מושגי יסוד של סינתיסייזר תדרים מבוסס חוג נעול מופע

קצבי נתונים עולים באפיקי תקשורת טורית מהירות-גבוהה דורשים שעוני מערכת עם תדרים גבוהים יותר, יציבות מעולה, רזולוציית תדר גדולה יותר וטוהר אות גבוה יותר. סינתיסייזרים של תדרים מציעים מאפיינים אלה באופן ישיר אבל רק בתדרים מתחת ל-2 או 3 ג'יגה-הרץ (GHz‏). דרוש פתרון עבור תדרים של עד עשרות ג'יגה-הרץ.

פתרון זה מתחיל עם סינתיסייזר תדרים אנלוגי מבוסס חוג נעול מופע המחולל תדרי שעון עד ‎30 GHz‏. אחר כך, סינתיסייזרים של N-שלם (המכפילים את תדר הייחוס בערך של מספר שלם) וסינתיסייזרים של N-שבר (המכפילים את תדר הייחוס בערכי שבר) משתמשים בטכניקות מיוחדות המקטינות למינימום רעש מופע וזיהומי אות (signal impurities) דומים.

מאמר זה מתאר את התכן של סינתסייזר התדרים N-שלם כמו גם N-שבר ומשתמש בהתקני דוגמה מבית Analog Devices. המאמר גם מדגיש את החדשנות שמאפשרת להתקנים אלה לשמש עבור קישורי נתונים טוריים מהירות-גבוהה כמו גם עבור מכ"מים זריזים בתדר.

סינתיסייזרים מבוססים חוג נעול מופע (PLL)‏ N-שלם

מעגלי PLL משמשים עבור בקרת תדר ומופע. ניתן להגדיר את תצורתם כמקורות שעון, מכפילי תדר, ממצי אפנון (demodulators), מחוללי עקיבה או מעגלי שחזור שעון. כל אחד מיישומים אלה דורש מאפיינים שונים אבל הם כולם משתמשים באותה תפיסה בסיסית של מעגל. איור 1 מציג דיאגרמת מלבנים של PLL עם הגדרת תצורה כמכפיל תדר.

איור 1: דיאגרמת מלבנים של סינתיסייזר תדרים מבוסס חוג נעול מופע (PLL)‏ N-שלם קלאסי (מקור תמונה: DigiKey)

העבודה של מעגל זה היא טיפוסית לכל החוגים נעולי המופע. זו למעשה מערכת בקרת משוב המבקרת את המופע של מתנד מבוקר מתח (VCO). אות הכניסה מיושם על מחלק Prescaler, שמחלק את תדר הכניסה בגורם R. יציאת ה-Prescaler הוא תדר הייחוס, שמהווה כניסה אחת של גלאי מופע-תדר (PFD).

כניסת ה-PFD האחרת היא אות משוב מהיציאה של מונה מחלק ב-N. במצב נורמלי, אם ה-PLL נעול, התדרים של שני האותות יהיו כמעט זהים. יציאת גלאי המופע היא מתח שהוא פרופורציונלי להבדל המופע בין שתי הכניסות. אם החוג אינו נעול, כפי שקורה בזמן הפעלה או אם יש סטיה רגעית גדולה בתדר הכניסה, אז גלאי המופע-תדר פועל לכוון את תדר העבודה של ה-PLL לקביעה הרצויה. כאשר אותו תדר מושג, ה-PFD חוזר למצב גלאי מופע והיציאה שלו פרופורציונלית להבדל המופע בין תדר הייחוס ואות המשוב.

גלאי המופע-תדר דוחף Charge Pump, שהיא מקור זרם ממותג ביפולרי. זה אומר שהיא יכולה לספק ביציאה פולסים של זרם חיובי או שלילי אל תוך מסנן החוג של ה-PLL.

מסנן החוג מחליק את אות שגיאת המופע וגם קובע את המאפיינים הדינמיים של ה-PLL. האות המסונן מבקר את ה-VCO. שים לב שיציאת ה-VCO היא בתדר שהוא N פעמים הכניסה המסופקת לכניסת תדר הייחוס של גלאי המופע-תדר והוא N/R פעמים כניסת התדר. אות יציאה זה נשלח חזרה אל גלאי המופע דרך המונה המחלק ב-N.

