Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

При частотной ошибке в петле ФАПЧ ЧФД работает как частотный детектор с прямоугольной (релейной) характеристикой, благодаря чему и обеспечивается полоса захвата, практически равная полосе удержания системы ФАПЧ.

Однако такой детектор имеет недостаток, известный под термином «мёртвой» зоны [5]. Суть этого явления связана с тем, что в момент синхронизма, то есть при равенстве входных колебаний по частоте и фазе, на управляющих входах ключей схемы накачки заряда действуют очень короткие импульсы. Фронты этих импульсов, при достаточно высокой частоте сравнения, составляют существенную долю длительности импульсов, и потому от этих импульсов схема не срабатывает. Поэтому при включении ЧФД в петлю ФАПЧ она оказывается в неопределённом, квазиразомкнутом состоянии, и рабочая точка ЧФД флуктуирует вокруг нулевого значения фазы, что приводит к значительному повышению уровня шума на выходе ФАПЧ. Фактическая характеристика фазового детектирования приобретает вид, показанный на рисунке 2.4.

Рис.2.4. Реальная характеристика детектирования ЧФД

При этом предполагается, что ключи срабатывают, когда передний фронт импульсов достигает половины его полной величины τ Из этого условия следует ширина мёртвой зоны:

Мёртвая зона=2πτ/T,

где T – период опорных импульсов.

Для устранения мёртвой зоны включают элемент задержки (Delay на рисунке 2.1). Благодаря этому, достигается удачное «сшивание» положительной и отрицательной ветвей характеристики детектирования. Как правило, задержка программируется и подбирается в пределах от 1,5 до 6 нс [6]. Однако подбор задержки дело довольно-таки тонкое. При недостаточной величине задержки мёртвая зона не устраняется полностью, и система ФАПЧ в центре характеристики ЧФД оказывается разомкнутой, из-за чего не подавляются собственные шумы ГУН. При избыточной задержке мёртвая зона отсутствует, но при этом источники тока работают одновременно, что приводит к увеличению шумов самого ЧФД, а также к возрастанию потребляемого тока.

Следует отметить, что существует множество модификаций цифровой части схемы ЧФД (то, что находится до ключей Sw1 и Sw2), приведенных, например, в работе [4], однако принцип и результат их действия мало отличаются от описанных выше.

2.2. Некоторые особенности ЧФД

Другим достоинством ЧФД, помимо отмеченного выше, считается его способность в определённых условиях реализовать режим ФАПЧ, близкий к астатизму по фазе, то есть свести фазовую ошибку близко к нулю.

Обратимся к источнику [7], где на конкретных примерах показаны возможности обеспечения астатизма по фазе при использовании ЧФД. Ошибка по фазе пропорциональна частоте сравнения, и если последняя равна, например, 50 МГц, как это обычно используется в синтезаторах типа Fractional-N PLL, то ошибка, при современном уровне технологии, оказывается порядка 2 градусов.. При пересчёте на выход синтезатора на частотах в несколько гигагерц это может составить сотню и более градусов. Назвать ФАПЧ с таким ЧФД астатической по фазе, понятно, что нельзя.

Но не только это увеличивает фазовую ошибку. Расчёты, приведенные выше, отражают лишь цифровую составляющую погрешности астатизма. Значительно больший вклад в общую погрешность вносит аналоговая составляющая, определяемая стабильностью удержания заряда на конденсаторе изодромного звена. На стабильность заряда влияют внутренние утечки в конденсаторе, утечки через закрытые переходы транзисторов, через ограниченное сопротивление нагрузки и даже утечки по печатной плате, особенно при повышенной влажности. Кроме погрешности астатизма это ещё добавляет и шумов в спектре сигнала.

Есть также и проблемы с линейностью характеристики ЧФД [8]. В частности, из-за неравенства токов в плечах схемы накачки заряда получается разная крутизна этих плеч, то есть образуется излом в самом центре характеристики, и нелинейность оказывается тем большей, чем выше частота сравнения. При использовании ЧФД в синтезаторах типа Fractional-N PLL (там он наиболее широко применяется) это приводит к увеличению шумов квантования.

Некоторое улучшение линейности детекторной характеристики достигается, якобы, при замене схемы накачки заряда на операционный усилитель. Пример реализации этой идеи на базе использования микросхемы HMC439 и операционного усилителя THS4031 приведен в источнике [9]. Однако никаких практических результатов по этому поводу в данном источнике не приводится.

Вместе с тем ЧФД с накачкой заряда приписываются некоторые положительные особенности, которые, якобы, являются решающими для его использования. Рассмотрим их.