Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Czy generator zegara może pełnić rolę kompensatora szumu fazowego

ghost666 25 Mar 2017 21:33 1458 0
  • Celem poniższego artykułu, jest pokazanie, że stwierdzenie, iż generator zegarowy nie jest w stanie czyścić sygnałów z jitteru (szumu fazowego) jest popularnym stereotypem. Nie chcemy go tutaj powielać, dlatego przedstawimy tutaj różnice pomiędzy typowymi generatorami przebiegów taktujących a układami do kompensacji jitteru. Przyjrzymy się bliżej także pętlom sprzężonym fazowo (PLL) i omówimy typowe parametry szeroko- i wąskopasmowych pętli PLL, szczególnie pod kątem szumu fazowego przy wykorzystaniu takich generatorów sygnału taktującego do kompensacji jitteru

    Definicje

    Generator przebiegu zegarowego posiada co najmniej dwa wyjścia, na których obecne są sygnały taktujące, sprzęgnięte z zegarem wejściowym. Co najmniej jedna z tych częstotliwości wyjściowych nie dzieli się przez wejściową do liczby całkowitej. Generatory zegara składają się zazwyczaj z pojedynczej pętli PLL, która często pełni także rolę mnożnika częstotliwości (jak pokazano na rysunku 1).

    Z kolei moduły mające za zadanie oczyszczanie sygnału z szumu fazowego posiadają tylko jedno wyjście, na którym wystawiany jest sygnał zegarowy o częstotliwości sprzęgniętej z sygnałem wejściowym. Sygnał na wyjściu charakteryzuje się mniejszym jitterem niż ten na wejściu. Układy takie składają się często z dwóch połączonych ze sobą kaskadowo pętli sprzężonych fazowo - pierwsza odpowiedzialna jest za zmniejszenie poziomu szumu fazowego w sygnale, a druga zajmuje się mnożeniem częstotliwości. Taki system pokazano na rysunku 2.

    Czy generator zegara może pełnić rolę kompensatora szumu fazowego
    Rys.1. Pojedyncza pętla PLL jako generator sygnału zegarowego.

    Czy generator zegara może pełnić rolę kompensatora szumu fazowego
    Rys.2. Dwie pętle PLL jako system zmniejszania szumu fazowego.


    Kluczowe aspekty PLL

    O pętli z sprzężeniem fazowym musimy wiedzieć trzy zasadnicze rzeczy:

    * Pętla PLL może zmniejszać lub zwiększać poziom szumu fazowego w sygnale zegarowym - wszystko zależy od stosunku jitteru w sygnale wejciowym (referencyjnym) i w przebiegu generowanym przez sterowany napięciowo oscylator (VCO).




    * To VCO pełni de facto rolę elementu zmniejszającego poziom szumu fazowego w sygnale zegarowym, ale w niektórych przypadkach jego słaba jakość (wysoki jitter) przyczyniać się mogą do pogorszenia parametrów sygnału na wyjściu pętli PLL, szczególnie gdy pasmo tej pętli pokrywa się z pasmem szumu fazowego w sygnale odniesienia.
    * Parametry pętli PLL poprawiają się wraz z zwiększaniem się częstotliwości detektor fazy oraz prądem pompy ładunku w systemie. Szum pętli PLL (rozumiany w tym przypadku jako suma szumów detektora fazy i pompy ładunku) powinno się traktować jako "koszt szumu" potrzebny do sprzęgnięcia pętli - sygnału referencyjnego do VCO.

    Bardzo ważnym jest, aby zrozumie wpływ oscylatora VCO w pętli PLL. Filtr pętli sprzeżonej fazowo pełni rolę filtra dolnoprzepustowego dla sygnału odniesienia i szumu PLL i filtra górnoprzepustowego dla szumu VCO. Oscylatory wykorzystujące kryształ kwarcu (VCXO) charakteryzują się wysoką dobrocią (Q) dzięki czemu oferują doskonałe parametry, jeśli chodzi o szum fazowy, w porównaniu do klasycznych VCO wykorzystujących układ LC z relatywnie niską dobrocią.

