Creați rapid ceasuri de înaltă frecvență, cu fluctuații de sincronizare reduse, utilizând un modul cu buclă de conversie

Proiectanții sistemelor de instrumentație și de măsurare au nevoie de semnale cu fluctuații reduse și fără paraziți, pentru a oferi rapoartele semnal-zgomot (SNR) sau mărimile vectorilor de eroare (EVM) necesare pentru satisfacerea cerințelor din ce în ce mai exigente ale clienților. În același timp, aceștia se confruntă cu presiunea semnificativă de a reduce dimensiunile plăcii, precum și costurile de proiectare și complexitatea. Aceasta din urmă este esențială pentru reducerea timpului de dezvoltare pentru a respecta ferestrele tot mai scurte ale timpului alocat pentru introducerea pe piață.

Pentru a răspunde numeroaselor provocări legate de aplicații, inginerii trebuie să facă tranziția soluțiilor pentru ceasurile de instrumentație și măsurare, de la modelele tradiționale discrete, realizate la comandă, la soluțiile mai integrate. Un pas important în acest sens este utilizarea unei bucle integrate de conversie blocată în fază (PLL). Aceasta permite convertirea frecvenței unui semnal tradițional de oscilator comandat în tensiune (VCO), în timp ce se mențin în mod substanțial fluctuațiile de sincronizare și zgomotul de fază ale unui oscilator local (LO) extern fix.

Acest articol discută rolul buclelor de conversie în obținerea celui mai mic zgomot de fază integrat din industrie. Spre exemplu, acesta prezintă sistemul încapsulat cu buclă de conversie (TL SiP) ADF4401A de la Analog Devices și arată cum răspunde acesta cerințelor de performanță printr-un semnal de ieșire cu o capacitate a fluctuațiilor de sincronizare integrate în bandă largă de sub-10 femtosecunde (fs) rms și o izolare îmbunătățită pentru a atenua componentele cu caracter fals, răspunzând, în același timp, nevoilor proiectanților legate de integrare, cost, complexitate și timpul de introducere pe piață.

Operații tradiționale PLL vs. operații cu bucla de conversie

Scopul principal al unei bucle de conversie este de a genera un semnal de ieșire blocat la un semnal de referință de intrare cu un zgomot de fază în bandă semnificativ redus în comparație cu PLL-urile tradiționale.

Un PLL standard constă într-un sistem de feedback care conține un detector de fază-frecvență (PFD), o pompă de sarcină, un filtru trece-jos (LPF), un VCO și un divizor de frecvență de feedback N (Figura 1).

Figura 1: PLL-ul standard se blochează la o referință de frecvență inferioară (_FPFD) și generează o frecvență de ieșire (F_RF). (Sursă imagine: Bonnie Baker)

PFD compară faza referinței de intrare și faza semnalului de feedback și generează o serie de impulsuri proporționale cu eroarea de fază dintre acestea. Pompa de sarcină primește impulsurile PFD și le transformă în impulsuri de sursă de curent sau consumatoare de putere care, la rândul lor, vor regla frecvența VCO fie în sus, fie în jos. LPF elimină toată energia de înaltă frecvență a impulsurilor și le transformă într-o tensiune pe care VCO o poate utiliza. Semnalul de ieșire al VCO este trimis înapoi la blocul PFD prin divizorul N în vederea completării buclei.

Funcția de transfer de frecvență din Figura 1 este calculată cu ajutorul ecuației 1:

 Ecuația 1

Unde: F_RF este frecvența de ieșire

N este raportul divizorului de feedback (poate fi întreg sau fracționar)

F_PFD este frecvența PFD

Zgomotul de fond în bandă din Figura 1 se calculează cu ajutorul ecuației 2:

 Ecuația 2

Unde FOM_PLL este valoarea factorului de calitate a zgomotului de fond al fazei în bandă aparținând PLL (FOM)

Luați în considerare un exemplu cu un zgomot de fond al fazei în bandă FOM de -234 decibeli per Hertz (dB/Hz); o frecvență PFD (F_PFD) de 160 megahertzi (MHz) și o frecvență de ieșire (F_RF) de 8 gigahertzi (GHz).

Pentru acest sistem, pentru calcularea valorii N se utilizează ecuația 1:

Ecuația 2 se utilizează pentru calcularea zgomotului de fond în bandă:

În calculul de mai sus, divizorul N are o contribuție importantă la zgomotul de fond în bandă general, cu 20 log₁₀ (50), egal cu 34 dB. O valoare mai mică a lui N ar scădea zgomotul de fond în bandă; cu toate acestea, ar scădea și frecvența de ieșire. Așadar, cum putem să generăm o frecvență de ieșire ridicată dar să păstrăm o amplificare mai mică în buclă (N)?

