaistansisäisen pohjakohinan hyvyysluku (FOM).

Tarkastellaanpa esimerkkiä, jossa kaistansisäisen pohjakohinan hyvyysluku on -234 desibeliä per hertsi (dB/Hz), vaihe-taajuusvertailijan taajuus (F_PFD) on 160 megahertsiä (MHz) ja lähtötaajuus (F_RF) on 8 gigahertsiä (GHz).

Tälle järjestelmälle käytetään yhtälöä 1 N-arvon laskentaan:

Yhtälöä 2 käytetään kaistansisäisen pohjakohinan laskemiseen:

Yllä olevassa laskelmassa N-jakaja vaikuttaa voimakkaasti kaistansisäiseen kokonaispohjakohinaan, jonka arvo on 20 log₁₀ (50) eli 34 dB. Pienempi N-arvo pienentäisi kaistansisäistä pohjakohinaa, mutta se pienentäisi myös lähtötaajuutta. Miten siis voimme generoida korkean lähtötaajuuden ja säilyttää alhaisemman silmukkavahvistuksen (N)?

Kuva 2: Tässä esimerkissä näkyvässä vaihelukitussa standardisilmukassa takaisinkytkentäjakajan (20 log₁₀(N)) kaistansisäinen kohina on 34 dB korkeampi kuin alempi keltainen kuvaaja, jossa N = 1. (Kuvan lähde: Bonnie Baker)

Ratkaisu tähän ongelmaan on N-jakajan korvaaminen taajuutta laskevalla miksausvaiheella (kuva 3).

Kuva 3: Muuntosilmukassa käytetään mikseriä jänniteohjatun oskillaattorin taajuuden laskemiseen vaihe-taajuusvertailijan taajuuteen perinteisen takaisinkytkentäjakajan sijasta. (Kuvan lähde: Bonnie Baker)

Kuvassa 3 mikseri korvaa takaisinkytkennän N-jakajan, jolloin silmukan vahvistukseksi saadaan 1 (N=1). Tämä toimenpide vähentää huomattavasti takaisinkytkentäsilmukan vaikutusta kaistansisäiseen pohjakohinaan Kaistansisäisen kohinan laskennassa N-arvo on nyt 1. Yhtälöä 2 käyttämällä muunnetun järjestelmän kaistansisäiseksi pohjakohinaksi saadaan:

Uusi kaistansisäinen kohina näyttää parantuneen 34 dBc/Hz.

Kuvassa 3 mikseri on riippuvainen erittäin vähäkohinaisesta paikallisoskillaattorista, jota kutsutaan nimellä Offset LO. F_LO ± F_RF -summan on oltava yhtä suuri kuin F_PFD lukituksen saavuttamiseksi.

Muuntosilmukka-arkkitehtuurissa Offset-LO:n vaihekohina on erittäin tärkeää parhaan mahdollisen suorituskyvyn saavuttamiseksi RF-lähdössä. Tästä syystä insinöörit suunnittelisivat tyypillisesti Offset LO:n, joka perustuu jänniteohjattuun SAW (Surface Acoustic Wave) -aaltoon , oskillaattoreihin (VCSO), kampageneraattoreihin tai dielektrisiin resonaattorioskillaattoreihin (DRO). HUOMAUTUS: Analog Devices tarjoaa Offset-LO:n suunnitteluun liittyvää tukea.

Muuntosilmukan haasteet

Perinteisesti vähäkohinaisen muuntosilmukan suunnittelu edellyttää lukuisien piirilohkojen toteuttamista, mikä johtaa kompleksiseen, yleensä suureen ja joustavuudeltaan rajalliseen ratkaisuun. Lisäksi koko piiri on validoitava ja karakterisoitava tavoitekäyttöä varten. Yksi merkittävä suunnitteluhaaste on esimerkiksi paikallisoskillaattorin vuoto RF-lähtösignaaliin (LO-RF-erotus). Tämä on insinööreille merkittävä haaste ratkaistavaksi. Perinteisessä suunnittelussa insinöörit tekevät yleensä useita suunnitteluiteraatioita optimoidun suorituskyvyn ja sopivan erotuksen saavuttamiseksi.

