Odpowiedź: Zrozumienie charakterystyki i parametrów poszczególnych komponentów generujących częstotliwość ma kluczowe znaczenie dla określenia właściwego rozwiązania dla docelowego urządzenia. Poniższy artykuł to krótki przewodnik, który ma pomóc inżynierom systemów RF w procesie selekcji konkretnych metod.
Kluczowe parametry systemu
W pierwszej kolejności należy zdefiniować kryteria, które są zwykle używane do charakteryzowania elementów generujących częstotliwość. Najbardziej podstawowym z nich, od którego zwykle rozpoczyna się proces doboru komponentów, jest zakres częstotliwości wyjściowej. Istnieje szeroka gama części zaprojektowanych do tworzenia częstotliwości w całym spektrum, obsługujących zakresy ograniczone do jednego tonu lub obejmujące wiele oktaw. Jednak przy wyborze komponentu na podstawie jego częstotliwości wyjściowych należy wziąć pod uwagę, że możliwości pracy w szerokim pasmie czy osiągania dużych frekwencji są często oceniane w oparciu o inne parametry. W tym wypadku chodzi o stabilność, czystość widma wyjściowego i szybkość przełączania.
Stabilność częstotliwości reprezentuje krótko- i długoterminowe zmiany sygnału wyjściowego. Równowaga krótkoterminowa jest związana ze zmianami, które odbywają się w skali znacznie mniejszej niż jeden pełny okres sygnału. Te zmiany są wyrażane w postaci fluktuacji fazy i szumu fazowego (jitteru). Jitter fazowy określa małe wahania fazy sygnału w domenie czasu. Podczas gdy szum fazowy jest jego reprezentacją widmową opisaną przez względny poziom mocy szumu zawarty w paśmie 1 Hz przy różnych przesunięciach od częstotliwości nośnej. Jeśli zmiany frekwencji występują w dłuższym okresie, przeważnie mówi się o stabilności długoterminowej, która opisuje raczej dryf częstotliwości wyjściowej (zwykle wyrażonej w częściach na milion lub ppm) ze względu na różne aspekty, w tym temperaturę, warunki obciążenia i starzenie się danego elementu. Wszystkie te parametry podaje się niezależnie, bo mają one osobny wpływ na układ i finalnie się sumują.
Czystość widmowa to kolejna ważna cecha, którą należy wziąć pod uwagę w procesie doboru komponentów. Jest ona opisywana poprzez tzw. fałszywą zawartość obecną w widmie wyjściowym urządzenia i jest przeważnie określana ilościowo przez poziom sygnałów harmonicznych i inne składowe niepoprawnie odfiltrowane na wyjściu. Wyraża się ją w odniesieniu do poziomu częstotliwości podstawowej.
Oprócz stabilności i czystości widmowej sygnału wyjściowego, szybkość przełączania (znana również jako czas ustalania lub stabilizacji sygnału wyjściowego) jest kolejnym typowym parametrem kompromisu, który należy rozważyć przy wyborze optymalnego rozwiązania do generowania częstotliwości. Opisuje ona, ile czasu zajmuje komponentowi przełączenie się z jednej częstotliwości na inną, a wymagania dotyczące tego parametru mogą się znacznie różnić w zależności od aplikacji końcowej elementu.
Główne typy komponentów
Teraz gdy zdefiniowaliśmy kluczowe parametry części stosowanych do charakteryzowania elementów generujących częstotliwość, możemy przedstawić krótki przegląd głównych typów detali czy układów scalonych, które mają na celu oferowanie różnych cech, związanych z tymi kryteriami. Przedstawiony tutaj przegląd rozwiązań może służyć docelowo jako wskazówka przy wyborze odpowiedniego typu urządzenia, które powinno odpowiadać potrzebom docelowej aplikacji.
