6. Фазовые шумы в синтезаторах частот

Любое электрическое колебание, полученное с помощью известных современной науке методов, содержит составляющие фазовой (или частотной) модуляции случайного характера. Спектр шумов часто видоизменяется при прохождении колебания через электронные схемы. [1]

Виды фазовых шумов.

Шумы возникают в элементах различных устройств - в резисторах, конденсаторах, диодах и транзисторах. Рассмотрим основные виды фазовых шумов в синтезаторах частот.

Шумы дробового эффекта. В активных элементах устройств протекание тока является процессом переноса отдельных электронов, движущихся как заряженные частицы. Флуктуации тока через элемент связаны с изменениями во времени числа электронов, проходящих через поперечное сечение полупроводникового прибора. Шумы дробового эффекта характеризуются гауссовским распределением амплитуды, поскольку вызваны очень большим числом независимых составляющих.

Тепловые шумы. На проводниках возникает переменное напряжение, вызванное беспорядочным тепловым движением свободных электронов в объёме проводника. тепловые шумы также описываются гауссовским распределением амплитуды. В отличие от спектра шумов дробового эффекта, спектр этих шумов не зависит от частоты.

Шумы фликер-эффекта. Шумы этого вида связаны с контактными и поверхностными неоднородностями в полупроводниках и вызваны флуктуациями проводимости среды, через которую протекает ток. В отличие от шумов дробового эффекта и тепловых, низкочастотные шумы фликкер-эффекта не считаются неустранимыми и могут быть снижены соответствующей технологией обработки поверхности полупроводниковых приборов.

Оценка фазовых шумов синтезатора частот

на интегральной схеме HMC704LP4E

Синтезатор частот (СЧ) является ключевым элементом практически любой системы связи, измерения и контроля. В настоящее время для построения СЧ с петлей фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (рис. 8) широкое применение находят специализированные интегральные схемы (ИС) от самых разных фирм-производителей. Использование ИС с высокой степенью интеграции при построении СЧ позволяет получить не только достаточно качественные технические параметры и характеристики, но значительно снизить габаритно-массовые показатели, энергопотребление, а

также повысить стабильность параметров и надежность в более жестких условиях эксплуатации. Это в основном вызвано тем, что высокая степень интеграции повышает многофункциональность таких микросхем, которые реализуются в одном кристалле, а снижение отрезков линий связи внутри кристалла значительно повышает его быстродействие. Поэтому элементная база для разработки всевозможных СЧ с петлей ФАПЧ непрерывно пополняется все новыми типами микросхем, реализующими ту или иную поставленную задачу и обеспечивающими те или иные технические характеристики На рис. приняты обозначения: ГОЧ – генератор опорной частоты, ЧФД –частотно-фазовый детектор, ФНЧ – петлевой фильтр нижних частот, ГУН – генератор, управляемый напряжением.

Рис. 8. Блок-схема ФАПЧ-синтезатора.

Фирма Hittite Inc. предлагает микросхему одинарного цифрового синтезатора частот

HMC704LP4E с дробным коэффициентом деления (Fractional-N) (рис.9).

Интегральная схема HMC704LP4E включает в себя регистр данных, делители опорной частоты на R и частоты ГУН на N, частотно-фазовый детектор, схему подкачки заряда. Синтезатор изготав ливается по современной SIGe BiCMOS технологии и может работать в интервале питающих напряжений 3–3,5 В в индустриальном диапазоне рабочих температур –40...+85 °С. Для загрузки данных используется стандартный трехпроводной интерфейс. Синтезатор HMC704LP4E позволяет строить современный гетеродин с повышением или понижением частоты в диапазоне до 8 ГГц. В сочетании с ним ГУН и петлевым фильтром (ФНЧ) микросхема реализует законченную систему ФАПЧ (PLL) гетеродина. В тракте опорного сигнала синтезатора HMC704LP4E минимальный коэффициент деления Rмин = 1 может быть изменен пользователем с шагом от 1 до Rмакс = 16383. При использовании СЧ с дробным коэффициентом деления шаг сетки синтезируемых частот всегда меньше частоты сравнения. Это удобно, а зачастую и необходимо в случае мелкого шага сетки при высокой выходной частоте, т.е. при больших значениях N коэффициента деления делителя частоты с дробным переменным коэффициентом деления (ДДПКД).

Структурная схема PLL-синтезатора с дробным коэффициентом деления приведена на рис.10. На рис. 11 на одном графике изображены результаты измерений уровня спектральной плотности мощности фазовых шумов выходного сигнала (fвых = 3 ГГц) синтезатора частот с дробным (fЧФД =3,3 МГц) и целочисленным (fЧФД = 70 МГц) делителем частоты.

При проведении измерений в качестве микросхемы ФАПЧ в СЧ была взята интегральная схема HMC700lp4e от фирмы-производителя Hittite. На рис. 12 виден выигрыш в уровне фазовых шумов при введении дробного коэффициента деления.

