יצירה מהירה של שעונים בתדר גבוה עם ריצוד נמוך באמצעות מודול חוג תרגום

מתכנני מערכות מכשור ומדידות דורשים אותות ללא-רעשים ועם ריצוד נמוך על מנת לספק את יחסי האות-לרעש (SNR‏) או גודלי וקטור שגיאה (EVM‏) הנדרשים לעמידה בדרישות היותר ויותר תובעניות של הלקוחות. יחד עם זאת, הם מתמודדים גם עם לחץ משמעותי להקטין את חתימת-השטח של הלוח, כמו גם את עלות התכנון והמורכבות. האחרון הוא קריטי לקיצור זמן הפיתוח לעמידה בחלונות זמן היציאה לשוק ההולכים ומתקצרים.

כדי להתמודד עם אתגרי היישומים הרבים, המהנדסים צריכים להעביר את פתרונות השעון למכשור ומדידות שלהם מתכנים בדידים מסורתיים מותאמים-במיוחד לפתרונות משולבים יותר. צעד חשוב בכיוון זה הוא השימוש בחוג נעול-פאזה (PLL‏) מתרגם משולב. זה מאפשר להמיר-מעלה את תדר אות מתנד מבוקר מתח (VCO) מסורתי, תוך שמירה מרבית על רעשי הריצוד והפאזה של מתנד מקומי (LO) חיצוני קבוע.

מאמר זה דן בתפקידם של חוגי התרגום להשגת רעש הפאזה המשולב הנמוך ביותר בתעשייה. כדוגמה, הוא מציג את המערכת-בתוך-מארז של חוג תרגום (TL SiP‏) ADF4401A‏ מבית Analog Devices‏, ומראה כיצד היא עונה לדרישות הביצועים באמצעות אות יציאה עם יכולת ריצוד משולב בפס-רחב של תת-10‏ פמטו-שנייה (fs‏) RMS‏, ועם בידוד משופר להנחתת רכיבי אות לא-רצויים, תוך עמידה בצורכי האינטגרציה, העלות, המורכבות וזמן-היציאה-לשוק של המתכננים.

פעולת PLL‏ מסורתי לעומת חוג תרגום

המטרה העיקרית של חוג תרגום היא לייצר אות יציאה הנעול לאות הייחוס בכניסה עם רעש פאזה בתוך פס-התדרים מופחת משמעותית בהשוואה ל- PLL מסורתי.

PLL סטנדרטי מורכב ממערכת משוב המכילה גלאי תדר-פאזה (PFD), משאבת טעינה (Charge Pump‏), מסנן מעביר-נמוכים (LPF‏), VCO ומחלק תדר משוב N (איור 1).

איור 1‏: PLL‏ סטנדרטי ננעל על ייחוס תדר נמוך יותר (_FPFD‏) ומייצר תדר יציאה (_RF‏F‏). (מקור התמונה: Bonnie Baker)

ה- PFD משווה את פאזת ייחוס הכניסה לפאזת אות המשוב ויוצר סדרה של פולסים שהיא פרופורציונלית לשגיאת הפאזה ביניהם. משאבת הטעינה מקבלת את פולסי ה- PFD וממירה אותם לפולסי מקור או מרזב זרם, אשר בתורם יכווננו את תדר ה- VCO מעלה או מטה. ה- LPF מסיר את כל אנרגיית התדרים הגבוהים של הפולסים וממיר אותה למתח שה- VCO יכול להשתמש. אות היציאה של ה- VCO מוחזר לבלוק ה- PFD דרך מחלק N כדי להשלים את החוג.

פונקציית העברת התדרים באיור 1 מחושבת באמצעות משוואה 1:

משוואה 1

כאשר _RF‏F‏ הוא תדר היציאה

N‏ הוא יחס מחלק המשוב (יכול להיות שלם או שבר)

_PFD‏F‏ הוא תדר ה- PFD‏

רצפת הרעש בתוך-פס-התדרים של איור 1 מחושבת באמצעות משוואה 2:

משוואה 2

כאשר ה- _PLL‏FOM‏ הוא ספרת איכות (FOM) של רצפת רעש הפאזה בתוך-פס-התדרים של ה- PLL‏

נקח כדוגמה FOM של רצפת רעש הפאזה בתוך-פס-התדרים של 234 דציבלים לכל הרץ (dB/Hz‏); תדר (_PFD‏F‏) של 160 מגה-הרץ (MHz‏), ותדר יציאה (_RF‏F‏) של 8 גיגה-הרץ (GHz‏).

עבור מערכת זו, משוואה 1 משמשת לחישוב הערך של N:

משוואה 2 משמשת לחישוב רצפת הרעש בתוך-פס-התדרים:

בחישוב לעיל, מחלק N תורם הרבה לרצפת הרעש הכוללת בתוך-פס-התדרים, עם _10‏log‏ 20‏ (50), השווה ל- dB‏ 34‏. ערך N קטן יותר יקטין את רצפת הרעש בתוך-פס-התדרים; עם זאת, הוא גם יקטין את תדר היציאה. אז איך ניצור תדר יציאה גבוה ונשמור על הגבר חוג נמוך יותר (N)?

איור 2‏: עבור ה- PLL‏ הסטנדרטי בדוגמה זו, הרעש ממחלק המשוב ((N‏)_10‏log‏ 20) שמתוכו הרעש שבתוך-פס-התדרים גבוה יותר ב- dB‏ 34‏ בהשוואה לעקום הצהוב התחתון שבו 1‏=N‏. (מקור התמונה: Bonnie Baker)

הפתרון לבעיה זו הוא החלפת המחלק ב- N‏ עם דרגת מיקסר ממירה-מטה (איור 3).

איור 3‏: חוג התרגום משתמש במיקסר כדי להמיר-מטה את תדר ה- VCO לתדר ה- PFD במקום להשתמש במחלק משוב מסורתי. (מקור התמונה: Bonnie Baker)

באיור 3, המיקסר מחליף את מחלק N במשוב, וכתוצאה מכך הגבר החוג שווה ל- 1 (N=1). פעולה זו תפחית מאוד את התרומה של חוג המשוב לרצפת הרעש בתוך-פס-התדרים. עבור חישוב הרעש בתוך-פס-התדרים, הערך של N שווה כעת ל- 1. באמצעות משוואה 2, רצפת הרעש בתוך-פס-התדרים עבור המערכת השונה היא כדלקמן:

הרעש בתוך-פס-התדרים החדש מראה שיפור של dBc/Hz‏ 34‏.

באיור 3, המיקסר תלוי ברעש נמוך במיוחד של LO, הנקרא Offset LO‏. _RF‏F‏ ± _LO‏F‏ חייב להיות שווה ל- _PFD‏F‏ כדי להשיג נעילה.

עם ארכיטקטורת חוג תרגום, רעש הפאזה של ה- Offset LO הוא חשוב ביותר כדי להשיג את הביצועים הטובים ביותר ביציאת ה- RF. מסיבה זו, המהנדסים מתכננים בדרך כלל Offset LO‏ המבוסס על גל אקוסטי משטחי (SAW) מבוקר-מתח, או מתנדים (VCSO), או מחוללי מסרק, או מתנדי תהודה דיאלקטרית (DRO). הערה: לקבלת תמיכה בתכנון LO Offset, אנא פנו לחברת Analog Devices‏.

אתגרי חוג התרגום

באופן מסורתי, תכנון חוג תרגום עם רעש נמוך כרוך במימוש של מספר בלוקי מעגלים, וכתוצאה מכך בתכן מורכב, בדרך כלל גדול, ועם גמישות מוגבלת. בנוסף, יש לאמת את כל המעגל ולאפיין אותו עבור פעולת המטרה. לדוגמה, שיקול עיקרי אחד בתכנון הוא זליגת LO (בידוד RF ל- LO) לתוך אות יציאת ה- RF. זהו אתגר משמעותי עבור מהנדסים להתמודד איתו. עם תכנים מסורתיים, המהנדסים מבצעים בדרך כלל מספר איטרציות תכנון כדי להשיג ביצועים אופטימליים ובידוד מתאים.

