[RAQ] Jak dobrać układ generatora zegara

Pytanie:

Jak dobrać odpowiedni generator zegarowy dla mojego układu?

Odpowiedź:

Aby prawidłowo dobrać układ taktujący należy poznać i zrozumieć charakterystyki poszczególnych rozwiązań. Artykuł zawiera krótki przewodnik, który pomoże inżynierom systemów RF w procesie selekcji.

Najważniejsze kryteria:

Najpierw zdefiniujmy kryteria, które zwykle są używane do charakteryzowania wydajności ukłądów taktujących. Najbardziej podstawowym z nich jest zakres częstotliwości wyjściowej. Istnieje szeroka gama generatorów obsługujących zakresy od tylko jednego tonu, do pasma obejmującego wiele oktaw. Jednak wybierając komponent w oparciu o jego częstotliwości wyjściowe, należy pamiętać, że szerokie pasmo i możliwość pracy na wysokich częstotliwościach są często osiągane kosztem innych podstawowych cech, takich jak stabilność, czystość widmowa wyjścia i szybkość przełączania.

Stabilność częstotliwości reprezentuje zakres krótko- i długoterminowych zmian sygnału wyjściowego. Stabilność krótkoterminowa jest związana ze zmianami, które są znacznie mniejsze niż jeden pełny okres sygnału. Te zmiany są opisywane w postaci fluktuacji fazy i szumu fazowego. Jitter fazowy to małe fluktuacje fazy sygnału w domenie czasu, a 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 częstotliwości występują w dłuższym okresie czasu, zwykle mówimy o stabilności długoterminowej. To pojęcie opisuje dryf częstotliwości wyjściowej (w częściach na milion, ppm) ze względu na różne aspekty, w tym temperaturę, warunki obciążenia i starzenie się układu.

Czystość widmowa (spectral purity) to kolejna ważna cecha, którą należy wziąć pod uwagę podczas doboru komponentów. Opisuje niepożądaną zawartość widma sygnału wyjściowego układu. Zwykle określa się ją ilościowo przez poziom harmonicznych oraz innych składowych w odniesieniu do poziomu częstotliwości podstawowej.

Kolejny parametr to szybkość przełączania (znana również jako czas ustalania lub czas blokady). Opisuje on ile czasu zajmuje komponentowi zmiana generowanej częstotliwości na inną. Należy zwrócić uwagę, że wymagania na szybkość przełączania mogą się znacznie różnić w zależności od aplikacji.

Główne typy komponentów:

Gdy zdefiniowaliśmy kluczowe kryteria stosowane do charakteryzacji układów taktujących, można zaprezentować krótki przegląd ich głównych typów. Ten przegląd może posłużyć jako wskazówka przy wyborze odpowiedniego rodzaju urządzenia, który odpowiada potrzebom aplikacji.

Oscylator (XO) kwarcowy (XTAL) to element, który wykorzystuje rezonator piezoelektryczny (zwykle kwarcowy) do generowania stałej częstotliwości wyjściowej z zakresu od kilku kiloherców do kilkuset megaherców. Specjalny rodzaj XO, zwany oscylatorem kwarcowym sterowanym napięciem (VCXO), umożliwia zmianę częstotliwości w małym stopniu, co pozwala zapewnić precyzyjną regulację. Rezonatory kwarcowe to przetworniki elektromechaniczne o ekstremalnie wysokich współczynnikach Q, nawet powyżej 100 000. Skutkuje to bardzo stabilną częstotliwością wyjściową charakteryzującą się niskim poziomem szumów fazowych. Elementy są ograniczone pod względem maksymalnej częstotliwości wyjściowej i możliwości strojenia. Stanowią jednak idealny wybór, gdy potrzebny jest pojedynczy precyzyjny sygnał odniesienia dla innych typów generatorów, aby uzyskać znacznie wyższe częstotliwości.

Oscylator sterowany napięciem (VCO) to inny rodzaj generatora, który opiera się na obwodach rezonansowych LC. Elementy obwodu elektrycznego powodują znacznie niższe współczynniki Q w porównaniu z kwarcami (zwykle ok. 1000 razy). Umożliwiają jednak generację znacznie wyższych częstotliwości wyjściowych i szerokie zakresy strojenia. VCO wytwarzają sygnał wyjściowy, którego częstotliwość kontroluje się przez zewnętrzne napięcie wejściowe. Rdzeń VCO może wykorzystywać różne obwody rezonansowe. Jednordzeniowe VCO wykorzystujące rezonatory o wysokiej dobroci zapewniają niski poziom szumów fazowych w ograniczonym zakresie częstotliwości. Natomiast oscylatory zaprojektowane dla niższego współczynnika dobroci mogą pracować w szerszym paśmie, ale kosztem przeciętnych parametrów szumowych.

Wielopasmowe VCO wykorzystują kilka przełączanych obwodów rezonatora o wysokiej dobroci co stanowi kompromisowe rozwiązanie zapewniające szerokie pasmo i niski poziom szumów fazowych. Jest to jednak osiągane kosztem wolniejszej prędkości strojenia ograniczonej czasem wymaganym do przełączania między różnymi rdzeniami. VCO są świetnym, wszechstronnym rozwiązaniem, ale nie zapewniają wysokiej stabilności sygnału wyjściowego. Dlatego często stosuje się je w połączeniu z pętlami synchronizacji fazy (PLL) w celu poprawy stabilności częstotliwości wyjściowej1.