באופן נורמלי, מסנן החוג מתוכנן כך שיתאים למאפיינים הדרושים על ידי היישום של ה-PLL. אם על ה-PLL לקבל ולעקוב אחר אות, רוחב-הפס של מסנן החוג יהיה גדול יותר מאשר אם היה מצפה לתדר כניסה קבוע. תחום התדרים שה-PLL יקבל וינעל בו נקרא "תחום הלכידה" (“capture range”). ברגע שה-PLL נעול ועוקב אחר אות, תחום התדרים שאחריו ה-PLL יעקוב נקרא "תחום העקיבה" (“tracking range”). באופן כללי, תחום עקיבה גדול יותר מתחום הלכידה. מסנן חוג ה-PLL גם קובע באיזו מהירות יכול להשתנות תדר האות ועדיין לשמור על נעילה - זאת אומרת קצב השינוי ביציאה (slew rate) המקסימלי. ככל שצר יותר רוחב-הפס של מסנן החוג, כך קטנה יותר שגיאת המופע שניתן להשיג. זה בא על חשבון הענות איטית יותר ותחום לכידה מופחת. מעגלי PLL המשמשים ביישומי שעון עובדים בעיקר בתדרים קבועים. באופן כללי, על רוחב-הפס של מסנן החוג להיות קטן בהרבה מתדר הייחוס.

מאחר ותדר היציאה של ה-PLL הוא תדר הייחוס מוכפל במספר שלם, רזולוציית התדר שלו שווה לתדר הייחוס. קבלת רזולוציית תדר עדינה יותר דורשת הקטנה של תדר הייחוס, שנעשית עם מונה ה-pre-scale ‏R.

‏דוגמה מסחרית של סינתיסייזר תדרים N-שלם היא LTC6946IUFD-3#PBF של Analog Devices, ‏סינתיסייזר רעש-נמוך 0.64 עד 5,790‎ GHz‏ עם מתנד VCO משולב וביצועים בלתי-רצויים מצוינים (איור 2). הוא חלק ממשפחה של ארבעה מעגלים-משולבים (IC) סינתיסייזר, כל אחד עם תחום תדרים שונה, שמכסים תחום כולל של 0,373 עד 6,390‎ GHz‏.

איור 2: דיאגרמת המלבנים של סינתיסייזר התדרים Analog Devices LTC6946IUFD-3#PBF ‏N-שלם עם VCO משולב. (מקור תמונה: Analog Devices)

סינתיסייזר זה דורש מסנן חוג חיצוני מסופק על ידי משתמש, שניתן למיטוב עבור היישום הספציפי. קיים מחלק מונה pre-scale פנימי עם תחום חלוקה מ-1 עד 1023. תחום מחלק החוג הוא מ-32 עד 65535. זרם ה-charge pump ניתן לכוונון מ-250 מיקרו-אמפר (µA) עד 11.2 מילי-אמפר (mA) כדי להתאים לדרישות של מסנן החוג.

סינתיסייזרים מבוססים חוג נעול מופע (PLL)‏ N-שבר

רזולוציית התדר של סינתיסייזר ה-PLL ניתנת לשיפור על ידי הקטנת גודל הצעד לפחות מערכי מספר שלם — זאת אומרת, לעשות צעדי שבר במחלק החוג (N). זה מושג על ידי שינוי דינמי או “רטט" של ערך הספירה לאחור. זה אומר שקביעת המחלק מחזיקה את הערך N עבור מספר מחזורים קבוע של תדר היציאה PLL ובאופן מחזורי עושה צעד לערך שונה, כמו N+1. לדוגמה, אם קביעת המחלק היא 4 לפרק זמן של שלושה מחזורים ו-5 במחזור הרביעי, אז הספירה לאחור האפקטיבית היא 4.25. דרך אחת להשיג זאת היא להשתמש בצובר (accumulator) כפי שמוצג באיור 3.

