I.2 Основные узлы синтезатора на основе петли с фапч

Фазовый детектор

Фазовый детектор выполняет сравнение фаз сигнала опорного генератора с частотой f_ОГ/R и сигнала ГУН с частотой f_ГУН/N. В петле ФАПЧ в качестве фазовых детекторов используются схемы различных типов. Первым в истории синтезаторов с петлей ФАПЧ был фазовый детектор на основе балансного смесителя. Затем, с развитием цифровой техники, стали применяться фазовые детекторы на основе ячейки “исключающее ИЛИ”, на основе триггеров, и т.н. фазочастотные детекторы (ФЧД).

а. Фазовые детекторы на основе балансных смесителей

Фазовые детекторы данного типа обладают высокой линейностью и используются при построении аналоговых линейных ФАПЧ.

На вход смесителя подаются колебания опорного генератора и ГУН с частотами f₁ и f₂, и напряжениями U₁, U₂ соответственно (рис. 4).

Рис. 4

Как правило, рабочими элементами смесителя являются диоды с барьером Шоттки, вольт-амперные характеристики которых описываются зависимостями

,

где - ток через диод, - обратный ток насыщения, - коэффициент, зависящий от технологии изготовления диода, - напряжение на диоде, - постоянная Больцмана, – абсолютная температура. При реальных значениях напряжений величина , так что уравнение ВАХ может быть преобразовано к виду

.

Подставляя сюда , получим

.

В рассматриваемых линейных ФАПЧ , так что

.

Подставляя в последнее выражение , ( ), получим

Как видим, выходное напряжение диода содержит частоты входных сигналов , суммарную частоту , выпрямленное напряжение опорного канала, вторую гармонику частоты опорного генератора и разностную частоту . Смеситель, построенный по балансной или двойной балансной схеме, содержит два или четыре диода, соединенных так, что выпрямленное напряжение генератора опорного канала, а также колебания на суммарной частоте на выходе смесителя отсутствуют из-за их взаимной компенсации в ветвях с различными диодами, а содержащийся на выходе смесителя фильтр низкой частоты пропускает лишь колебания на разностной частоте . При этом, как видно из полученной формулы, амплитуда этих колебаний оказывается пропорциональной амплитуде колебаний ГУН, в связи с чем рассматриваемый смеситель и фазовый детектор на его основе называются линейными. Как отмечалось выше, в режиме захвата ФАПЧ частоты и оказываются точно равными друг другу. При этом выходной ток смесителя оказывается пропорциональным косинусу разности фаз между колебаниями ОГ и ГУН. Таким образом, рассматриваемая петля ФАПЧ в режиме захвата стремится установить разность фаз напряжений ОГ и ГУН, равную 90°, а при небольших отклонениях от этого устойчивого состояния фазовый детектор формирует выходное напряжение, пропорциональное , где - малое отклонение от установившегося значения . Напряжение на выходе фазового детектора может быть записано в виде . Важными недостатками фазового детектора на основе балансного смесителя являются температурная зависимость выходного напряжения фазового детектора, связанная с неидентичностью параметров диодов в плечах смесителя, зависимость выходного напряжения фазового детектора от амплитуды колебаний ГУН, а также ограниченный диапазон захвата и удержания петли ФАПЧ, что делает весь синтезатор критичным по отношению к характеристикам ГУН, а именно к величине крутизны его электрической перестройки и к температурной зависимости частоты генерации. В разделе ІI показано, что захват частоты в подобной системе со смесителем может произойти лишь тогда, когда исходная расстройка частоты ГУН относительно частоты ОГ будет меньше максимального отклонения частоты ГУН, которое может реализовать управляющее напряжение ФАПЧ. Таким образом, полоса частот захвата ФАПЧ рассматриваемого типа всегда ограничена, а, кроме того, чувствительна ко всем перечисленным факторам. Сказанное ограничивает область применимости линейных ФАПЧ: их используют лишь в синтезаторах с малым диапазоном перестройки частоты при ограниченном температурном диапазоне эксплуатации.