Figura 2: În acest exemplu, pentru un PLL standard, zgomotul de la divizorul de feedback (20 log₁₀(N)) are un zgomot în bandă cu 34 dB mai mare în comparație cu graficul galben inferior, unde N = 1. (Sursă imagine: Bonnie Baker)

Soluția la această problemă este înlocuirea divizorului N cu o fază de mixare de conversie descendentă (Figura 3).

Figura 3: O buclă de conversie utilizează un mixer pentru a converti în mod descendent frecvența VCO în frecvență PFD în loc să utilizeze un divizor de feedback tradițional. (Sursă imagine: Bonnie Baker)

În Figura 3, mixerul înlocuiește divizorul N de feedback, rezultând o amplificare a buclei egală cu 1 (N=1). Această operațiune va diminua foarte mult contribuția buclei de feedback la zgomotul de fond în bandă. Pentru calculul zgomotului în bandă, valoarea N este acum egală cu 1. Utilizând ecuația 2, zgomotul de fond în bandă pentru sistemul modificat este următorul:

Noul zgomot în bandă prezintă o îmbunătățire de 34 dBc/Hz.

În Figura 3, mixerul depinde de un LO cu zgomot extrem de redus, numit LO de decalaj. F_LO ± F_RF trebuie să fie egal cu F_PFD pentru a obține blocarea.

Cu arhitectura buclei de conversie, zgomotul de fază al LO de decalaj este foarte important pentru a obține cea mai bună performanță la ieșirea RF. Din acest motiv, inginerii proiectează în mod obișnuit un LO de decalaj pe baza undelor acustice de suprafață (SAW) comandate în tensiune sau oscilatoarelor (VCSO), generatoarelor cu caracteristica de frecvență în formă de pieptene sau oscilatoarelor cu rezonator dielectric (DRO). NOTĂ: Pentru asistență în proiectarea unui LO de decalaj, contactați Analog Devices.

Provocări legate de bucla de conversie

În mod tradițional, proiectarea unei bucle de conversie cu zgomot redus implică implementarea a numeroase blocuri de circuite, ceea ce duce la o proiectare complexă, de obicei de mari dimensiuni și cu o flexibilitate limitată. În plus, întregul circuit trebuie să fie validat și caracterizat pentru funcționarea țintă. De exemplu, o preocupare majoră pentru proiectare este scurgerea LO (izolarea LO la RF) către semnalul de ieșire RF. Aceasta este o provocare semnificativă ce trebuie abordată de către ingineri. În cazul proiectelor tradiționale, de obicei inginerii realizează mai multe iterații de proiectare pentru a obține performanțe optimizate și o izolare adecvată.

Figura 3 arată modul în care ADF4401A integrează blocurile de circuite majore pentru a oferi o soluție complet caracterizată și elimină zonele în mod tradițional dificile legate de performanță și izolare în proiectele buclelor de conversie. Această soluție programabilă permite inginerilor să obțină performanțe optimizate încă de la prima încercare și să reducă timpul de lansare a produsului pe piață.

Evaluarea ADF4401A

ADF4401A este conceput pentru a ajuta inginerii să reducă timpul de lansare pe piață a instrumentelor de înaltă performanță, utilizând o soluție de generare a frecvențelor cu o lățime de bandă RF de la 62,5 MHz la 8 GHz. Prin utilizarea unui mixer de conversie descendentă, ADF4401A are un zgomot în bandă foarte redus, cu fluctuații de sincronizare în bandă largă de ~9 femtosecunde (fs) integrat de la 100 Hz la 100 MHz. Tehnicile de proiectare și de dispunere în interiorul ADF4401A permit o gamă dinamică tipică de 90 dBc fără răspunsuri false. O dimensiune a pachetului de 18 x 18 x 2,018 milimetri (mm) reduce substanțial spațiul pe placă în comparație cu un design discret tradițional.

Pentru a evalua performanța dispozitivului, proiectanții pot utiliza placa de evaluare EV-ADF4401ASD2Z (Figura 4). Placa include o buclă de conversie completă, inclusiv un PFD extern (HMC3716), un filtru activ (LT6200) și un multiplexor (ADG1609).

Figura 4: Placa de evaluare EV-ADF4401ASD2Z pentru modulul cu buclă de conversie ADF4401A include un PFD extern, o interfață USB și regulatoare de tensiune. (Sursă imagine: Analog Devices)

EV-ADF4401ASD2Z include ADF4401A TL SiP cu VCO integrat, un filtru de buclă (5 MHz), un PFD, o interfață USB și regulatoare de tensiune. În plus, EV-ADF4401ASD2Z necesită placa controlerului (serial) EVAL-SDP-CS1Z (SDP-S) la platforma demonstrativă a sistemului (SDP) (Figura 5). Placa oferă o conexiune USB de la un PC la EV-ADF4401ASD2Z, astfel încât acesta să poată fi programat. Placa controlerului nu este furnizată în kitul EV-ADF4401ASD2Z.

