Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

Как видно из приведенных графиков, при некоторых значениях полосы пропускания ФАПЧ вариант PDS обладает некоторым преимуществом по спектральной чистоте относительно варианта PDS-DSM. Однако для худших случаев полосы их возможности примерно одинаковы.

Сравнение спектральных диаграмм на рисунке 52 приводит к выводу, что возможности вариантов PDS и PDS-DSM в обеспечении спектральной чистоты сигнала, при наличии временных рассогласований довольно высокие и примерно одного порядка.

5.7. Возможности снижения потребляемой мощности

Энергопотребление синтезатора PDS-DSM можно значительно уменьшить. Это возможно для случаев применения МЧФД, когда не требуется обеспечивать исключительно широкую полосу пропускания системы ФАПЧ, и, следовательно, быстродействие синтезатора, как это вытекает из приведенных выше спектральных диаграмм.

Положим, что требуемое разрешение по частоте обеспечивается достаточно большой ёмкостью опорного тракта, в то время как ёмкость сигнального тракта ограничена несколькими разрядами, как об этом говорилось выше. Тогда частота тактирования R-LSBs и R-DSM блоков в варианте PDS-DSM может быть понижена в несколько раз. В результате снижается мощность, потребляемая как этими блоками, так и МЧФД в целом. Выигрыш получается довольно существенным, поскольку значительная доля схемных элементов приходится на эти блоки.

В этом случае, чтобы сохранить ту же эффективность компенсации помех дробности, длительность импульса переноса из блока R-LSBs в блок R-MSBs, а также длительность импульса переполнения блока R-DSM, нужно укоротить до периода опорной частоты Fr.

Из-за того, что частота тактирования блока R-LSBs уменьшилась, положим, в М=4 раз, во столько же раз уменьшился вес разрядов этого блока. Это значит, что его ёмкость, как бы, увеличилась на 2 разряда и, соответственно, улучшилось разрешение по частоте. Чтобы оставить частотное разрешение прежним, можно убрать 2 самых младших разряда этого блока.

В то же время в этом блоке, как бы, появились 2 дополнительных самых старших разряда, в которых к коду R нет доступа, поскольку физически эти разряды отсутствуют. Из-за этого в диапазоне частот синтезатора появляется «мёртвая» зона, в которой нет требуемых частот. Чтобы исключить такую ситуацию, необходимо добавить 2 младших разряда в блоке C-LSBs, и тогда появляется возможность выхода на эти частоты путём выбора соответствующих комбинаций кодов R и C.

Коэффициент деления M не обязательно должен быть равным 2 в степени m, и тогда количество упомянутых разрядов, исключаемых из блока R-LSBs, должно быть ближайшим к 2 в степени m, но не превышающим его, чтобы не ухудшить разрешение по частоте относительно исходного варианта (без делителя частоты). В то же время количество разрядов, добавляемых в блок C-LSBs, также должно быть ближайшим к 2 в степени m, но больше него, чтобы не потерять некоторые участки частотного диапазона синтезатора. Например, если M=5, то надо исключить 2 разряда в блоке R-LSBs и добавить 3 разряда в блоке C-LSBs.

Важно отметить, что включение делителя не приводит к умножению помех, поскольку тактовая частота для главного тракта остаётся по-прежнему высокой.

На рисунке 53 в качестве примера показаны для сравнения спектры фазовых шумов дробности для двух вариантов PDS-DSM синтезатора: без делителя частоты (M=1) и с делителем при M=8. При этом опорная частота равна Fr=1000 МГц, частота на выходе синтезатора равна Fc=1015,6326 МГц и неточность одного KR-сегмента ЦАП составляет 0,4%, что, как отмечалось выше, соответствует 0,1% среднеквадратической неточности при нормальном законе её распределения по разрядам. Количество расщеплённых фаз – 64. В DSM-блоке включены 2 аккумулятора (MASH-3), и управляющий код равен R=010000,01000000000001 (1/64 IBS).

Рис.53. Сравнение спектров с делителем частоты и без делителя

Из приведенного рисунка видно, как при этом изменяется график помех дробности. Если считать, что максимально возможная полоса пропускания петли ФАПЧ определяется точкой на оси отстроек, где помехи начинают резко увеличиваться из-за действия дельта-сигма модуляции, и их надо эффективно подавлять, то график показывает как сокращается полоса пропускания ФАПЧ с делителем частоты М=8 по сравнению с вариантом без делителя. При этом уровень помех в полосе ФАПЧ возрастает примерно на 6 дБ, оставаясь в то же время на исключительно низком уровне. Это и есть плата за снижение потребляемой мощности.

5.8. Сравнение спектров PDS, PDS-DSM и Fractional-N PLL синтезаторов

На рисунке 54, для сравнения, показаны примеры спектров PDS, PDS-DSM и Fractional-N PLL синтезаторов при равных, насколько это возможно, условиях для одного из типичных случаев, когда частота сигнала равна Fc=~2,5 ГГц.

Рис.54. Сравнение спектров PDS, PDS-DSM и Fractional-N PLL синтезаторов