б. Фазовые детекторы на основе элемента “исключающее ИЛИ”

Рис.5

Принцип работы фазового детектора на основе ячейки “исключающее ИЛИ” (рис.5) такой же как и у линейного умножителя. Входные сигналы для системы ФАПЧ с таким ФД всегда бинарные (достаточной величины). Предположим, что входные сигналы u₁ и u₂ симметричные, прямоугольной формы со скважностью 2 (рис.6). В случае, когда сигналы u₁ и u₂ сдвинуты друг относительно друга по фазе на 90°, выходной сигнал u_d будет иметь вид (рис. 6а). Это прямоугольный сигнал со скважностью 2, однако, вдвое большей частоты. Фильтр низкой частоты выделяет постоянную составляющую , равную в точности половине амплитуды выходного сигнала. По мере увеличения разности фаз между сигналами, среднее значение будет расти и приближаться к максимальному при разности фаз в 180° (рис. 6б). При равенстве фаз значение будет, очевидно, минимальным.

а

б

θ_e=90

θ_e>90

Рис. 6

На рис. 7 изображена зависимость среднего значения выходного напряжения ФД на основе ячейки “исключающее ИЛИ” от разности фаз сигналов на его входе.

Рис. 7

В отличие от балансного смесителя, где выходное напряжение изменялось по закону косинуса, здесь, в пределах от 0° до 180°, имеем линейную зависимость:

Хотя в рассмотренном фазовом детекторе исключена зависимость выходного напряжения от уровня сравниваемых по фазе входных сигналов (при этом сигналы не должны быть ниже некоторого уровня, при котором гарантируется формирование из них сигналов со стандартным цифровым уровнем), частотный диапазон ГУН, при котором происходит захват частоты ГУН петлей ФАПЧ, здесь также ограничен. Сказанное прямо видно из характеристики, изображенной на рис.7, которая может быть использована для оценки поведения фазового детектора и в режиме биений. Действительно, в случае неравенства частот ГУН и ОГ разность фаз между их колебаниями непрерывно изменяется, что соответствует непрерывному во времени перемещении по оси абсцисс на графике рис.7. При этом, независимо от того, выше или ниже частота ГУН частоты опорного генератора, характер напряжения на выходе фазового детектора оказывается одинаковым, что означает фактическое отсутствие признака знака расстройки частоты ГУН относительно частоты ОГ. Вследствие этого данный фазовый детектор имеет типовую характеристику полосы частот захвата и не может использоваться в синтезаторах со значительной перестройкой частоты, а также в синтезаторах, предназначенных для работы в широком температурном диапазоне.

в. Фазовые детекторы на основе R-S триггера

Схема этого детектора изображена на рис.8.

Рис.8

Триггер изменяет состояние выхода Q при появлении передних фронтов импульсов на его входах S и R. В случае появления перехода из 0 в 1 на входе S – на выходе Q появится высокий уровень. Переход из 0 в 1 на входе R вызовет появление низкого уровня на выходе Q. На рис. 9а показаны входные сигналы триггера при разности фаз в 180°.

Рис.9

В ыходной сигнал детектора в этом случае представляет собой меандр с частотой сигналов на входах триггера. При этом на выходе фильтра u_d примет среднее значение, равное половине размаха. Если разность фаз изменится в сторону увеличения (рис. 9б), постоянная составляющая примет большее значение и достигнет максимального при разности фаз в 360°. Минимальное значение получим при равенстве фаз входных сигналов. Описанная зависимость выходного сигнала показана на рис. 10.

Рис. 10

В пределах разности фаз от 0° до 360° выходное напряжение изменяется линейно:

.

Рассмотренный фазовый детектор имеет, очевидно, те же недостатки, что и устройство на основе элемента “исключающее ИЛИ”.

