Двойные радиочастотные синтезаторы с импульсно-фазовой автоподстройкой частоты

серии ADF4000

Компания Analog Devices (ADI) предлагает широкий спектр микросхем двойных цифровых синтезаторов частот на основе систем квазиастатической импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАП) серии ADF 4000.

Серия включает в себя двойные синтезаторы как с целочисленным (integer-N), так и с дробным (fractional-N) коэффициентом деления. Синтезаторы серии изготавливаются по современной технологии BiCMOS 0,35 мкм, могут работать в интервале питающих напряжений 2,7 –3,3 В (ADF4217L-4219L и ADF4252) или 2,7 –5,5 В (все остальные) в диапазоне рабочих температур –40 … +85 °С.

Семейство сдвоенных RF/IF-синтезаторов ADF4000 позволяет реализовать современные гетеродины портативных приемопередатчиков с повышением (в трансмиттере) и понижением (в приемнике) частоты. В сочетании с внешними ГУН и петлевыми фильтрами приборы семейства ADF4000 образуют законченную систему гетеродинов PLL.

Минимизации занимаемой площади печатной платы способствует минимальная обвязка микросхем пассивными элементами и переход на новые корпуса. ADI предлагает микросхемы синтезаторов не только в традиционном корпусе TSSOP, но и в корпусах типа CSP (вариант CC-24). Кроме того, повышенная интеграция способствует уменьшению энергопотребления.

На рис.1 приведен вариант структурной схемы приемника GSM с использованием в качестве гетеродинов однокристальных двухпетлевых синтезаторов серии ADF4000. Приемник выполнен по схеме двойного преобразования частоты, поэтому двойной гетеродин на одном кристалле существенно облегчает его конструктивную реализацию.

На рис.2 показан один из вариантов выполнения двойного гетеродина на микросхеме ADF4219L.

На рис.3 приведена схема широкополосного гетеродина на RF-синтезаторе микросхемы ADF4213.

Диапазон синтезируемых частот составляет 1350 –2340 МГц при шаге сетки 1 МГц. Полоса прозрачности петли ИФАП — 40 кГц, выходной ток частотно-фазового детектора (ЧФД)— 2,5 мА. Следует обратить внимание на построение петлевого фильтра: изодромное звено отделено от входной цепи ГУН бу-ферным усилителем с коэффициентом передачи K =+4.

Буферный усилитель выполняет две основные функции:

• Во-первых, он увеличивает размах управляющего напряжения практически до 20 В (реально до 18 В) для того, чтобы ГУН перекрыл требуемый диапазон.
• Во-вторых, он изолирует по постоянному току выход ЧФД и изодромное звено от нагрузки, уменьшая тем самым возможные токи утечки.

Такая изоляция позволяет уменьшить уровень дискретных побочных спектральных составляющих (ПСС) в выходном сигнале. Действительно, при малых управляющих (запирающих) напряжениях токи утечки варикапов ГУН возрастают, как, впрочем, и при увеличении температуры.

Рост тока утечки приводит к росту уровня дискретных ПСС в низкочастотной части выходного диапазона. Использование развязки с помощью высококачественного усилителя AD820 позволяет избежать неконтролируемого изменения тока.

Описание и характеристики двойных синтезаторов серии ADF4000

Использование прескалера с различными значениями модуля P позволяет расширить возможности применения микросхем в устройствах различного частотного диапазона. Например, у ADF4219L в IF-канале P МИН =8 и N МИН =56, а в RF-канале P МИН =16 и N МИН =240.

В таблице 1 приведены значения модулей деления прескалеров, коэффициентов деления опорных делителей R МАКС (R МИН =1) и выходных токов ЧФД в секциях RF и IF двойных синтезаторов серии ADF4000.

Таблица 1. Значения модулей деления и токов ЧФД в двойных синтезаторах серии ADF4000

Частотно-фазовый детектор (ЧФД) в синтезаторах рассматриваемой серии такой же, как и в микросхемах одиночных синтезаторов. Цифровая часть ЧФД дополняется парой комплементарных полевых транзисторов N1 и P1 с малыми токами управления и утечки — схемой подкачки (точнее, поддержания) заряда Charge Pump (рис.4).

Временная диаграмма сигналов на входах и выходе детектора приведена на рис.5. Она справедлива при использовании вполне определенных цепей внешней обвязки ЧФД — изодромного звена R1C2 и, иногда, дополнительного ФНЧ, состоящего из конденсатора C1 и внутреннего сопротивления R0 открытых транзисторов ЧФД (рис.6).

Изодромное звено позволяет скорректировать амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики ИФАП в окрестностях частоты среза кольца и обеспечивает его устойчивую работу в диапазоне выходных частот.