Oscylator kwarcowy (XTAL); (XO) to element, który wykorzystuje rezonator piezoelektryczny (zwykle kwarcowy) do generowania stałej częstotliwości wyjściowej od kilku kiloherców do kilkuset megaherców. Specjalny typ XO zwany oscylatorem kwarcowym sterowany napięciem (VCXO) pozwala na zmianę frekwencji z pomocą napięcia, ale tylko w bardzo małym stopniu, aby umożliwić precyzyjną regulację częstotliwości wyjściowej. Oscylatory kwarcowe to przetworniki elektromechaniczne o wyjątkowo wysokich współczynnikach Q (dobroć), które mogą przekraczać 100 000, co skutkuje bardzo stabilną częstotliwością wyjściową charakteryzującą się zgoła niskim poziomem szumów fazowych. Są one ograniczone pod względem maksymalnej częstotliwości wyjściowej i możliwości strojenia; są jednak idealnym wyborem, gdy pojedyncza precyzyjna częstotliwość odniesienia musi być zapewniona innym typom komponentów, aby uzyskać znacznie większe frekwencje.
Oscylator sterowany napięciem (VCO) to inny rodzaj elementu generującego częstotliwość, który opiera się na obwodach rezonansowych LC. Elementy obwodu elektrycznego powodują, że współczynnik dobroci jest znacznie niższy niż w przypadku kryształu kwarcowego (zwykle Q jest mniejsze niż 1000). Układ taki zapewnia, jednakże znacznie wyższe częstotliwości wyjściowe i szerokie zakresy strojenia. Oscylator tego rodzaju wytwarza sygnał wyjściowy, którego częstotliwość jest kontrolowana przez zewnętrzne napięcie wejściowe. Rdzeń VCO może wykorzystywać różne obwody rezonansowe. Jednordzeniowe VCO użytkujące rezonatory o wysokiej dobroci zapewniają niski poziom szumów fazowych w ograniczonym zakresie częstotliwości, podczas gdy oscylatory zaprojektowane dla niższego współczynnika dobroci mają na celu pracę szerokopasmową z przeciętnymi charakterystykami szumowymi. Wielopasmowe VCO wykorzystujące kilka przełączanych obwodów rezonatora o wysokiej dobroci oferują rozwiązanie kompromisowe, które zapewnia działanie szerokopasmowe i niski poziom szumów fazowych. Co jest osiągane kosztem wolniejszej prędkości strojenia ograniczonej czasem wymaganym do przełączania między różnymi rdzeniami. Oscylatory sterowane napięciowo są świetnym i wszechstronnym rozwiązaniem, ale generalnie nie zapewniają stabilnego sygnału wyjściowego, dlatego VCO są często używane w połączeniu z pętlami synchronizacji fazy (PLL) w celu poprawy stabilności częstotliwości wyjściowej.
Pętla synchronizacji fazy (PLL) lub syntezator PLL to obwód zapewniający stabilność częstotliwości wyjściowej dla układu VCO, która jest wymagana w wielu aplikacjach syntezy częstotliwości czy odzyskiwania (regeneracji) zegara. Jak pokazano na rysunku poniżej, układ PLL zawiera detektor fazy, który porównuje sygnał wyjściowy podzielony przez N z częstotliwości VCO ze źródła częstotliwości odniesienia. I wykorzystuje ten różnicowy sygnał wyjściowy do regulacji napięcia sterującego DC przyłożonego do linii strojenia oscylatora kontrolowanego napięciowo. Pozwala to na natychmiastową korektę dowolnego dryfu częstotliwości, a tym samym utrzymanie stabilnej pracy oscylatora. Typowy układ scalony PLL zawiera detektor błędów (detektor częstotliwości fazowej lub PFD z pompą ładunkową) oraz dzielnik sprzężenia zwrotnego (patrz obszar linii przerywanej na rysunku). I nadal wymaga dodatkowego zewnętrznego filtra dla pętli, precyzyjnego źródła częstotliwości odniesienia i układu VCO w celu utworzenia kompletnego systemu ze sprzężeniem zwrotnym dla stabilnego generowania częstotliwości. Realizację takiego mechanizmu można znacznie uprościć, stosując np. układy scalone syntezatora ze zintegrowanym VCO.