איור 3: דיאגרמת המלבנים של סינתיסייזרים PLL‏ N-שבר המשתמש בצובר כדי לווסת את ספירת המחלק. (מקור תמונה: DigiKey)

הצובר סופר את פולסי היציאה מהמחלק, וכל M, שבו ה-M הוא אופרטור המייצג שארית לאחר חלוקה (modulus) של הצובר, הוא מוציא סבית זכורה (carry bit) המשנה את כניסת המחלק. איור 4 ממשיך את הדוגמה של קביעת מחלק שבר של 4.25.

איור 4: תרשים תזמון עבור סינתיסייזרים N-שבר המשתמש בצובר. (מקור תמונה: DigiKey)

הצובר מונע על ידי היציאה המחולקת וסופר מודולו ארבע, זאת אומרת M שווה לארבע. כל פולס רביעי הוא מחולל זכור (carry) יציאה, שמגדיל את ספירת המחלק באחד. הצובר מתאפס ומתחיל לספור שוב. הגידול בקביעת המחלק מסיט את תדר היציאה, והתוצאה מכך היא שגיאת היסט מופע נצברת. מסלול שגיאת המופע מראה את ערך הפולס כפונקציה של זמן.

קביעת המחלק הממוצע הוא 4.25, אך יציאת הסינתיסייזר מאופנן מופע, וכתוצאה מכך מקבלים ביציאה צלילים בלתי-רצויים. מהסתכלות במצב הצובר, ברור שהוא עוקב אחר שגיאת המופע. זה יכול לשמש להסרת האפנון כמוצג באיור 5.

איור 5: שימוש במצב הצובר המומר D/A כדי לבטל את אפנון המופע הנגרם בשל רטט ה-N-שבר. (מקור תמונה: DigiKey)

מצב הצובר מומר לאנלוגי על ידי ממיר דיגיטלי-לאנלוגי (D/A), מותאם רמה (scaled) ומופחת מיציאת גלאי מופע-תדר כדי לבטל את אפנון המופע הנגרם בשל רטט ה-N-שבר. זה חייב להעשות בתשומת לב רבה; אם אות התיקון אינו תואם במדויק לשגיאת המופע, יתקבלו ביציאה צלילים בלתי-רצויים.

הכנס אל מאפנן סיגמא-דלתא

המחזוריות בצובר היא הסיבה ליציאות בלתי-רצויות מהסינתיסייזר. אם מחליפים את הצובר במאפנן סיגמא-דלתא, אז ניתן ליישם טכניקות דיגיטליות כדי לאפנן את ספירת המחלק כך שנקבל תגובות בלתי-רצויות ורעש מינימליים. החלפה זו מוצגת באיור 6.

איור 6: החלפת הצובר במאפנן סיגמא-דלתא מאפשרת ליישם טכניקות דיגיטליות כדי לשנות את ספירת המחלק במטרה להפחית תגובות בלתי-רצויות. (מקור תמונה: DigiKey)

קיימות באמת שתי טכניקות מקובלות בהן משתמשים בטופולוגיית אפנון סיגמא-דלתא. הראשונה כרוכה בהגדלת מספר ספירות מחלק N בתחום רחב של ערכים כך שגורם החלוקה הממוצע ייתן את ערך המחלק השברי המבוקש. זה יצמצם את האותות הכוזבים (spurs) השבריים הראשוניים. הסינתיסייזר המבוסס-צובר משנה את הספירה בין שני מצבים. זו שיטת אפנון מסדר ראשון. PLL שברי סיגמא-דלתא מסדר n מאפנן את מונה ה-N בין 2‎ⁿ ערכים שונים. לדוגמה, מאפנן מסדר שלישי יתחלף בין שמונה ערכי מחלק שונים, ומאפנן מסדר רביעי יתחלף בין 16 ערכי מחלק שונים.

הטכניקה הדיגיטלית השנייה - שמתייחסים אליה כריטוט - כרוכה בארגון בסדר אקראי של הרצף 2‎^N כך שהוא פסידו-אקראי. בעוד היא עדיין שומרת על יחס מחלק שברי ממוצע, היא ממירה את האותות הכוזבים השבריים לרעש אקראי בעל צורה כך שניתן לסנן אותו על ידי ה-PLL.

גרסה מסחרית של סינתיסייזר N-שבר סיגמא-דלתא היא ה-Analog Devices ADF5610BCCZ, סינתיסייזר N-שבר רעש-נמוך 0.57 מגה-הרץ (MHz) עד ‎14.6 GHz עם VCO משולב (איור 7).