г. Фазочастотный детектор

Фазочастотный детектор наиболее часто применяется в современных синтезаторах частоты. Типичная схема фазочастотного детектора изображена на рис.11.

Рис.11

Схема содержит два идентичных D-триггера с входами асинхронного сброса CLR. Выходы триггеров подсоединены к затворам двух, обладающих различной проводимостью каналов, МОП-транзисторов (КМОП-пара), причем верхний по схеме, p-канальный транзистор подсоединен к инверсному выходу D-триггера, а нижний (n-канальный) подсоединен к прямому выходу D-триггера.

Входы асинхронного сброса триггеров соединены и подключены к выходу элемента “И”, входы которого подключены к выходам триггеров через инвертор и буфер, включенные в верхнем и нижнем плечах схемы. На рис. 12 показана временная диаграмма работы схемы в режиме захвата для случаев опережения и отставания по фазе колебания ГУН по отношению к колебанию ОГ. Видно, что импульсы ГУН, опережающие по фазе импульсы ОГ с номерами 1,2, формируют импульсы напряжения на выходе нижнего триггера, причем длительность этих импульсов и прямо пропорциональна разности фаз колебаний ГУН и ОГ.

Рис. 12

В идно также, что импульсы ГУН, отстающие по фазе от импульсов ОГ с номерами 3,4 формируют импульсы напряжения на выходе верхнего транзистора с длительностями и , также пропорциональными разности фаз колебаний ГУН и ОГ. Отметим, что для устойчивой работы схемы сброс триггеров должен осуществляться по прошествии времени установления их в переключенное состояние, что обеспечивается показанными на схеме инвертором и буфером, вводящими необходимую задержку импульсов на входах асинхронного сброса. Напряжение формирует ток , направленный от источника напряжения к сопротивлению нагрузки (схема отдает ток в ). Напряжение формирует ток , направленный от нагрузки на землю через нижний на схеме полевой транзистор (схема отводит ток от ). На нижнем графике (рис.12) показано значение тока через нагрузку , соответствующее рассмотренным случаям. Характеристика фазового детектора данного типа, изображена на рис.13.

Рис.13.

Г лавной особенностью рассматриваемого фазового детектора является зависимость знака постоянной составляющей его выходного напряжения от знака расстройки частоты ГУН относительно частоты ОГ в режиме биений, то есть вне режима захвата ГУН. Отвечающие такому режиму напряжения и токи нагрузки для случаев и изображены, соответственно, на рис. 14, 15.

Рис.14

u₁

(ОГ)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

t

u₂

(ГУН)

t

0

t

0

t

0

t

Рис.15

Из представленных графиков видно, что в режиме биений независимо от фазового сдвига колебаний ГУН и ОГ знак постоянной составляющей тока нагрузки фазового детектора однозначно определяется знаком расстройки частот ГУН и ОГ, что может быть использовано для достижения захвата частоты ГУН при произвольной изначальной расстройке частот ГУН и ОГ. Именно это свойство позволяет классифицировать данный детектор как частотно-фазовый и использовать его в широкополосных синтезаторах частоты, то есть синтезаторах, предназначенных для работы в широком диапазоне частот. Действительно, при включении такого синтезатора ГУН, входящий в его состав, может начать работу на частоте, значение которой определяется случайными начальными условиями. При этом абсолютно необходимо, чтобы захват ГУН мог произойти независимо от начальной частоты генерации, что и обеспечивает фазовый детектор рассмотренного типа.

Генератор, управляемый напряжением (ГУН)

Следующим основным компонентом синтезатора частоты с системой ФАПЧ является генератор, управляемый напряжением (ГУН). Общая схема ГУН представлена на рис. 16.

Рис. 16

Схема содержит собственно генератор колебаний (ГУН), на выходе которого иногда включается буферный усилитель, служащий для усиления мощности выходного колебания и развязки ГУН от нагрузки, и управляющий элемент, изменяющий частоту генерации при воздействии на него управляющего напряжения. В качестве управляющего элемента в большинстве случаев используется варикап – обратно включенный полупроводниковый диод, емкость которого изменяется под действием поданного на него постоянного напряжения смещения.