Kuva 3 osoittaa, miten muuntosilmukkamoduuli ADF4401A integroi tärkeimmät piirilohkot täysin karakterisoidun ratkaisun tarjoamiseksi. Se myös eliminoi perinteisesti hankalat alueet, jotka liittyvät suorituskykyyn ja erotukseen muuntosilmukoiden suunnittelussa. Tämän ohjelmoitavan ratkaisun ansiosta insinöörit voivat saavuttaa optimoidun suorituskyvyn heti ensimmäisellä kerralla ja lyhentää markkinoilletuontiaikaa.

ADF4401A-muuntosilmukkamoduulin evaluointi

Muuntosilmukkamoduuli ADF4401A on suunniteltu insinöörien avuksi lyhentämään huipputehokkaan instrumentaation markkinoilletuontiaikaa käyttämällä taajuusgenerointiratkaisua RF-kaistanleveydellä 62,5 MHz – 8 GHz. Taajuutta laskevan mikserin ansiosta ADF4401A-muuntosilmukkamoduulilla on erittäin alhainen kaistansisäinen kohina laajakaistaisella värinällä noin 9 femtosekuntia (fs) integroituna taajuuksille 100 Hz – 100 MHz. ADF4401A-muuntosilmukkamoduulin suunnittelu- ja layout-tekniikat mahdollistavat tyypillisen häiriöttömän 90 dBc:n dynamiikka-alueen. 18 x 18 x 2,018 millimetrin (mm) pakkauskoko pienentää huomattavasti kortin tilantarvetta verrattuna perinteiseen erillisratkaisuun.

Suunnittelijat voivat käyttää EV-ADF4401ASD2Z-evaluointikorttia (kuva 4) laitteen suorituskyvyn evaluointiin. Piirikortti sisältää täydellisen muuntosilmukan sekä ulkoisen vaihe-taajuusvertailijan (HMC3716), aktiivisen suodattimen (LT6200) ja multiplekserin (ADG1609).

Kuva 4: ADF4401A-muuntosilmukkamoduulin EV-ADF4401ASD2Z-evaluointikortti sisältää ulkoisen vaihe-taajuusvertailijan, USB-liitännän ja jänniteregulaattorit. (Kuvan lähde: Analog Devices)

EV-ADF4401ASD2Z-evaluointikortti sisältää TL SiP -piirin ADF4401A sekä integroidun jänniteohjatun oskillaattorin, silmukkasuodattimen (5 MHz), vaihe-taajuusvertailijan, USB-liitännän ja jänniteregulaattorit. Lisäksi EV-ADF4401ASD2Z-evaluointikortti vaatii EVAL-SDP-CS1Z (SDP-S) SDP (System Demonstration Platform) -ohjainkortin (kuva 5). Kortti tarjoaa USB-yhteyden tietokoneen ja EV-ADF4401ASD2Z-evaluointikortin välille, minkä kautta se voidaan ohjelmoida. EV-ADF4401ASD2Z-sarja ei sisällä ohjainkorttia.

Kuva 5: EVAL-SDP-CS1Z (tai SDP-S) -ohjainkortti tarvitaan, jotta EV-ADF4401ASD2Z-evaluointikortin ja tietokoneen välille voidaan muodostaa USB-yhteys ohjelmointia varten. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuvassa 6 esitetään EV-ADF4401ASD2Z-järjestelmän fyysiset liitännät. Siihen liittyvä Analysis | Control | Evaluation (ACE) -ohjelmisto ohjaa muuntosilmukkajärjestelmän toimintoja. Jännite saadaan ulkoisesta 6 voltin virtalähteestä.

Kuva 6: EV-ADF4401ASD2Z-evaluointikortin liitäntäkaavio näyttää ADF4401A-muuntosilmukkamoduulin evaluointiin tarvittavat laitteet ja liitännät, mukaan lukien SDP-S-ohjauskortin, tietokoneen, virtalähteen, signaaligeneraattorit ja spektrianalysaattorin. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Tämän evaluointikortin kanssa käytettäviksi laitteiksi suositellaan Windows-tietokonetta, spektrianalysaattoria tai signaalilähdeanalysaattoria ja kolmea signaaligeneraattoria.