Pętla synchronizacji fazy (PLL) lub syntezator PLL to obwód, który zapewnia stabilność częstotliwości na wyjściu, wymaganej w wielu aplikacjach syntezy częstotliwości i regeneracji zegara. Jak pokazano na rysunku 1a, pętla PLL zawiera detektor fazy, który porównuje częstotliwość odniesienia z częstotliwością VCO po dzieleniu przez N. Różnicowy sygnał wyjściowy reguluje napięcie sterujące, które stroi VCO. Pozwala to na natychmiastową korektę dowolnego dryfu częstotliwości, a tym samym utrzymanie stabilnej pracy oscylatora. Typowy układ scalony PLL zawiera detektor błędu (detektor częstotliwości fazowej lub PFD, a także pompę ładunkową) oraz dzielnik w pętli sprzężenia zwrotnego (patrz obszar linii przerywanej na rysunku 1a). Nadal wymaga więc dodatkowego zewnętrznego filtra pętli, źródła precyzyjnej częstotliwości odniesienia, a także generatora VCO. Dopiero taki zestaw tworzy kompletny system stabilnego generatora częstotliwości. Realizację tego systemu można znacznie uprościć, stosując układy scalone syntezatora ze zintegrowanym VCO.1,2

Syntezatory ze zintegrowanym VCO łączą PLL i VCO w jednym układzie scalonym. Wymagają więc do pracy jedynie zewnętrznego źródła częstotliwości odniesienia i filtra pętli. Zintegrowany syntezator PLL to wszechstronne rozwiązanie z szerokimi możliwościami cyfrowej konfiguracji w celu dokładnego generowania częstotliwości. Często może zawierać zintegrowane rozdzielacze mocy, powielacze i dzielniki częstotliwości oraz filtry śledzące, co pozwala na pokrycie zakresu częstotliwości do kilku oktaw szerszego niż podstawowy zakres zintegrowanego VCO. Parametry wszystkich tych komponentów określają zakres częstotliwości wyjściowej, szum fazowy, jitter, czas blokady i inne cechy reprezentujące możliwości obwodu syntezatora.1

Pętla translacji (translation loop) to rodzaj syntezatora opartego na koncepcji PLL, ale realizowanego w inny sposób. Jak pokazano na rysunku 1b, w pętli sprzężenia zwrotnego zamiast dzielnika N wykorzystuje on zintegrowany układ miksera obniżającego częstotliwość. Pozwala to ustawić wzmocnienie pętli na 1, a także zminimalizować szum fazowy wewnątrz pasma. Układy pętli translacji (patrz obszar linii przerywanej na rysunku 1b) są przeznaczone do zastosowań o dużej wrażliwości na jitter i w połączeniu z zewnętrznym detektorem PFD i źródłem częstotliwości zapewniają kompletne rozwiązanie do syntezy częstotliwości o bardzo wysokiej jakości1.

Bezpośredni syntezator cyfrowy (DDS) jest alternatywą dla zintegrowanych syntezatorów PLL realizowanych według innej koncepcji. Podstawowy schemat DDS przedstawiono schematycznie na rysunku 1c. Jest to system sterowany cyfrowo, który zawiera bardzo dokładne źródło częstotliwości referencyjnej, oscylator sterowany numerycznie (NCO) tworzący cyfrową wersję docelowego przebiegu, a także przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) dostarczający sygnał końcowy. Układy scalone DDS oferują szybkie przełączanie, wysoką rozdzielczość dostrajania częstotliwości i fazy oraz niskie zniekształcenia wyjściowe. To czyni je idealnym rozwiązaniem do zastosowań, w których pierwszorzędne znaczenie ma niski poziom szumów i efektywna zmiana częstotliwości na wysokich zakresach.1,3

Rysunek 1. Uproszczone schematy blokowe (a) PLL, (b) pętli translacji, (c) DDS

Podsumowanie

Generatory częstotliwości stosuje się w szerokim zakresie aplikacji. Spełniają różne funkcje, m.in. konwersję częstotliwości, syntezę przebiegów, modulację sygnału i generowanie sygnału zegara. W tym artykule przedstawiono krótki przegląd głównych typów komponentów zaprojektowanych w celu spełniania różnych wymagań aplikacyjnych. Na przykład systemy komunikacyjne wymagają niskiego poziomu szumów w paśmie, ponieważ sprzyja to niskiemu poziomowi wektora błędu (EVM). Z kolei analizatory widma wykorzystują lokalne oscylatory z krótkim czasem blokowania do realizacji szybkiego przemiatania częstotliwości. Natomiast konwertery o dużej prędkości potrzebują zegara o niskim jitterze, aby zapewnić wysoką jakość SNR.

Analog Devices oferuje najszerszą ofertę układów scalonych RF w branży, pasujących do prawie wszystkich bloków funkcjonalnych w łańcuchu sygnałowym. Produkty ADI zapewniają najwyższą wydajność i pozwalają spełniać najbardziej rygorystyczne wymagania w szerokiej gamie zastosowań, począwszy od systemów komunikacyjnych i przemysłowych, aż po sprzęt pomiarowy oraz systemy lotnicze.

Bibliografia

1Anton Patyuchenko. “RF Signal Chain Discourse—Part 2: Essential Building Blocks.” Analog Dialogue, Vol. 55, No. 3, July 2021.

2Ian Collins and David Mailloux. “Revolution and Evolution in Frequency Synthesis: How PLL/VCO Technology Has Increased Performance, Decreased Size, and Simplified Design Cycle.” Analog Devices, Inc., January 2020.

3Jim Surber and Leo McHugh. “Single-Chip Direct Digital Synthesis vs. the Analog PLL.” Analog Dialogue, Vol. 30, No. 3, July 1996.

O autorze