Vaihelukittuihin silmukoihin perustuvien taajuussyntetisoijien perusteet

Nopean sarjatiedonsiirron datanopeuksien kasvu vaatii yhä suurempitaajuisia järjestelmäkelloja, jotka ovat ylivoimaisen vakaita, tarjoavat paremman taajuuserotuskyvyn ja puhtaamman signaalin. Nämä kaikki ominaisuudet löytyvät suorista digitaalisista syntetisoijista, mutta vain alle 2 tai 3 gigahertsin (GHz) taajuuksilla. Kymmenien gigahertsien taajuuksille tarvitaan toisenlainen ratkaisu,

vaihelukittuun silmukkaan perustuvien analogisten taajuussyntetisoijien pohjalta kehitetty järjestelmä, joka pystyy tuottamaan jopa 30 GHz:n kellotaajuuksia. Kokonaisluku-N-syntetisoijissa (jotka kertovat referenssitaajuuden kokonaisluvulla) ja murtoluku-N-syntetisoijissa (jotka kertovat referenssitaajuuden murtoluvulla) käytetään tällöin erikoistekniikoita, jotka minimoivat vaihekohinan ja vastaavat signaalin epäpuhtaudet.

Tässä artikkelissa kuvaillaan sekä kokonaisluku- että murtoluku-N-taajuussyntetisoijien suunnittelua Analog Devices ‑esimerkkilaitteiden avulla. Lisäksi artikkelissa kerrotaan uusista innovaatioista, joiden avulla näitä laitteita voidaan käyttää nopeissa sarjadatalinkeissä sekä taajuusketterissä tutkissa.

Vaihelukittuun silmukkaan perustuvat kokonaisluku-N-syntetisoijat

Vaihelukittuja piirejä käytetään taajuuden ja vaiheen ohjaukseen. Ne voidaan määrittää kellolähteiksi, taajuuskertojiksi, demodulaattoreiksi, seurantageneraattoreiksi tai kellon palautuspiireiksi. Eri käyttötarkoituksissa tarvittavat ominaisuudet vaihtelevat, mutta kaikki ratkaisut perustuvat samaan piirin peruskonseptiin. Kuvassa 1 on esitetty lohkokaaviona tavallinen vaihelukittu piiri, joka on konfiguroitu taajuuskertojaksi.

Kuva 1: Lohkokaaviossa on esitetty vaihelukittuun silmukkaan perustuva klassinen kokonaisluku-N-syntetisoija. (Kuvan lähde: DigiKey)

Piirin toimintatapa on tyypillinen kaikille vaihelukituille silmukoille. Se on periaatteessa takaisinkytkentää käyttävä ohjausjärjestelmä, joka ohjaa jänniteohjatun oskillaattorin (VCO) vaihetta. Tulosignaali syötetään taajuusjakajaan, joka jakaa tulotaajuuden kertoimella R. Taajuusjakajan lähtö muodostaa referenssitaajuuden, joka toimii yhtenä vaihe-taajuusvertailijan (PFD) tulona.

Vaihe-taajuusvertailijan toinen tulo on takaisinkytkentäsignaali N-jakolaskurin (divide-by-N counter) lähdöstä. Kun vaihelukittu silmukka on lukittuna, näiden signaalien taajuudet ovat yleensä jokseenkin samat. Vaihe-taajuusvertailijan lähtöjännite määräytyy kyseisten kahden tulon välisen vaihe-eron perusteella. Jos silmukka ei ole lukittuna, kuten käynnistysvaiheessa tai jos tulon taajuudessa tapahtuu suuri hetkellinen siirtymä, vaihe-taajuusvertailija ohjaa vaihelukitun silmukan käyttötaajuuden haluttuun arvoon. Kun kyseinen taajuus on saavutettu, vaihe-taajuusvertailija palaa vaiheen vertailutilaan, ja sen lähtö vastaa referenssitaajuuden ja palautesignaalin välistä vaihe-eroa.

Vaihe-taajuusvertailija syöttää latauspumppua, joka on bipolaarinen kytkentävirtalähde. Se pystyy siis syöttämään vaihelukitun virtapiirin silmukkasuodattimelle positiivisia ja negatiivisia virtapulsseja.