Syntezatory ze zintegrowanym VCO łączą w sobie układ PLL i VCO — wszystko w jednej obudowie. Wymagają one jedynie zewnętrznego źródła częstotliwości odniesienia i filtr pętli, aby realizować pożądaną funkcję. Zintegrowany syntezator PLL to wszechstronne rozwiązanie z szerokim spektrum cyfrowych ustawień sterowania dla dokładnego generowania częstotliwości. Często może zawierać scalone rozdzielacze mocy, powielacze i dzielniki frekwencji oraz filtry śledzące, aby umożliwić pokrycie częstotliwości do kilku oktaw poza podstawowym zakresem działania zintegrowanego VCO. Wewnętrzne parametry wszystkich tych komponentów określają zakres częstotliwości wyjściowej, szum fazowy, jitter, czas stabilizacji i inne cechy reprezentujące ogólną wydajność obwodu syntezatora.
Pętla translacji to inny rodzaj rozwiązania syntezatora opartego na koncepcji PLL, ale realizowanego przy użyciu odmiennego podejścia. Jak pokazano na rysunku pod literą b; wykorzystuje on zintegrowany etap miksowania i konwersji w dół, zamiast dzielnika N w pętli sprzężenia zwrotnego, aby ustawić wzmocnienie pętli na 1 i zminimalizować wewnątrzpasmowy szum fazowy. Układy scalone realizujące pętlę translacyjną (patrz obszar linii przerywanej na rysunku) są przeznaczone do zastosowań o dużej wrażliwości na jitter i, w połączeniu z zewnętrznymi układami PFD i LO, zapewniają kompletne rozwiązanie do syntezy częstotliwości oferujące wydajność wysokiej klasy i kompaktowy rozmiar w systemie.
Bezpośredni syntezator cyfrowy (DDS) jest alternatywą dla zintegrowanych PLL realizowanych według zupełnie innej koncepcji. Podstawową architekturę DDS przedstawiono schematycznie na rysunku poniżej pod literą c. Jest to system regulowany w pełni cyfrowo, który zawiera bardzo dokładną częstotliwość odniesienia stanowiącą sygnał zegarowy, oscylator sterowany numerycznie (NCO) tworzący cyfrową wersję docelowego przebiegu, a na wyjściu mechanizmu znajduje się przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) dostarczający końcowy wyjściowy sygnał analogowy. Układy scalone realizujące syntezę DDS oferują szybkie prędkości przełączania, precyzyjną rozdzielczość dostrajania częstotliwości i fazy oraz niskie zniekształcenia wyjściowe. Co czyni je idealną opcją do zastosowań, w których pierwszorzędne znaczenie mają doskonałe parametry w zakresie poziomu szumów czy elastyczności przełączania pomiędzy różnymi frekwencjami.
Podsumowanie
Komponenty do generowania częstotliwości są używane w szerokim zakresie aplikacji, spełniając różne funkcje. W tym celem zapewnienia toru konwersji częstotliwości, syntezy rozmaitych przebiegów, modulacji i generowania sygnału zegarowego. W powyższym artykule przedstawiono krótki przegląd głównych typów tych komponentów zaprojektowanych w celu spełnienia różnych zestawów wymagań narzucanych przez odmienne aplikacje końcowe. Na przykład systemy komunikacyjne wymagają niedużego poziomu szumów w paśmie sygnału, aby utrzymać niską wielkość wektora błędu (EVM). A analizatory widma wykorzystują lokalne oscylatory z krótkim czasem stabilizacji wyjścia do realizacji układów szybkiego przemiatania częstotliwości. Z kolei, na przykład przetworniki ADC i DAC o dużej prędkości działania potrzebują zegara o niskim jitterze, aby zapewnić wysoki stosunek sygnału do szumu.
Rys.1. Uproszczone schematy blokowe (a) pętli PLL, (b) pętli translacji i (c) DDS.
Firma Analog Devices oferuje szerokie portfolio układów scalonych RF pasujących do prawie wszystkich bloków funkcjonalnych w łańcuchu sygnałowym. Produkty te zapewniają wysokie parametry i spełniają najbardziej rygorystyczne wymagania w obszernej gamie zastosowań RF, począwszy od mechanizmów komunikacyjnych i przemysłowych, aż po sprzęt testowy i pomiarowy oraz systemy lotnicze. Dzięki wygodnym selektorom produktów i ogromnej liczbie dokumentacji oraz poradników ułatwiony jest dobór odpowiedniego elementu elektronicznego do konkretnej aplikacji.
Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-196.html
Cool? Ranking DIY