Сочетание цифрового тракта ЧФД (D-триггеров с цепью сброса) и пары комплементарных транзисторов позволяет в режиме синхронизма обеспечить почти нулевое временное рассогласование .. между активными перепадами импульсов опорного колебания и приведенного колебания ГУН; абсолютная величина такого рассогласования составляет не более единиц наносекунд. Для этого необходимо, чтобы токи утечки изодромного звена (емкости C2 и C1) были незначительными на интервале одного (и каждого) периода частоты сравнения. Тогда время перезаряда емкости изодромного звена будет минимальным и равным внутренней задержке цепей сброса цифровой части ЧФД, то есть определяться используемой технологией изготовления кристалла.

В рассматриваемых микросхемах но изменение полярности (наклона) характеристики детектора с прямой на обратную. Кроме того, выход ЧФД можно отключать (переводить в третье, высокоомное, состояние).

Чем шире полоса кольца (выше частота единичного усиления), тем лучше его динамика, то есть меньше время переходного процесса. На рис.7 показан характер переходного процесса в квазиастатическом кольце ИФАП с ЧФД при переключении с частоты 880 на 915 МГц.

Ясно видно, что кольцо ИФАП с полосой (частотой среза кольца) 35 кГц переключается быстрее кольца с полосой 10 кГц; с неточностью установления номинального значения новой частоты 10 кГц время переходного процесса составляет, соответственно, 142 мкс и 248 мкс. При уменьшении неточности установления до 1 кГц время перестройки увеличивается почти на порядок.

Крутизна управляющей характеристики ГУН K V =.F ГУН /.U ЧФД (рис.7) может значительно изменяться по диапазону и существенным образом влиять как на устойчивость кольца в статическом режиме (в режиме синхронизма), так и на динамику кольца.

Например, при переключении выходной частоты ГУН с 915 на 880 МГц и характере изменения крутизны,показанной на рис.8, амплитуда выброса по частоте и время переключения увеличится, то есть возрастет колебательный характер переходного процесса.

Для компенсации изменения крутизны управляющей характеристики ГУН можно воспользоваться, например, изменением выходного тока ЧФД в диапазоне рабочих частот. Такая возможность (8 градаций) предусмотрена в синтезаторах ADF4210(1/2/3).

Итак, во-первых, у всех синтезаторов серии ADF4000 минимальный коэффициент деления частоты опорного колебания R _МИН =1.

Во-вторых, алгоритм, структура и временные параметры загрузки данных по последовательному интерфейсу во всех синтезаторах серии одинаковы. Пользователь может выбрать один из двух вариантов загрузки:

• по фронту — третья строка рис.9;
• потенциальный — четвертая строка рис.9.

Двойные синтезаторы ADF4210 (1/2/3) (рис.11) по своим параметрам являются аналогами синтезаторов «одиночной » серии ADF4110 (1/2/3) и удобны при построении приемопередатчиков различного назначения и частотного диапазона.

Кристаллы двойных синтезаторов серии ADF4206(7/8)— «pin-совместимые » аналоги серии чипов LMX2335(6/7); синтезаторы ADF4216(7/8) аналогичны приборам серии LMX2330(1/2); синтезаторы ADF4217L(8L) аналогичны кристаллам серии LMX2330L(1L), а синтезатор ADF4217L — синтезатору LMX2370 фирмы National Semiconductor.

Частотные характеристики двойных синтезаторов серии ADF4000 по радиочастотному входу RF input,по второму входу IF input, по опорному входу REFIN, по выходу прескалера PROUT и по входу фазового детектора PDIN приведены в таблице 2.

Таблица 2. Частотные характеристики двойных синтезаторов серии ADF4000

Таблица 3. Описание функций и обозначение выводов синтезаторов ADF4210(1/2/3)

Таблица 4.Описание способа установки тока ЧФД в двойных синтезаторах ADF4000

На рис.10 приведена структура выходного мультиплексора с указанием сигналов, значения которых могут быть скоммутированы на контрольный выход.

Спектральные характеристики синтезаторов приведены на рис.12 –15 и в комментариях не нуждаются.

Проектирование двойных синтезаторов удобно вести с помощью интерактивной программы ADIsimPLL расчета кольца ИФАП, собранного с использованием чипов серии ADF4200 (www.analog.com/pll ).

Как следует из приведенного обзора, двойные Integer-N синтезаторы по многим своим параметрам дублируют друг друга. Поэтому компания ADI объявила о сокращении номенклатуры двойных синтезаторов в 2003 –2004 годах. Так, до одного синтезатора ADF4212 сокращается серия ADF4210(1/2/3); целиком «уходит » серия ADF4206(7/8).

Вместо нее компания ADI рекомендует синтезатор ADF4252, который в планах ADI является наиболее перспективным. Также повсеместно рекомендуются к применению синтезаторы с пониженным энергопотреблением ADF4217L(8L/9L).

В следующей статье будут рассмотрены характеристики и вопросы применения двойного радиочастотного синтезатора частот с дробным коэффициентом деления ADF4252.

Литература

1. M.Curtin, P.O Bien.PLL for HF receivers and Transmitters. Рarts 1, 2, 3. Analog Dialog. 1999. Volume 33.
2. www.analog.com .

Сергей Дмитриев,
Юрий Никитин, к.т.н.

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы