W imieniu autora kolejnego artykułu z serii poświęconej taktowaniu systemów, Noale Funga, witam i zapraszam do czytania artykułu poświęconego omówieniu systemowi z pętlą z sprzężeniem fazowym (PLL), w szczególności odpowiedzi filtra, znajdującego się w tym układzie. System PLL składa się z stabilnego i niskoszumnego źródła przebiegu odniesienia, układu PLL wraz z filtrem oraz oscylatora sterowanego napięciowo (VCO). Poniżej pokazano schemat budowy takiego układu.
Podczas projektowania systemu PLL konieczne jest zazwyczaj zaprojektowanie także filtra znajdującego się w pętli sprzężenia zwrotnego. Własności tego filtra mają kluczowy wpływ na parametry gotowego układu i generowanego przezeń przebiegu. Dla wielu optymalizacja tego elementu pętli stanowi nie lada problem z uwagi na konieczność wzięcia pod uwagę szeregu zmiennych, takich jak szum fazowy, czas stabilizacji oraz zakłócenia - wszystkie te czynniki należy wziąć pod uwagę, projektując pętlę. Jednakże zadanie to nie jest aż takie skomplikowane jakie może się wydać na pierwszy rzut oka. Wiele pomoże w tym zrozumienie jak odpowiedź filtra w pętli wpływa na poszczególne źródła szumu w układzie - pozwoli nam to na stworzenie optymalnego projektu systemu PLL.
W układzie z pętlą PLL istnieją cztery zasadnicze źródła szumu: zegar odniesienia, układ PLL, filtr oraz VCO. Przyjrzyjmy się zatem bliżej jak na poszczególne elementy wpływa odpowiedź filtra.
Zegar odniesienia
Z punktu widzenia sygnału referencyjnego filtr w pętli jest filtrem dolnoprzepustowym. Na skutek tego szum fazowy zegara odniesienia zostaje przefiltrowany i jego pasmo zawężone, co pokazane jest na poniższych wykresach. Po lewej widoczne jest widmo szumu fazowego zegara odniesienia na wejściu układu, a po prawej - to samo widmo po przejściu przez filtr.
Układ sprzężenia fazowego.
Podobnie jak w przypadku zegara, tak i dla szumów fazowych pojawiających się w układzie PLL, filtr jest filtrem dolnoprzepustowym. Im mniejsze jest pasmo filtra, tym bardziej szum PLL jest redukowany. Na poniższych wykresach zaprezentowano widmo szumu z układu PLL (po lewej) i szumu po filtracji (po prawej).
Filtr pętli sprzężenia zwrotnego
W większości przypadków w systemach PLL stosuje się filtry pasywne, z uwagi na ich niski koszt i łatwość implementacji. Odpowiedź filtra jest, zasadniczo, pasmowoprzepustowa z maksimum przy pasmie pętli. Szum pojawia się tutaj na skutek szumu termicznego w opornikach, wykorzystanych do konstrukcji filtra pasywnego.
Generator strojony napięciowo (VCO)
Najdziwniejszym faktem jest iż filtr, dla VCO, jest górnoprzepustowy. Jest to zupełnie odwrotna sytuacja niż dla zegara odniesienia i samego układu PLL. W związku z tym nie możemy wykorzystywać bardzo szerokich czy też bardzo wąskich filtrów w pętli we wszystkich projektach. Konieczna jest optymalizacja pasma filtra do punktów w którym osiąga się kompromis pomiędzy szumem z wszystkich źródeł. Na poniższych wykresach pokazano szum VCO (po lewej) i szum po przejściu przez filtr (po prawej).
Całkowity szum fazowy i optymalizacja układu
W systemie PLL całkowity szum fazowy wynika z sumy kontrybucji wszystkich źródeł szumu, wspomnianych powyżej. Na poniższym wykresie łatwo jest podzielić spektrum szumu na trzy zakresy, w których szum pochodzi głównie od: zegara odniesienia, układu PLL i VCO.
Zasadniczo filtr w pętli nie jest w stanie zmniejszyć ilości generowanego szumu fazowego w skrajnych regionach - związanych z zegarem i VCO. Jedyną metodą na obniżenie szumu w tych zakresach jest użycie niskoszumnego źródła sygnału odniesienia lub lepszego generatora VCO.
Środkowy obszar, związany z szumem pętli PLL, złożony jest zasadniczo z szumu 1/f, płaskiego szumu pętli PLL i licznika do N. Szum 1/f i szum płaski zależne są od działania pompy ładunku w układzie. Im prąd pompy użytej w systemie jest wyższy, tym szum ten będzie mniejszy. Licznik do N dodaje 20 log (N) do szumu układu, co oznacza iż w celu optymalizacji poziomu szumu lepiej wykorzystać jest niższe N.