איור 3 מראה כיצד ה- ADF4401A משלב בלוקי מעגלים עיקריים כדי לספק פתרון מאופיין במלואו המבטל את הנושאים הקשים באופן מסורתי הקשורים לביצועים ולבידוד בתכנים של חוגי תרגום. פתרון ניתן-לתכנות זה מאפשר למהנדסים להשיג ביצועים ממוטבים במאמץ הראשון ולקצר את זמן היציאה לשוק.

הערכת ה- ADF4401A

ה- ADF4401A מתוכנן לסייע למהנדסים לקצר את זמן היציאה לשוק של מכשור עם ביצועים עיליים, באמצעות פתרון ייצור תדרים עם רוחב-פס RF של MHz‏ 62.5‏ עד GHz‏ 8‏. על ידי שימוש במיקסר ממיר-מטה, ל- ADF4401A יש רעש נמוך ביותר בתוך-פס-התדרים עם ריצוד רחב-פס של ~ 9 פמטו-שניות (fs) משולב בין Hz‏ 100‏ עד MHz‏ 100‏. טכניקות התכנון והפרישה בתוך ה- ADF4401A מאפשרות תחום דינמי חופשי מאותות לא-רצויים טיפוסי של dBc‏ 90‏. גודל המארז של 2.018‏ x‏ 18‏ x‏ 18‏ מילימטר (מ"מ) מקטין את המקום על הלוח בהשוואה לתכן בדיד מסורתי.

כדי להעריך את ביצועי ההתקן, המתכננים יכולים להשתמש בלוח הערכה EV-ADF4401ASD2Z‏ (איור 4). הלוח כולל חוג תרגום מלא, כולל PFD חיצוני (HMC3716), מסנן פעיל (LT6200) ומולטיפלקסר (ADG1609).

איור 4‏: לוח ההערכה EV-ADF4401ASD2Z עבור מודול חוג תרגום ADF4401A כולל PFD חיצוני, ממשק USB‏ ומייצבי מתח. (מקור התמונה: Analog Devices)

ה- EV-ADF4401ASD2Z כולל את ה- ADF4401A TL SiP עם VCO משולב, מסנן חוג (MHz‏ 5‏), PFD, ממשק USB ומייצבי מתח. בנוסף, ה- EV-ADF4401ASD2Z דורש את לוח הבקר של פלטפורמת הדגמת מערכת (EVAL-SDP-CS1Z (SDP‏ (SDP-S) (טורי) (איור 5). הלוח מספק חיבור USB ממחשב אישי ל- EV-ADF4401ASD2Z כך שניתן לתכנת אותו. לוח הבקר אינו מסופק בערכת EV-ADF4401ASD2Z.

איור 5: לוח הבקר EVAL-SDP-CS1Z (או SDP-S) נדרש לספק חיבור USB מה- EV-ADF4401ASD2Z למחשב אישי עבור תכנות. (מקור התמונה: Analog Devices)

איור 6 ממפה את החיבורים הפיזיים של מערכת EV-ADF4401ASD2Z. תוכנת ניתוח | בקרה |הערכה (ACE‏) מבקרת את פונקציות ה- TL SiP‏. הספקת-הכוח היא מתוך ספק-כוח 6 וולט מיושם חיצונית.

איור 6‏: תרשים הכינון של ה- EV-ADF4401ASD2Z מציג את הציוד והחיבורים הנדרשים להערכת ה- ADF4401A, כולל לוח בקרה SDP-S, מחשב אישי, ספק כוח, מחוללי אותות ונתח ספקטרום. (מקור התמונה: Analog Devices)

הציוד המוצע לשימוש בלוח הערכה זה כולל מחשב אישי (PC)‏ Windows, נתח ספקטרום או נתח מקור אותות ושלושה מחוללי אותות.