На рис. 17 представлена часто используемая при анализе ГУН эквивалентная схема обратно смещенного варикапа, в которой C_V – емкость обратно смещенного перехода, R_S – сопротивление, учитывающее сопротивление контактов и объема полупроводника, L_S – индуктивность выводов, C_C – емкость корпуса.

Рис. 17

Зависимость емкости перехода от напряжения обратного смещения имеет вид

г де - величина, зависящая от технологии изготовления варикапа, которая изменяется в пределах примерно от 0.5 до 2, а - некоторый постоянный потенциал. В частности, для кремниевых варикапов, выполненных на основе сверхрезких p-n переходов, . Эта зависимость изображена на рис. 18.

Рис. 18

Схемотехническая реализация блок-схемы ГУН может быть различной. В качестве примеров на рис. 19, 20 приведены схемы генераторов, часто используемых в диапазонах частот до порядка 5-6ГГц и диапазонах от 5 до 20 ГГц, соответственно. Первый генератор собран по схеме емкостной трехточки на биполярном транзисторе VT1. Резонансный контур генератора, определяющий его частоту генерации, образован индуктивностью L_K и двумя встречно-последовательно включенными варикапамиVD1 и VD2, управляющее напряжение на которые подается через фильтр низких частот R, C_Ф.

Р ис.19

Рис. 20

Второй генератор собран на полевом транзисторе и отличается от первого использованием реактивных элементов сигнального тракта, выполненных в виде отрезков длинных линий (как правило, микрополосковых).

Длинные линии 1,2 – четвертьволновые, через которые подаются стоковое и затворное напряжения на транзистор; короткозамкнутая длинная линия 3 выполняет роль индуктивности параллельного частотозадающего контура. Емкость контура – варикап VD1, управляемый напряжением U_УПР, подводимым посредством ФНЧ на элементах R, C_Ф. Короткозамкнутая линия 6 является элементом положительной обратной связи, обеспечивающей выполнение условий генерации. Короткозамкнутая линия 4 совместно с отрезком линии 5 образуют выходной трансформатор сопротивления; емкости C_Б в цепях питания – блокирующие, служат элементами развязки источников питания и сверхвысокочастотного тракта ГУН.

Важным параметром ГУН, входящим в перечень величин, необходимых для расчета синтезатора с петлей ФАПЧ, является крутизна электрической перестройки ГУН, равная

МГц/В.

Обычно, в СВЧ диапазоне, величина составляет от десятков до сотен мегагерц на вольт.

Делители частоты

Входящие в состав синтезаторов делители частоты в настоящее время строятся на базе счетчиков, выполненных на цифровых интегральных схемах. Принцип работы цифрового делителя показан на рис. 21. Видно, что схема вырабатывает один импульс после поступления на ее вход N импульсов. Это соответствует делению частоты выходного сигнала на N.

U_BX

N 1 2 3 4 5 6 N

t

U_BЫX

t

Рис. 21

Использование синтезаторов частоты с цифровыми делителями частоты предполагает использование достаточно высокочастотных счетчиков во входных цепях синтезаторов. Проблемы создания таких счетчиков резко возрастают с ростом частоты: например по состоянию на середину – конец 90х годов прошлого века распространенные счетчики, выполненные по КМОП технологии, имели предельную частоту переключения в районе 50 МГц. Попытка создания счетчиков на частоты 1 ГГц и выше неизбежно приводит к необходимости использования биполярной или смешанной технологии, что приводит к резкому возрастанию энергопотребления и недопустимому перегреву кристалла при значительном количестве переключающих элементов. Неудивительно, что приемлемым решением при создании счетчиков для высокочастотных синтезаторов частоты стало использование предделителей частоты (прескалеров) с фиксированным коэффициентом деления р, которые обеспечивают предварительное, в р раз, деление частоты входного сигнала. Выходной сигнал прескалера подается на низкочастотный ДПКД, выполненный по экономичной и высокоразвитой КМОП технологии. Сам прескалер выполняется по биполярной или смешанной технологии, чаще всего по схемам высокоскоростной эмиттерно-связанной логики. Он содержит всего несколько каскадов деления частоты. При этом энерговыделение остается допустимым, хотя и весьма значительным.

