Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

На выходе ЧФД с накачкой заряда в установившемся режиме, помимо полезной постоянной составляющей, присутствуют нежелательные импульсы с частотой сравнения. Они довольно короткие, и потому эта помеха легко отфильтровывается. Но на практике полоса пропускания ФАПЧ на порядок и более ниже частоты сравнения, и фильтрация помех с частотой сравнения в принципе не представляет проблемы, будь эти импульсы даже меандром, как, например, при RS-триггере в качестве ФД.

Далее, в ЧФД с накачкой заряда влияние шумов источника питания на итоговый шум на его выходе меньшее, чем, например, у RS-триггера. Это из-за того, что заряд-разряд конденсатора изодромного звена осуществляется за малую долю периода сравнения, а в остальное время ЧФД как бы отключен от источника питания. Но, во-первых, должная фильтрация шумов источника питания никогда не была проблемой, а во-вторых, фактическое размыкание петли ФАПЧ между импульсами заряда-разряда наоборот увеличивает шум ЧФД.

Главный же порок (иначе не скажешь) идеи рассмотренного ЧФД заключается в самом принципе различения набега или отставания фаз сравниваемых импульсных последовательностей относительно друг друга. Суть его в том, что необходимо выявить факт наличия импульсов одной последовательности между двумя соседними импульсами другой последовательности. Для этого длительность импульсов должна быть исключительно малой относительно периодов сравниваемых сигналов. Понятно как жёстко это ограничивает перспективу повышения частоты сравнения.

2.3. Практически достигаемые результаты

Далеко не все характеристики ЧФД поддаются расчёту, и потому лучше обратиться к результатам, получаемым на практике. Из-за изложенных выше проблем частота сравнения в Fractional-N PLL синтезаторах, в которых применяется ЧФД, как правило, не превышает 100 МГц; обычно она равна порядка 50 МГц. При частоте сигнала в несколько ГГц, шумы ЧФД умножаются в десятки и более раз в соответствии с необходимым коэффициент деления в петле. В итоге они находятся на довольно высоком уровне.

На рисунке 2.5 показаны два типичных примера спектров фазовых шумов микросхем Fractional-N PLL синтезаторов, использующих дельта-сигма модуляцию третьего, как обычно, порядка (MASH-3). Первый из них относится к микросхеме HMC704 [10] фирмы Analog Devices/Hittite, способной работать на частотах сигнала до Fc=8 ГГц с 24-разрядным аккумулятором дробности. Спектр показан в районе верхней рабочей частоты сигнала. Частота сравнения в ЧФД равна F_ФД=50 Мгц, полоса системы ФАПЧ, как видно из рисунка, – порядка BW=40 кГц. Второй пример относится к микросхеме ADF4159 [11] фирмы Analog Devices (до присоединения к ней Hittite), обеспечивающей частотный диапазон сигнала до Fc=13 ГГц и содержащей 25 разрядов дробности. Спектр показан на частоте сигнала Fc=12,002 ГГц при частоте сравнения F_ФД=100 МГц и полосе ФАПЧ – BW=250 кГц.

Рис. 2.5. Типичные спектры фазовых шумов синтезаторов частоты с ЧФД

Здесь уместно сделать следующее замечание. При описании спектральных характеристик своих микросхем типа Fractional-N PLL разработчики не выделяют помеху дробности в отдельную компоненту, поскольку и собственные шумы элементов ФАПЧ (особенно ЧФД) довольно велики (при пересчёте через неизбежно большой коэффициент умножения в петле ФАПЧ). Поэтому, не отделяя одно от другого, они просто называют это фазовыми шумами.

Как видно из приведенных спектральных диаграмм, данные довольно-таки скромные. Помимо фазовых шумов присутствуют также дискретные помехи типа IBS. В микросхеме HMC704 они достигают уровня -55 дБн; для микросхемы ADF4159 – не указаны.

Тем не менее, отдельные блоки названных микросхем, те, которые имеют внешние входы и выходы, могут использоваться при построении синтезаторов с со значительно более высокими характеристиками спектральной чистоты, как например, это сделано при разработке синтезатора типа PLG06 фирмы «Микран» (Томск) [12÷14].

Но, несмотря на все отмеченные выше недостатки, ЧФД с накачкой заряда широко применяют в Integer- и Fractional-N PLL синтезаторах. Пожалуй, нет такой компании, которая, в какой-то мере занимаясь синтезаторной тематикой и имея выход на интегральную технологию, не выпустила бы на рынок свою собственную микросхему такого типа. Среди них Analog Devices/Hittite, Skyworks Solutions, Synergy Semiconductor, Maxim Integrated, Linear Technologies, Texas Instruments, Peregrine, Qualcom и другие. Дело в том, что есть спрос и на такие микросхемы, они широко применяются там, где их невысокие характеристики вполне устраивают потребителя. Главным оказывается компактность, низкое энергопотребление, дешевизна в производстве.