Silmukkasuodatin tasoittaa vaiheen virhesignaalin ja määrittää vaihelukitun piirin dynaamiset ominaisuudet. Suodatettu signaali ohjaa VCO-piiriä. Huomaa, että VCO-piirin lähtötaajuus on N kertaa referenssitaajuustulolle syötetty tulo, joka syötetään vaihe-taajuusvertailijan tuloon, ja sen arvo on N/R kertaa taajuustulo. Tämä lähtösignaali lähetetään takaisin vaihe-taajuusvertailijalle N-jakolaskurin kautta.

Silmukkasuodatin suunnitellaan yleensä vaihelukitun silmukan käyttökohteen vaatimien ominaisuuksien perusteella. Jos vaihelukitun silmukan täytyy lukea signaali ja seurata sitä, silmukkasuodattimen kaistanleveys on suurempi kuin silloin, jos tulotaajuuden odotetaan pysyvän vakiona. Vaihelukitun silmukan hyväksymän ja lukitseman taajuuden vaihtelualuetta sanotaan sieppausetäisyydeksi (capture range). Kun vaihelukittu silmukka on lukittu ja se seuraa signaalia, seurattavien taajuuksien aluetta sanotaan seurantaetäisyydeksi (tracking range). Seurantaetäisyys on yleensä suurempi kuin sieppausetäisyys. Vaihelukitun silmukan suodatin määrittää myös, miten nopeasti signaalin taajuus voi muuttua lukituksen katkeamatta, eli suurimman sallitun muuttumisnopeuden. Saavutettavissa oleva vaihevirhe on sitä pienempi mitä kapeampi silmukkasuodattimen kaistanleveys on. Haittapuolena on kuitenkin hitaampi vasteaika ja pienempi sieppausetäisyys. Kelloissa käytettävät vaihelukitut silmukat toimivat ensisijaisesti kiinteillä taajuuksilla. Silmukkasuodattimen kaistanleveyden pitäisi yleensä olla huomattavasti referenssitaajuutta pienempi.

Koska vaihelukitun silmukan lähtötaajuus on referenssitaajuuden kokonaislukukerrannainen, sen taajuuserotuskyky on sama kuin referenssitaajuus. Paremman taajuuserotuskyvyn saavuttaminen edellyttää referenssitaajuuden pienentämistä taajuusjakajalla R.

Analog Devices LTC6946IUFD-3#PBF on hyvä esimerkki kokonaisluku-N-syntetisoijasta. Se on pienikohinainen 0,64–5,790 GHz:n taajuudella toimiva syntetisoija, jossa on integroitu VCO ja erinomainen suorituskyky häiriösignaaleilla (kuva 2). Se kuuluu kaikkiaan neljän syntetisoijamikropiirin perheeseen, joista kullakin on erilainen taajuusalue välillä 0,373–6,390 GHz.

Kuva 2: Analog Devices LTC6946IUFD-3#PBF -kokonaisluku-N-taajuussyntetisoija, jossa on integroitu VCO. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Tämä syntetisoija vaatii käyttäjän toimittaman ulkoisen silmukkasuodattimen, joka voidaan optimoida käyttötarkoitukseen sopivaksi. Laitteen sisäisen taajuusjakajan jakoalue on 1 – 1 023. Silmukkajakajan jakoalue on 32 – 65 535. Latauspumpun virtaa voidaan säätää silmukkasuodattimen vaatimusten mukaan 250 mikroampeerista (μA) 11,2 milliampeeriin (mA).

Vaihelukittuun silmukkaan perustuvat murtoluku-N-syntetisoijat

Vaihelukittuun silmukkaan perustuvan syntetisoijan taajuuserotuskykyä voidaan parantaa käyttämällä kokonaislukuarvoja pienempää askelkokoa eli toteuttamalla silmukkajakajassa (N) osittaisia askeleita. Tämä voidaan tehdä vaihtelemalla lähtöarvoa dynaamisesti (dithering, ditherointi). Jakajan pitää arvon N vakiona tietyn vaihelukitun silmukan lähtötaajuuden syklimäärän ajan ja asettaa sen ajoittain johonkin toiseen arvoon, kuten N+1. Jos jakajan asetusarvo on esimerkiksi 4 kolmen referenssijakson ajan ja neljännellä referenssisyklillä 5, todellinen lähtöarvo on 4,25. Tämä voidaan toteuttaa esimerkiksi kuvan 3 mukaisella akkumulaattorilla.

