Виталий Козлов - Частотный синтез на основе ФАПЧ. Обзор методов синтеза

На нём показаны две петли ФАПЧ, включенные последовательно. Обе петли идентичны друг другу, и каждая из них содержит генератор, управляемый напряжением (ГУН), делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД), фазовый детектор (ФД) и фильтр нижних частот (ФНЧ). Каждый из названных элементов имеет номер на схеме в соответствии с номером петли. Системы ФАПЧ-1 и ФАПЧ-2 связаны друг с другом через ДПКД-3. Первая из них, с участием ДПКД-3, формирует переменную опорную частоту для второй, которая завершает структуру синтезатора. Для пояснения работы такой структуры, на рисунке показан числовой пример.

Приведём ниже ряд вычислений для частоты Fc на выходе синтезатора при опорной частоте Fr=50МГц:

N1=60 F1=3000 N3=59 N2=30 Fc=1 525,424 МГц

N1=59 F1=2950 N3=58 N2=30 Fc=1 525,862 МГц

N1=58 F1=2900 N3=57 N2=30 Fc=1 526,316 МГц

и

N1=59 F1=2950 N3=58 N2=58 Fc=2 950,000 МГц

N1=58 F1=2900 N3=57 N2=58 Fc=2 950,877 МГц

N1=57 F1=2850 N3=56 N2=58 Fc=2 951,786 МГц

Как видно из приведенных расчётов, получаемая дискретность сетки частот оказывается значительно меньшей исходной опорной частоты Fr. В нижней части синтезируемого диапазона частот она составляет порядка 450 кГц, а в верхней – порядка 900 кГц.

Коэффициенты деления N1 и N3 желательно выбирать со значениями, близкими друг к другу (в рассмотренном примере они отличаются на единицу). Тогда формируемая опорная частота F2 для второй петли мало отличается от исходной опорной частоты Fr, то есть также оказывается довольно высокой. Благодаря этому, полоса пропускания второй петли может быть выбрана столь же широкой, как и первой петли.

Можно также заметить, что диапазон частот, формируемый первой петлёй, не обязательно должен быть равным диапазону второй петли и может быть значительно меньшим (в приведенных вычислениях он равен всего лишь 150 МГц), из-за чего собственные шумы генератора ГУН-1 могут быть значительно снижены. Эти два фактора способствуют улучшению характеристик спектральной чистоты и быстродействия.

Однако же для получения меньшего шага сетки частот, требуется увеличивать коэффициенты деления всех трёх ДПКД и уменьшать значение опорной частоты Fr, что, естественно, приводит к ухудшению спектральной чистоты сигнала и к снижению быстродействия. Можно, конечно, решить эту задачу путём увеличения каскадов в данной структуре, то есть добавлением одной или нескольких петель ФАПЧ, но, понятно, это не всегда приемлемо из-за возрастающей сложности.

Другой возможный путь – это использование дробных делителей частоты с компенсацией помех дробности, включая вариант Fractional-N PLL петли. Примером такого решения можно назвать каскадное включение двух микросхем типа HMC830 фирмы Hittite (ныне в составе Analog Devices). Эта микросхема и есть Fractional-N PLL синтезатор с интегрированным в ней VCO (ГУН).

Важной особенностью рассматриваемой структуры является следующее. При достаточно большом наборе коэффициентов деления, включая их дробные значения, практически одну и ту же частоту на выходе можно получить при различных комбинациях этих коэффициентов. Это даёт возможность использовать наиболее удачные их комбинации, чтобы избавляться от побочных составляющих спектра (ПСС), таких, например, как Integer Boundary Spurs (IBS). Это когда частота ГУН наиболее близка к одной из гармоник опорной частоты.

Ниже показан пример, где в первой строке приведен случай IBS, то есть когда дробный коэффициент N2 наиболее близок к его целочисленному значению N2=58.

N1=45 F1=2250 N3=44 N2=58,000000000001 Fc=2 965,909 090 909 МГц

N1=46 F1=2300 N3=44 N2=56,739 130 435 Fc=2 965,909 090 920 Мгц

Вторая строка иллюстрирует случай, когда c изменением коэффициента деления N2 получена фактически та же самая частота (разница в несколько тысячных долей герца), но при этом обеспечена значительная отстройка от случая IBS. Предпочтительные комбинации коэффициентов деления могут быть запрограммированы в виде справочной таблицы по аналогии с таблицей LUT в синтезаторе типа DDS.

Из более сложных структур синтезаторов частоты наибольшее распространение получила, пожалуй, трёхпетлевая схема, показанная на рисунке 6. В ней функционально можно выделить две петли – мелкой и крупной сеток частот и третью – суммирующую петлю. На рисунке наименования блоков петли мелкой сетки снабжены индексом «1», а крупной сетки – индексом «2». В петлях мелкой и крупной сеток используются делители частоты с управляемыми коэффициентами: ДПКД-1 c коэффициентом N 1и ДПКД-2 c коэффициентом N 2соответственно. Опорные частоты F 01и F 02(суть частоты сравнения в фазовых детекторах) соответственно петель мелкой и крупной сеток получаются от общего источника опорной частоты Fr с помощью ДФКД – делителя частоты с фиксированным коэффициентом деления.