    Zależnie od tego w jakiej technologii wykonano VCO - z powierzchniową falą akustyczną (SAW) lub jako współosiowy rezonator (CRO) - parametr Q będzie różny, jednakże zawsze to on będzie determinował parametry związane z szumem fazowym w systemie. Jakkolwiek oscylatory VCXO o wysokiej dobroci charakteryzują się niskim jitterem, to z drugiej strony mają ograniczoną częstotliwość maksymalną. VCO wykonane w innych technologiach nie mają takich ograniczeń, co umożliwia konstruowanie w oparciu o nie oscylatorów o częstotliwościach rzędu wielu gigaherców.

    Niezależnie od zastosowanej technologii, VCO instalowane dzisiaj w scalonych układach PLL, charakteryzują się równie dobrymi parametrami co niezależne oscylatory VCO.

    Różnica w parametrach układów generujących zegar i usuwających jitter z sygnału

    Typową aplikacją generatora zegara z pętlą PLL jest sytuacja w której podaje się na jego wejście niezaszumiony sygnał zegarowy, więc pętla PLL pracować może z szerokim pasmem, aby tłumić szum fazowy VCO w generatorze zegara. To szczególnie istotne w układach z VCO z niską dobrocią. Ponieważ sygnał wejściowy charakteryzuje się niskim szumem fazowym to sygnał wyjściowy ma jitter uzależniony jedynie od jakości działania generatora i jego pętli PLL. Częstotliwość wejściowa jest dobierana idealnie tak, aby wykorzystać maksymalną częstotliwość detektora fazy, dla zapewnienia optymalnych warunków pracy pętli PLL.

    Rysunek trzeci pokazuje typowe widmo szumu fazowego dla sygnału z pętli PLL o szerokim pasmie. Widać tam wpływ szumu fazowego z sygnału odniesienia, pętli PLL i oscylatora VCO. Jeśli sygnał odniesienia jest zaszumiony, a poziom tego szumu przekracza poziom szumu pętli PLL to zwiększy on poziom szumu w sygnale wyjściowym; może nawet poszerzać swój zakres częstotliwości w rejon pracy VCO.

    Czy generator zegara może pełnić rolę kompensatora szumu fazowego
    Rys.3. Typowy szum fazowy pętli PLL z szerokim pasmem pętli.


    Z kolei typowym zastosowaniem układu z dwoma pętlami PLL jest czyszczenie z jitteru zaszumionego sygnału wejściowego. Pierwsza pętla PLL pracuje z bardzo wąskim pasmem, co tłumi szum fazowy, zwłaszcza z sygnału wejściowego. W takiej sytuacji VCO lub VCXO w układzie staje się dominującym sygnałem szumu w drugiej pętlu PLL, kaskadowo połączonej z pierwszą. Druga pętla pełni w tym układzie rolę generatora sygnału zegarowego. Na rysunku czwartym zaprezentowano typowe widmo szumu fazowego sygnału wyjściowego z pierwszej pętli PLL w opisanym systemie. Pokazuje to jak niski poziom szumu fazowego obecny jest w oczyszczonym z jitteru w ten sposób zegarze.

    Możliwa jest też konstrukcja układu do czyszczenia sygnału z jittera o jednej pętli PLL. W takiej sytuacji częstotliwość wymagana przez aplikację, lub wyższa, jest obecna na wyjściu pierwszej pętli, co czyni mnożnik w postaci drugiej pętli zbędnym.

    Czy generator zegara może pełnić rolę kompensatora szumu fazowego
    Rys.5. Typowy szum fazowy pętli PLL z wąskim pasmem pętli.


    Podsumowanie

    W aplikacji wymagającej czyszczenia sygnału z szumu fazowego dobrze jest wykorzystać albo pojedynczą pętlę PLL z zintegrowanym VCO o wąskim pasmie filtra pętli albo układ dwóch kaskadowo połączonych pętli.

    Na szum fazowy na wyjściu dowolnej pętli PLL wpływ ma dobroć wykorzystanego oscylatora VCO - im wyższa, tym jitter w sygnale mniejszy. Jest to szczególnie istotne w pętlach z szerokim pasmem filtra.

    Wykorzystanie układu usuwającego szum fazowy opartego na pojedynczej pętli w szeregu sytuacji pozwoli zmniejszyć ilość potrzebnych komponentów, a jednocześnie spełni on swoją rolę, jeśli zachowa się staranność podczas projektowania takiego systemu i odpowiednio dobierze się elementy.

    Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2017/03/23/can-a-clock-generator-act-as-a-jitter-cleaner


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.