תרשים הבלוקים של ה- EV-ADF4401ASD2Z‏ מציג את מודול ADF4401A, לצד PFD‏ HMC3716‏ מביתAnalog Devices, מגבר שרת LT6200‏ ומתג SPDT‏ ADD1219‏ (איור 7).

איור 7‏: דיאגרמת הבלוקים של לוח ההערכה EV-ADF4401ASD2Z‏ מציגה את הרכיבים העיקריים התומכים בחוג התרגום AD4401A‏. (מקור התמונה: Analog Devices)

חיוני להשתמש ב- PFD שיכול לפעול בתדרים גבוהים מכיוון שהוא מקטין למינימום את הצורך במחלקים, העלולים לפגוע בתגובת הרעש בתוך-פס-התדרים. יכולת תדר השוואת הפאזה GHz‏ 1.3‏ של ה- HMC3716 מבית Analog Devices הופכת אותו לאידיאלי לשימוש בתחום ה- IF של ה- ADF4401A. היכולת של מעגל כזה להשוות בין התדר ובין הפאזה גם יחד חוסכת את הצורך במעגלים נוספים כדי לכוונן את התדר לתדר היציאה המיועד. ה- HMC3716 הופך ל- PFD החיצוני להשלמת חוג ההיסט (Offset‏). תחום הפעולה בתדר גבוה ורצפת הרעש הפאזה האולטרה-נמוכה של ה- HMC3716 מאפשרים לתכנן מסנני חוג עם רוחב-פס רחב.

באיור 7, מגבר השרת LT6200 עם תצורת LPF מנחית שיאי תדר גבוה, בעוד שמתג ADG1219 משלים את חוג התרגום של המערכת.

לוח ההערכה EV-ADF4401ASD2Z יוצר גרפים ומדידות ריצוד של הרעש בתוך-פס-התדרים כפי שמוצג באיור 8.

איור 8‏: רעש הפאזה בפס-צד יחיד ביציאה של GHz‏ 5‏, עם ייחוס HMC3716‏ חיצוני של MHz‏ 500‏ ו- LO‏ חיצוני של GHz‏ 4.5‏. (מקור התמונה: Analog Devices)

באיור 7, ה- _2‏LO‏ וכניסת HMC3716 הם ממחולל אותות מיקרוגל SMA100B RF‏. הרעש בתוך-פס-התדרים של ה- _2‏LO‏ של לוח ההערכה הוא בערך dBc/Hz‏ 135- מתבטא בהיסטים (Offset) נמוכים של עד kHz‏ 300‏. ה- _2‏LO‏, מודול ADF4401A‏, PFD‏ HMC3716‏ ומסנן החוג תורמים לרעש בתוך-פס-התדרים של בערך dBc/Hz‏ 140‏-. רעש הפאזה הפנימי מופיע בין MHz‏ 5‏ לבין MHz‏ 50‏, ורצפת רעש הפאזה של ההתקן היא בערך dBc/Hz‏ 160‏-. כל אלו ביחד נותנים ריצוד RMS של fs‏ 12.53‏ בסך-הכול.

סיכום

מערכות מכשור במהירות גבוהה דורשות שעונים עם ריצוד נמוך ביותר כדי להבטיח שנתוני היציאה יישארו ללא שינוי. האתגר למהנדסים הוא למצוא התקנים מתאימים שיוכלו לבנות את מערכת השעון במהירות גבוהה של גיגה-הרץ. חוג התרגום ADF4401A מפשט מאוד את בחירת ההתקנים לבניית מערכת השעון, ומספק מודול קומפקטי המבטיח ריצוד נמוך בתדרים גבוהים יותר תוך הקטנת המקום בלוח והעלות וקיצור זמן היציאה לשוק.