Nízký fázový šum a vysoký odstup PLL/VCO?

Rostoucí požadavky kladené na kmitočtové pásmo, propustnost a také dynamický rozsah komunikačních systémů kladou společně s potřebou vyšších frekvencí pro antény pracující v oblasti milimetrových vln (5G) další požadavky na kvalitu místního oscilátoru LO, resp. hodinového signálu využívaného v telekomunikační technice či zapojeních se smíšenými signály. Úsilí, které v této věci vynakládá společnost Analog Devices, je patrné v nových syntezátorech s vlastním napěťově řízeným oscilátorem VCO, obvodech ADF4371 [1] a jim podobných ADF4372 [2].

Kmitočtový záběr

Pro maximální frekvenční pokrytí nabízí VCO u obvodů ADF4371 a ADF4372 rozsah od 4 až do 8 GHz. Po dělení 1, 2, 4, 8, 16, 32 či 64 pak lze na hlavním výstupu RF8 pracovat mezi 62,5 a 8 000 MHz. Druhý identický výstup umožňuje řídit takt převodníku. Fázový šum VCO v otevřené smyčce dosahuje –109 dBc/Hz (offset 100 kHz, výstupní kmitočet 8 GHz).

Pro dosažení ještě vyšších kmitočtů struktury pamatují na vlastní zdvojovač nabízející na komplementárních vývodech RF16 od 8 do 16 GHz. Prvky ADF4371 pak výrobce dále vybavuje násobičkou ×4, takže pro obdobné výstupy RF32 obdržíte od 16 až do 32 GHz. K vyloučení nežádoucích produktů při násobení slouží u obvodů ADF4371 a také ADF4372 bloky označené jako „Tracking Filter“ optimalizující na požadovaném kmitočtu výkonové úrovně, zatímco nechtěné složky zde budou potlačovány. V případě zdvojeného výstupu lze ve spojitosti s VCO uvažovat úroveň –45 dBc, pro trasu ×4 pak přibližně –35 dBc.

Skvělé výsledky PLL ve spojení s převodníkem

Zdokonalení obvodů smyčky fázového závěsu PLL znamená, že prvky ADF4371 zde spolu s ADF4372 vykážou FOM (Figure of Merit) na úrovni jen –234 dBc/Hz. Pokud tedy zároveň uvážíme příslušné nízké šumové pozadí –127 dBc/Hz (1/f, standard. na výstupním kmitočtu 1 GHz, offset 10 kHz), bude možné vyrábět hodinové signály s jitterem jen 40 fs (RMS, limit 1 kHz až 100 MHz), což skvěle nahrává i těm nejnáročnějším aplikacím s převodníky.

Abychom minimalizovali šum rezistoru, který se může v rámci smyčky vyskytovat, doporučuje se použít jednoduchý dolnopropustný filtr s malými rezistory. K dosažení nízké úrovně rušení je nezbytný vysokofrekvenční zdroj s extrémně malým šumem (250 MHz, příp. 125 MHz s využitím zdvojovače referenčního kmitočtu). PFD (Phase Frequency Detector) může pracovat až do maxima v podobě 250 MHz (Integer N). Komplementární výstup VCO RF16 (×2) se pak dá k vybraným převodníkům ADI zapojit přímo, tj. bez potřeby vnějšího balunu, který by jinak mohl zvyšovat náklady. V oblasti od 6,144 až do 12,288 GHz se každopádně žádné zhoršení parametrů neočekává.

Komunikace, ale též přístrojová technika

Pro bezdrátové systémy, ale i přístrojovou techniku, přichází obvody ADF4371 nebo ADF4372 s modulátory sigma-delta s rozlišením 39 bitů, takže je možné generovat kmitočty s rozlišením pod jeden milihertz a dosahovat přitom chyby 0 Hz. V takovém případě pak PFD u obvodu ADF4371 pracuje až do 160 MHz a obě součástky v těchto aplikacích zajišťují jitter pod 48 fs (RMS). Prvně zmiňované součástky se mohou rovněž pochlubit prvotřídními výsledky, pokud jde o PLL a rušivé signály (až –100 dBc, PFD; –55 dBc, parametr „Inband Integer Boundary Spur – Unfiltered“). Zmíněné vlastnosti výrazně zjednodušují frekvenční plánování a zkracují dobu potřebnou k uvedení produktů na trh. Spousta obvodů řešících otázku PLL (Fractional-N) či VCO má totiž v této oblasti nepředvídatelnou povahu, což celou věc dále jen komplikuje a prodražuje.

Malé rozměry

Integrované obvody PLL/VCO, ADF4371 či ADF4372 jsou k dispozici v pouzdrech typu LGA (Land Grid Array) se 48 vývody a o rozměrech 7 × 7 mm.

K dosažení těch nejlepších vlastností se doporučuje přibrat jakostní lineární stabilizátory LDO, jako jsou např. prvky ADM7150 [3] nebo LT3045 [4]. Oscilátor VCO lze napájet buď z 3,3 V, nebo 5 V a zbývající obvody pak ze zdroje 3,3 V. Chování ADF4371 je možné simulovat s využitím nástroje ADIsimPLL™ usnadňujícího výběr vhodných vnějších součástek požadovaných při návrhu kompletního systému PLL.

Závěr

Prvotřídní kmitočtové pokrytí, technické parametry a také malé vlastní provedení obvodů ADF4371 umožňují vyhovět náročným požadavkům nejen u nových komunikačních systémů, ale i v oblasti přístrojové techniky.