Figura 5: Placa controlerului EVAL-SDP-CS1Z (sau SDP-S) este necesară pentru a asigura o conexiune USB de la EV-ADF4401ASD2Z la un PC pentru programare. (Sursă imagine: Analog Devices)

Figura 6 prezintă conexiunile fizice ale sistemului EV-ADF4401ASD2Z. Software-ul ACE (Analiză | Control | Evaluare) asociat controlează funcțiile TL SiP. Alimentarea este derivată de la o sursă de alimentare de 6 volți aplicată din exterior.

Figura 6: O diagramă de configurare EV-ADF4401ASD2Z prezintă echipamentul și conexiunile necesare pentru evaluarea ADF4401A, inclusiv placa de control SDP-S, PC-ul, sursa de alimentare, generatoarele de semnal și analizorul de spectru. (Sursă imagine: Analog Devices)

Echipamentul sugerat pentru această placă de evaluare include un PC cu sistemul de operare Windows, un analizor de spectru sau un analizor de surse de semnal și trei generatoare de semnal.

Schema bloc a EV-ADF4401ASD2Z prezintă modulul ADF4401A, împreună cu HMC3716 PFD de la Analog Devices, amplificatorul operațional LT6200 și comutatorul SPDT ADG1219 (Figura 7).

Figura 7: Diagrama schemei bloc a plăcii de evaluare EV-ADF4401ASD2Z prezintă componentele-cheie care acceptă bucla de conversie AD4401A. (Sursă imagine: Analog Devices)

Este esențial să se utilizeze un PFD care poate funcționa la frecvențe înalte, deoarece astfel se reduce la minimum necesitatea divizoarelor, care pot degrada răspunsul la zgomotul în bandă. Capacitatea de comparare a frecvenței de fază de 1,3 GHz a produsului HMC3716 de la Analog Devices îl face ideal pentru utilizarea în gama IF a ADF4401A. Capacitatea unui astfel de circuit de a compara atât frecvența, cât și faza, elimină necesitatea unor circuite suplimentare care să direcționeze frecvența către frecvența de ieșire dorită. HMC3716 devine PFD extern pentru a completa bucla de decalaj. Domeniul de operare de înaltă frecvență și zgomotul de fond al fazei ultra-redus al HMC3716 fac posibilă proiectarea filtrelor de buclă cu lățime de bandă largă.

În Figura 7, amplificatorul operațional LT6200 cu o configurație LPF atenuează supratensiunile de înaltă frecvență, în timp ce comutatorul ADG1219 completează bucla de conversie a sistemului.

Dispozitivul de evaluare EV-ADF4401ASD2Z creează diagrame de zgomot în bandă și măsurători ale fluctuațiilor de sincronizare, așa conform ilustrației din Figura 8.

Figura 8: Zgomot de fază în bandă laterală unică la ieșirea de 5 GHz, cu o referință externă HMC3716 de 500 MHz și LO extern la 4,5 GHz. (Sursă imagine: Analog Devices)

În Figura 8, intrarea LO₂ și HMC3716 este un generator de semnal SMA100B RF și de microunde. Zgomotul în bandă LO₂ al plăcii de evaluare este de aproximativ -135 dBc/Hz, care este evident la decalaje mici de până la 300 kHz. LO₂, modulul ADF4401A, HMC3716 PFD și filtrul de buclă contribuie la un zgomot în bandă de aproximativ -140 dBc/Hz. Zgomotul de fază intern apare între 5 MHz și 50 MHz, iar zgomotul de fond de fază al dispozitivului este de aproximativ -160 dBc/Hz. Împreună, acestea creează fluctuații de sincronizare rms de 12,53 fs în total.

Concluzie

Sistemele de instrumentație de mare viteză necesită ceasuri cu fluctuații de sincronizare extrem de reduse pentru asigurarea faptului că datele de ieșire rămân nealterate. Inginerii se confruntă cu provocarea de a găsi dispozitivele adecvate care să poată construi un sistem de ceas de mare viteză, măsurată în gigahertzi. Bucla de conversie ADF4401A simplifică foarte mult selecția de dispozitive pentru a construi sistemul ceasului, oferind un modul compact care asigură fluctuații de sincronizare scăzute la frecvențe mai mari, reducând, în același timp, spațiul pe placă, costurile și timpul de lansare a produsului pe piață.