Kuva 3: Lohkokaaviossa on esitetty vaihelukittuun silmukkaan perustuva murtoluku-N-syntetisoija, joka moduloi jakajan arvoa akkumulaattorin avulla. (Kuvan lähde: DigiKey)

Akkumulaattori laskee jakajan lähtöpulssit ja antaa joka M:nnellä kerralla (missä M on akkumulaattorin kerroin) jakajan tuloa muuttavan siirtobitin. Kuvassa 4 jatketaan esimerkkiä, jossa jakajan arvoksi asetetaan 4,25.

Kuva 4: Akkumulaattoria käyttävän murtoluku-N-syntetisoijan ajastuskaavio. (Kuvan lähde: DigiKey)

Akkumulaattoria ohjaa jaettu lähtö ja se laskee modulo neljään, ts. M on neljä. Joka neljäs pulssi tuottaa siirtolähdön, joka kasvattaa jakajan arvoa yhdellä. Akkumulaattori nollautuu ja aloittaa laskemisen alusta uudelleen. Jakajan asetusarvon kasvu siirtää lähtötaajuutta, jolloin vaiheen siirtymävirhe kasvaa. Vaihevirheen käyrä näyttää pulssin ajan funktiona.

Jakajan keskimääräinen arvo on 4,25, mutta lähdössä on häiriöitä, koska syntetisoijan lähtö on vaihemoduloitu. Akkumulaattorin tilasta näkyy selvästi, miten se seuraa vaihevirhettä. Tätä voidaan käyttää moduloinnin poistamiseen kuvassa 5 esitetyllä tavalla.

Kuva 5: D/A-muunnetulla akkumulaattorin tilalla voidaan kumota murtoluku-N-ditheroinnista johtuva vaihemodulointi. (Kuvan lähde: DigiKey)

Akkumulaattorin tila muutetaan analogiseksi digitaali-analogiamuuntimella (D/A), skaalataan ja vähennetään sen jälkeen vaihe-taajuusvertailijan lähdöstä. Tällä voidaan kumota murtoluku-N-ditheroinnista johtuva vaihemodulointi. Tämä on tehtävä erittäin huolellisesti, sillä jos korjaussignaali ei vastaa vaihevirhettä täsmälleen, lähtöön syntyy häiriöitä.

Sigma-delta-modulaattorin käyttö

Akkumulaattorin jaksollisuus aiheuttaa häiriöitä syntetisoijan lähtöön. Jos akkumulaattorin sijaan käytetäänkin sigma-delta-modulaattoria, jakajan lukemaa voidaan moduloida digitaalisesti niin, että häiriövasteita ja kohinaa on mahdollisimman vähän. Tämä muutos on esitetty kuvassa 6.

Kuva 6: Kun akkumulaattori korvataan sigma-delta-modulaattorilla, jakajan lukemaa voidaan moduloida digitaalisesti siten, että häiriövasteet vähenevät. (Kuvan lähde: DigiKey)

Sigma-delta-modulointitopologiassa käytetään yleisesti oikeastaan vain kahta digitaalista tekniikkaa. Niistä ensimmäisessä N-jakajan arvoa kasvatetaan suuremmalla arvoalueella, jolloin haluttu murtolukujakajan arvo saadaan keskiarvoisesta jakokertoimesta. Tämä vähentää primäärisiä murto-osista johtuvia häiriöitä. Arvoa vaihdellaan akkumulaattoripohjaisessa syntetisoijassa kahden tilan välillä. Tämä on ensimmäisen asteen modulointimenetelmä. Sen sijaan vaihelukitun silmukan n:nnen asteen murtoluku-sigma-delta-modulaatiossa moduloidaan N:n arvoa 2ⁿ eri arvon kesken. Esimerkiksi kolmannen asteen modulaattori vaihtelee arvoa kahdeksan eri jakajan arvon kesken ja neljännen asteen modulaattori 16 eri jakajan arvon kesken.

Toisessa digitaalisessa tekniikassa, ditheroinnissa, 2^N-sekvenssi satunnaistetaan pseudosatunnaiseksi. Tässäkin tekniikassa käytetään jakajakertoimena keskiarvoista murtolukua, ja murto-osien aiheuttamat häiriöt muunnetaan muotoilluksi satunnaiskohinaksi, jonka vaiheohjattu silmukka pystyy suodattamaan.

Esimerkki sigma-delta-modulaatioon perustuvasta murtoluku-N-syntetisoijasta on pienikohinainen Analog Devices ADF5610BCCZ, jonka taajuus vaihtelee välillä 0,57MHz – 14,6 GHz. Laitteessa on integroitu VCO (kuva 7).