Źródło:
http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive...g-understanding-pll-loop-filter-response.aspx
Podczas projektowania systemu PLL konieczne jest zazwyczaj zaprojektowanie także filtra znajdującego się w pętli sprzężenia zwrotnego. Własności tego filtra mają kluczowy wpływ na parametry gotowego układu i generowanego przezeń przebiegu. Dla wielu optymalizacja tego elementu pętli stanowi nie lada problem z uwagi na konieczność wzięcia pod uwagę szeregu zmiennych, takich jak szum fazowy, czas stabilizacji oraz zakłócenia - wszystkie te czynniki należy wziąć pod uwagę, projektując pętlę. Jednakże zadanie to nie jest aż takie skomplikowane jakie może się wydać na pierwszy rzut oka. Wiele pomoże w tym zrozumienie jak odpowiedź filtra w pętli wpływa na poszczególne źródła szumu w układzie - pozwoli nam to na stworzenie optymalnego projektu systemu PLL.
W układzie z pętlą PLL istnieją cztery zasadnicze źródła szumu: zegar odniesienia, układ PLL, filtr oraz VCO. Przyjrzyjmy się zatem bliżej jak na poszczególne elementy wpływa odpowiedź filtra.
Zegar odniesienia
Z punktu widzenia sygnału referencyjnego filtr w pętli jest filtrem dolnoprzepustowym. Na skutek tego szum fazowy zegara odniesienia zostaje przefiltrowany i jego pasmo zawężone, co pokazane jest na poniższych wykresach. Po lewej widoczne jest widmo szumu fazowego zegara odniesienia na wejściu układu, a po prawej - to samo widmo po przejściu przez filtr.
Układ sprzężenia fazowego.
Podobnie jak w przypadku zegara, tak i dla szumów fazowych pojawiających się w układzie PLL, filtr jest filtrem dolnoprzepustowym. Im mniejsze jest pasmo filtra, tym bardziej szum PLL jest redukowany. Na poniższych wykresach zaprezentowano widmo szumu z układu PLL (po lewej) i szumu po filtracji (po prawej).
Filtr pętli sprzężenia zwrotnego
W większości przypadków w systemach PLL stosuje się filtry pasywne, z uwagi na ich niski koszt i łatwość implementacji. Odpowiedź filtra jest, zasadniczo, pasmowoprzepustowa z maksimum przy pasmie pętli. Szum pojawia się tutaj na skutek szumu termicznego w opornikach, wykorzystanych do konstrukcji filtra pasywnego.
Generator strojony napięciowo (VCO)
Najdziwniejszym faktem jest iż filtr, dla VCO, jest górnoprzepustowy. Jest to zupełnie odwrotna sytuacja niż dla zegara odniesienia i samego układu PLL. W związku z tym nie możemy wykorzystywać bardzo szerokich czy też bardzo wąskich filtrów w pętli we wszystkich projektach. Konieczna jest optymalizacja pasma filtra do punktów w którym osiąga się kompromis pomiędzy szumem z wszystkich źródeł. Na poniższych wykresach pokazano szum VCO (po lewej) i szum po przejściu przez filtr (po prawej).
Całkowity szum fazowy i optymalizacja układu
W systemie PLL całkowity szum fazowy wynika z sumy kontrybucji wszystkich źródeł szumu, wspomnianych powyżej. Na poniższym wykresie łatwo jest podzielić spektrum szumu na trzy zakresy, w których szum pochodzi głównie od: zegara odniesienia, układu PLL i VCO.
Zasadniczo filtr w pętli nie jest w stanie zmniejszyć ilości generowanego szumu fazowego w skrajnych regionach - związanych z zegarem i VCO. Jedyną metodą na obniżenie szumu w tych zakresach jest użycie niskoszumnego źródła sygnału odniesienia lub lepszego generatora VCO.
Środkowy obszar, związany z szumem pętli PLL, złożony jest zasadniczo z szumu 1/f, płaskiego szumu pętli PLL i licznika do N. Szum 1/f i szum płaski zależne są od działania pompy ładunku w układzie. Im prąd pompy użytej w systemie jest wyższy, tym szum ten będzie mniejszy. Licznik do N dodaje 20 log (N) do szumu układu, co oznacza iż w celu optymalizacji poziomu szumu lepiej wykorzystać jest niższe N.
Źródło:
http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive...g-understanding-pll-loop-filter-response.aspx
Cool? Ranking DIY