EV-ADF4401ASD2Z-evaluointikortin lohkokaaviossa näkyy ADF4401A-moduuli yhdessä Analog Devices HMC3716 -vaihe-taajuusvertailijan, LT6200-operaatiovahvistimen ja ADG1219 SPDT -kytkimen kanssa (kuva 7).

Kuva 7: EV-ADF4401ASD2Z-evaluointikortin lohkokaavio näyttää tärkeimmät ADF4401A-muuntosilmukkamoduulia tukevat komponentit. (Kuvan lähde: Analog Devices)

On erittäin tärkeää käyttää sellaista vaihe-taajuusvertailijaa, joka voi toimia korkeilla taajuuksilla. Tämä minimoi jakajien tarpeen, koska nämä voivat heikentää kaistansisäistä kohinavastetta. Analog Devices HMC3716 -vaihe-taajuusvertailija soveltuu 1,3 GHz:n vaihevertailutaajuuden ansiosta erinomaisesti käytettäväksi ADF4401A-muuntosilmukkamoduulin IF-alueella. Koska tällainen piiri pystyy vertailemaan sekä taajuutta että vaihetta, se poistaa tarpeen lisäpiireille, joilla taajuus ohjattaisiin haluttuun lähtötaajuuteen. HMC3716-mallista tulee ulkoinen vaihe-taajuusvertailija, joka viimeistelee offset-silmukan. HMC3716-vaihe-taajuusvertailijan korkeataajuinen toiminta-alue ja erittäin alhainen pohjakohina mahdollistavat laajakaistaisten silmukkasuodattimien suunnittelun.

Kuvassa 7 alipäästösuodatinkonfiguraatiolla varustettu LT6200-operaatiovahvistin vaimentaa korkeataajuisia häiriöitä, kun taas ADG1219-kytkin täydentää järjestelmän muuntosilmukan.

EV-ADF4401ASD2Z-evaluointilaite luo kaistansisäisiä kohinakuvaajia ja värinämittauksia kuvan 8 mukaisesti.

Kuva 8: Yksittäisen sivukaistan vaihekohina 5 GHz:n lähdössä, kun ulkoinen HMC3716-referenssi on 500 MHz ja ulkoinen paikallisoskillaattori on 4,5 GHz. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kuvassa 8 LO₂.n ja HMC3716-vaihe-taajuusvertailijan tulona on SMA100B RF- ja mikroaaltosignaaligeneraattori. Evaluointikortin kaistansisäinen kohina LO₂ on noin -135 dBc/Hz, mikä on havaittavissa pienissä siirtymissä aina 300 kHz:n taajuuteen asti. LO₂:n, ADF4401A-moduulin, HMC3716-vaihe-taajuusvertailijan ja silmukkasuodattimen vaikutus kaistansisäiseen kohinaan on noin -140 dBc/Hz. Sisäistä vaihekohinaa esiintyy alueella 5 MHz – 50 MHz ja laitteen pohjakohina on noin -160 dBc/Hz. Nämä antavat yhdessä rms-värinäksi yhteensä 12,53 fs.

Yhteenveto

Huippunopeat instrumentointijärjestelmät edellyttävät erittäin alhaisen värinän kelloja lähtödatan eheyden varmistamiseksi. Insinöörien haasteena on löytää sopivat laitteet, joilla voidaan rakentaa huippunopea gigahertsin kellojärjestelmä. ADF4401A-muuntosilmukka yksinkertaistaa huomattavasti laitteen valintaa kellojärjestelmän rakentamiseksi. Se tarjoaa kompaktin moduulin, joka takaa alhaisen värinän korkeammilla taajuuksilla ja vähentää samalla piirikortin tilantarvetta, kustannuksia ja markkinoilletuontiaikaa.