Kuva 7: Lohkokaaviossa on esitetty Analog Devices ADF5610BCCZ, joka tukee sekä murtoluku-N- että kokonaisluku-N-syntetisoijiin perustuvia konfiguraatioita. (Kuvan lähde: Analog Devices)

ADF5610 tarvitsee ulkoisen referenssioskillaattorin ja silmukkasuodattimen. Siinä on integroitu VCO, jonka perustaajuus on 3 650 MHz – 7 300 MHz. Nämä taajuudet kahdennetaan sisäisesti ja ohjataan RFOUT-nastaan. Kahdennettu VCO-taajuus voidaan jakaa differentiaalisessa lähdössä tekijällä 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 tai 128, jolloin päästään niinkin mataliin lähtötaajuuksiin kuin 57 MHz.

ADF5610 käyttää edistynyttä sigma-delta-modulaattoria, jonka 24-bittinen murtolukukerroin auttaa alentamaan häiriöt erittäin alhaiselle tasolle. Kuten kaikki sigma-delta-modulaattoria käyttävät syntetisoijat, tämäkin laite määrittää halutun keskiarvoisen murtolukukertoimen suhteen digitaalisten signaalinkäsittelytekniikoiden avulla. Tässä vaihe-taajuusvertailijan nopeuteen kellotetussa prosessissa syntyy lähtömodulaatiokohinaa eli kvantisointikohinaa taajuusvasteen ylipäästönä. Kvantisointikohina suodatetaan ulkoisella alipäästösilmukkasuodattimella VCO-piirin vaihekohinaa alhaisemmalle tasolle, jolloin kohina ei ole mukana järjestelmän kokonaiskohinassa.

ADF5610-laitteessa on myös täsmällinen taajuustila, jossa taajuusvirhe on 0 hertsiä (Hz). Tässä tilassa voidaan tuottaa täsmällisiä taajuuksia kokonaisluku-N-askeleittain ja käyttää samalla täyttä 24-bittistä vaiheakkumulaattorin kerrointa. Näin pystytään tuottamaan täsmälliset taajuusaskelet suuremmalla vaihe-taajuusvertailijan vertailunopeudella, jolloin vaihelukitun silmukan vaihekohina- ja häiriöominaisuudet pysyvät erinomaisina.

Myös Analog Devices ADF4169CCPZ-RL7 on PLL-syntetisoija, joka voidaan konfiguroida joko kokonaisluku-N- tai murtoluku-N-laitteeksi. Se toimii jopa 13,5 GHz:n RF-kaistanleveydellä tarjoten moduloinnin ja aaltomuotogeneroinnin. Se käyttää ulkoista referenssitaajuustuloa, VCO-piiriä ja silmukkasuodatinta. Siinä on murtoluku-N-synteesiä varten kolmannen asteen sigma-delta-modulaattori, joka voidaan poistaa käytöstä siten, että laitetta käytetään kokonaisluku-N-tilassa (kuva 8).

Kuva 8: Analog Devices ADF4169CCPZ-RL7 käyttää kolmannen asteen sigma-delta-modulaattoria. (Kuvan lähde: Analog Devices)

ADF4158WCCPZ-RL7-syntetisoija on tarkoitettu käytettäväksi taajuusmoduloiduissa kantoaaltotutkissa (FMCW-tutkat). Se pystyy tuottamaan monenlaisia moduloituja aaltomuotoja taajuusalueella, kuten saha-aaltoja ja kolmiomaisia ramppiaaltoja. Tätä erityisominaisuutta tarvitaan tutkissa.

Yhteenveto

Nopeiden sarjatiedonsiirtoväylien datanopeuksien kasvu vaatii suunnittelijoilta järjestelmän kelloratkaisuksi tehokkaampia ratkaisuja kuin suorat digitaaliset syntetisoijat, jotka toimivat parhaiten alle 3 Ghz:n taajuuksilla. Kokonaisluku-N- ja murtoluku-N-topologioita hyödyntävät vaihelukittuun silmukkaan perustuvat taajuussyntetisoijat tuottavat vakaita, pienikohinaisia signaaleja korkeaa, jopa kymmenien gigahertsien taajuutta käyttäviin kelloihin, sarjatiedonsiirtoon ja tutkiin.