Использование описанных простейших прескалеров позволило создать сверхвысокочастотные синтезаторы на основе цифровых делителей частоты до частот ~10ГГц. Необходимо, однако, отметить, что подобное построение синтезаторов частоты обладает существенным недостатком - невозможностью реализовать требуемый малый шаг перестройки частоты выходного колебания синтезатора. Действительно, рассмотрим реализацию сверхвысокочастотного синтезатора с прескалером (рис.22). Выбираем , где – коэффициент деления используемого низкочастотного ДПКД.

Рис.22

Для этой схемы имеем

, откуда , так что ,

причем так как , получим .

Таким образом, использование прескалера с фиксированным коэффициентом деления приводит к увеличению минимального шага перестройки генератора в раз по сравнению со схемой без прескалера (рис. 3), что в ряде случаев неприемлемо.

Указанный недостаток был преодолен путем некоторого усложнения схемы прескалера. Распространение получили предварительные делители частоты с коэффициентами деления, динамически изменяемыми на единицу (так называемые делители или делители с двойным модулем (dual modulus prescalers)). ДПКД с таким прескалером схематически изображен на рис. 23.

Рис.23

Как видно, схема содержит два счетчика ( и ) и прескалер, коэффициент деления которого управляется выходом счетчика следующим образом: до тех пор, пока считает счетчик прескалер осуществляет деление частоты на ; после окончания счета счетчиком прескалер устанавливается в состояние с коэффициентом деления частоты на ; одновременно счетчик сбрасывается, а его счет возобновляется после окончания счета счетчиком . Далее весь процесс счета повторяется сначала. Для получения выражения для коэффициента деления на выходе счетчика заметим, что до сброса счетчика на его вход должно поступить импульсов от ГУН СВЧ. Такое же количество импульсов поступило и на вход счетчика . Если бы входные импульсы поступали на счетчик со входа непосредственно, то до сброса счетчика на вход должно было бы поступить еще импульсов. Однако, в связи с тем, что от ГУН СВЧ импульсы поступают через делитель с коэффициентом деления , количество импульсов, которое должно дополнительно поступить от ГУН СВЧ до сброса счетчика , должно быть равно . Общее же число импульсов от ГУН СВЧ за цикл работы или, что то же, коэффициент деления делителя с рассматриваемым прескалером, равен:

.

Рассмотрим шаг перестройки частоты, обеспечиваемый таким делителем, при условии, что - низкочастотные ДПКД. Минимальный шаг перестройки обеспечивается, очевидно, при сохранении постоянным коэффициента деления и изменении коэффициента на единицу, а также при разности , равной 1.

;

.

Таким образом .

Тем самым получен минимальный шаг перестройки, равный тому же, что и для схемы без прескалера.

При этом имеются ограничения, накладываемые на величину коэффициента деления счетчика . Непрерывный ряд целых чисел, задающихся величиной возможен лишь в том случае, когда , то есть когда , что и делается в подобных делителях. Кроме того, правильная работа прескалера будет обеспечена лишь при соблюдении условия .

Если делители частоты, построенные по указанной схеме, вначале выпускались в виде отдельно выполненных микросхем делителей и синтезаторов со встроенными делителями и логическими схемами для подсоединения прескалера, то сегодня прескалер непосредственно включается в состав микросхемы синтезатора, причем часто программируемыми величинами являются не только но и сама величина (микросхема ADF4107 фирмы Analog Devices).