Произведем расчет и сравнительный анализ фазовых шумов выходного колебания синтезаторов частот на микросхемах HMC704LP4E, ADF4153 от фирмы-производителя

Analog Devices и гибридного многопетлевого СЧ на основе интегральной схемы ADF4002 от Analog Devices. Основные технические характеристики микросхем HMC704LP4E,

ADF4153 и ADF4002 приведены в таблице 1.

Фазовые шумы выходного сигнала синтезатора частот c ФАПЧ

распределены следующим образом - рис.

1) Шумы в полосе пропускания ФНЧ, определяемые шумами в петле ФАПЧ и шумами ГОЧ. На практике при построении синтезаторов частот ГОЧ выбирается таким образом, чтобы его уровень фазовых шумов, пересчитанный к выходу СЧ, был ниже шумов в петле ФАПЧ, поэтому в дальнейших расчетах фазовые шумы ГОЧ не учитываются.

Рис. 9.Функциональная блок-схема ИС HMC704LP4E

Рис. 11. Структурная схема синтезатора Fraction-N PLL

Рис. 12 . Результаты измерений уровня спектральной плотности мощности фазовых шумов выходного сигнала при введении целочисленного 1 и дробного 2 коэффициента деления (измерения проведены с точностью ±2 дБ при помощи анализатора источников сигналов Agilent E5052B)

Основные технические характеристики микросхем HMC704LP4E, ADF4153 и ADF4002

Таблица 1.

Рис. 13. Фазовые шумы синтезатора с ФАПЧ (fc – частота среза ФНЧ)

Шумы в петле ФАПЧ зависят от следующих параметров: нормированных уровней фликкер-шумов и фазовых шумов ЧФД, рабочей частоты ЧФД (частоты сравнения), частоты ГУН и величины отстройки. Уровень спектральной плотности мощности фазовых шумов в петле ФАПЧ вычисляется по следующей формуле:

PN( foffset , fГУН, fЧФД ) =10lg(10PNflick 10 +10PNfloor 10 ) , дБн/Гц, (31)

где PNflick =Flic kerFOM+20lg(fГУН)−10lg( foffset ); PNfloor =Floor FOM+10lg( fЧФД)+20lg( fГУН fЧФД);

Flic kerFOM – нормированный уровень фликкер-шумов (cм. таблицу); Floor FOM – нормированный уровень фазовых шумов ЧФД (табл. 1); fГУН – частота ГУН, Гц; fЧФД – частота ЧФД, Гц; foffset – величина отстройки, Гц.

2) Шумы за пределами полосы пропускания петлевого ФНЧ, определяемые шумами генератора, управляемого напряжением (спектральная плотность мощности фазовых шумов ГУН приводится в его техническом описании).

Рис. 14. Фазовые шумы синтезаторов частот с ФАПЧ (fвых = 3 ГГц)

Результаты расчета по формуле (31) спектральной плотности мощности фазовых шумов выходного сигнала синтезатора частот, построенного на основе интегральных схем ADF4153, HMC704LP4E, а также многопетлевого СЧ на основе микросхемы ADF4002 приведены на рис. 6. В многопетлевой схеме ФАПЧ, в которой подстройка выходной частоты происходит по гармоникам сигнала с выхода смесителя, фазовые шумы в петле ФАПЧ синтезируемого сигнала определяются шумами применяемой микросхемы ФАПЧ, в данном случае ADF4002, и вычисляются по формуле (31). Фазовые шумы за пределами петли ФАПЧ определяются генератором, управляемым напряжением.

В качестве ГОЧ взят малошумящий термостатированный генератор ГК-136-ТС-100М фирмы «Морион» (г. Санкт-Петербург). Гибридная многопетлевая схема построения СЧ применяется для уменьшения коэффициента деления N частоты ГУН и, как следствие, уменьшения ФШ в петле ФАПЧ. Недостатки таких синтезаторов по сравнению с однопетлевыми: более сложная настройка, дороговизна, большие массогабаритные параметры, высокое энергопотребление. Из рис. 14 можно сделать следующие выводы:

1. По уровню фазовых шумов синтезатор частот на основе HMC704LP4E превосходит СЧ на основе аналога ADF4153 на 10–15 дБ.

2. По уровню фазовых шумов гибридный многопетлевой СЧ на основе ADF4002 превосходит СЧ на основе HMC704LP4E на 10–15 дБ при отстройках более 1 кГц.

Микросхема HMC704LP4E, помимо широкого диапазона рабочих частот (0…8 ГГц) и высокой рабочей частоты ЧФД (100 МГц), имеет фазовые шумы, по уровню превосходящие аналог ADF4153 на 10–15 дБ. Многопетлевой синтезатор частот за счет уменьшения коэффициента деления делителя частоты в микросхеме ADF4002 позволяет получить меньший уровень фазовых шумов, но является более сложным устройством, с большими габаритами и стоимостью. Микросхема цифрового синтезатора частот с ФАПЧ с дробным коэффициентом деления HMC704LP4E является достойным выбором при построении простых однопетлевых синтезаторов частот с низким уровнем фазовых шумов

(по сравнению с ближайшим аналогом ADF4153, рис. 14), побочных спектральных составляющих, малыми габаритами и потребляемой мощностью. [4]