איור 7: דיאגרמת מלבנים של ה-Analog Devices ADF5610BCCZ התומך בתצורות סינתיסייזר N-שבר כמו גם N-שלם. (מקור תמונה: Analog Devices)

ה-ADF5610 דורש מתנד ייחוס חיצוני ומסנן חוג. יש לו VCO משולב עם תדר יסודי של ‎3650 MHz‏ עד ‎7300 MHz‏. תדרים אלה מוכפלים פנימית ומנותבים אל פין RFOUT. קיימת‏ יציאה הפרשית המאפשרת את חלוקת התדר הכפול של ה-VCO בגורמים 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 או 128, דבר המאפשר יצירת תדרי יציאה RF נמוכים עד כדי ‎57 MHz‏.

ה-ADF5610 משתמש במאפנן סיגמא-דלתא מתקדם עם אופרטור שברי המייצג שארית לאחר חלוקה (modulus) של‏ 24‎-bit‏, שמשיג רמות לא-רצויות נמוכות במיוחד. כמו בכל הסינתיסייזרים המשתמשים במאפנן סיגמא-דלתא, התקן זה משתמש בטכניקות של עיבוד אות דיגיטלי כדי למצוא את יחס החלוקה השברי הממוצע המבוקש. תהליך זה, מתוזמן בקצב ה-PFD, מייצר רעש אפנון יציאה הנקרא רעש קוונטיזציה עם הענות תדר מעבירה-גבוהים. מסנן החוג מעביר-הנמוכים החיצוני משמש לסינון רעש קוונטיזציה זה לרמה מתחת לרעש המופע של ה-VCO, ובכך מונע מהרעש לתרום לרעש המופע הכולל של המערכת.

ה-ADF5610 גם כולל מצב תדר מדויק עבור שגיאת תדר 0 הרץ (Hz‏). מצב זה מסוגל לחולל תדרים מדויקים בין גבולות צעדי N-שלם סמוכים בעוד ה-ADF5610 עדיין משתמש ב-modulus צובר מופע ‎24-bit מלא. הוא משיג צעדי תדר מדויקים עם קצב השוואת גלאי מופע גבוה, בכך מאפשר ל-PLL לשמור על ביצועי רעש מופע ואותות בלתי-רצויים מעולים במצב זה.

ה-Analog Devices ADF4169CCPZ-RL7 הוא סינתיסייזר PLL נוסף הניתן להגדרת תצורה כהתקן N-שלם או N-שבר. הוא עובד עם רוחב-פס RF של עד ‎13.5 GHz‏ עם אפנון ויצירת צורות-גל. הוא משתמש בכניסת תדר ייחוס חיצוני, VCO ומסנן חוג. הוא בעל מאפנן סיגמא-דלתא מסדר שלישי עבור סינתזה של N-שבר הניתנת להשבתה, בכך מאפשר להתקן לעבוד במצב N-שלם (איור 8).

איור 8: ה-Analog Devices ADF4169CCPZ-RL7 משתמש במאפנן סיגמא-דלתא מסדר שלישי. (מקור תמונה: Analog Devices)

סינתיסייזר ה-ADF4158WCCPZ-RL7 מיועד לשימוש במכ"מים של גל רציף מאופנן תדר (FMCW). הוא בעל יכולת צורות גל מאופננות מסוגים שונים במרחב התדר כולל שן-מסור ושיפועי משולש. זהו מאפיין מיוחד הנחוץ ביישומי מכ"ם.

מסקנה

קצבי נתונים עולים באפיקי תקשורת טורית מהירות-גבוהה דורשים ממתכננים להביט מעבר לסינתיסייזרים דיגיטליים ישירים — שעובדים היטב מתחת ל-3‎ GHz ‏— עבור פתרונות שעון מערכת. סינתיסייזר תדרים מבוסס חוג נעול מופע (PLL‏) המשתמש בטופולוגיות N-שלם ו-N-שבר מספק אותות יציבים, רעש-נמוך, עבור יישומי שעון תדר-גבוה, תקשורת נתונים טורית ומכ"ם בתדרים של עד עשרות ג'יגה-הרץ.