Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

МЧФД содержит 15-разрядный опорный аккумулятор (5 разрядов в MSBs-блоке и 10 разрядов в LSBs-блоке). Опорная частота равна Fr=1000 МГц. Управляющий код на входе аккумулятора равен R=01000,0100000001 (1/32 IBS). При этом предполагается, что неточность одного из KR-разрядов ЦАП составляет 0,4% Влияние неточности R2R-секции ЦАП на спектр из-за её существенно меньшего веса здесь не учитывается.

Также приведен график для варианта PDS-DSM при той же неточности ЦАП. Блок младших 10 разрядов содержит 2 аккумулятора для формирования DSM типа MASH-3. Этот вариант уступает варианту PDS при таких условиях сравнения. Однако при выборе одного из вариантов следует учитывать влияние на спектр временных рассогласований в ЦАП, о чём было показано вразделе 5.6, что их возможности примерно одинаковые. Также предпочтение может быть отдано варианту PDS-DSM из-за более простой его структуры (отсутствует R2R-секция ЦАП).

Для синтезатора Fractional-N PLL, чтобы получить ту же частоту сигнала, что и в PDS, целочисленный коэффициент деления выбран равным N₀=8, а код на входе блока младших, десяти дробных разрядов – таким же, как и в синтезаторе PDS, т.е. 0100000001. Опорная частота равна Fr=320 МГц. Из-за наличия делителя частоты, обязательного с системе, использовать опорную частоту 1000 МГц нет возможности. Блок дробных разрядов также содержит 2 аккумулятора для формирования DSM типа MASH-3. Фазовый детектор считается идеальным в смысле линейности его характеристики.

Для справки приведен график, когда в варианте Fractional-N PLL используется ЧФД с накачкой заряда при неравенстве токов в плечах заряда dI=1% [82]. При этом получается дополнительное ухудшение спектра. Правда, стоит заметить, что получить такое низкое рассогласование токов, как 1%, на такой высокой частоте, как 320 МГц, при таких больших вариациях коэффициента деления, как 50% (при MASH-3), на сегодня весьма сомнительно. Например, в работе [76] при моделировании используются более скромные параметры: частота сравнения – 12 МГц; вариации коэффициента деления – в пределах 10%; рассогласование токов – 2%.

Из рисунка 54 видно подавляющее преимущество вариантов PDS и PDS-DSM над синтезатором типа Fractional-N PLL как по спектральной чистоте, так и по быстродействию (за счёт значительно более широкой полосы пропускания ФАПЧ).

5.9. О количестве расщеплённых фаз

Выше, при вычислении спектров предполагалось, что статические характеристи как МЧФД в целом, так и отдельного парциального фазового детектора при использовании его в Fractional-N PLL синтезаторе, обладают идеальной линейностью. В варианте PDS синтезатора это так или же близко к этому, поскольку работа его происходит в одной точке в середине статической характеристики.

В варианте PDS-DSM, равно как и в Fractional-N PLL, дело обстоит по другому. Из-за наличия дельта-сигма модуляции область фазовых скачков может занимать существенную часть характеристики, и на практике это приводит к ухудшению спектра из-за проявления нелинейности характеристики ФД. Трудно, однако, назвать характер этой нелинейности и её величину. Одно очевидно, что чем меньший участок характеристики используется, тем меньше влияние линейности. Это обстоятельство является важным, если не сказать решающим, в достижении удовлетворительного качества спектра в вариантах Fractional-N PLL и PDS-DSM синтезаторов, в которых девиация фазы из-за дельта-сигма модуляции может оказаться значительной.

К примеру, при N₀=4 в Fractional-N PLL варианте и модуляции типа MASH-3 полная девиация фазы равна π радиан, что составляет половину раствора статической характеристики. Видимо, это слишком много, чтобы получить удовлетворительный спектр, тем более при использовании ЧФД с накачкой заряда, в котором имеются, как будет показано далее, дополнительные, относительно, например, RS-триггера в качестве парциального фазового детектора, факторы, ухудшающие его линейность. Поэтому, для снижения девиации фазы, увеличивают коэффициент деления. Но с его увеличнием пропорционально повышается уровень шумов ЧФД, пересчитанных на выход синтезатора. Так что приходится находить компромисс между выигрышем по линейности и проигрышем по умножению шумов. В любом случае только из-за увеличения коэффициента деления, кривая спектра для Fractional-N PLL синтезатора должна пройти существенно выше, в соответствии с его выбранным значением, чем как это показано на рисунке 54.

В PDS-DSM синтезаторе уменьшить девиацию фазы можно за счёт наращивания количества К расщеплённых фаз. При этом требования к точности сегментов ЦАП соответственно понижаются.