PLLs RF/מיקרוגל משלבי VCOs בעלי רעש נמוך

מתנדים מקומיים  local oscillators) – LO) בעלי רעש נמוך הם קריטיים עבור מערכות רבות RF ומיקרוגל ביישומים מסחריים, תעשייתיים וצבאיים

בצורה פשוטה, ככל שהביצועים של ה-LO הם גבוהים יותר, כך הביצועים של המערכת טובים יותר במונחים של רגישות אותות נקלטים ויכולת bit error rate . אחת השיטות המקובלות ביותר של יצירת מקור LO יציב היא לשלב מתנד מבוקר מתח (voltage controlled oscillator – VCO) בעל רעש מופע נמוך עם מתנד ייחוס יציב כדי ליצור מסנתז תדר בעל עניבה נעולת מופע (phase locked (loop – PLL. לרוע המזל, פעולות הדדיות בין רכיבים בתוך מסנתז ה-PLL, כולל משאבת המטען ומסנן הלולאה, יכולות להציע אתגרים עבור המתכננים הטובים ביותר, מבלי לציין נושאים העולים בשל מערך מעגל הכרטיס ורעש ספק הכוח. על-ידי תנופה של המומחיות שלנו ברכיבי יצירת תדרים בתוך מסנתז ה-, החברה פיתחה קו של PLLs בעלי VCOs משולבים  כדי לפשט את הפיתוח של מסנתזי תדר מבוססי-PLL. קווי המוצר החדשים כוללים שמונה מקורות PLL/VCO המכסים מ-665 מגה-הרץ עד 5.1 גיגה-הרץ וארבעה מקורות PLL/VCO בין 7.3 עד 13.5 גיגה-הרץ.

איור PLL .1 בעל דיאגרמה מלבנית של VCO משולב

כל אחד מהמסנתזים כולל מסנתז תדר מתקדם fractional-N ו-VCO בעל רעש נמוך והוא מסופק במארז פלסטי בתקן תעשייתי 6×6 ממ’ QFN הדורש מספר מזערי של רכיבים חיצוניים כדי להשיג ביצועים גבוהים. איור 1 הוא דיאגרמה מלבנית מפושטת המראה רבות מפונקציות הליבה בתוך ה-PLL עם מוצרי VCO משולבים, וכיצד ניתן להשתמש בהם כדי להזין את שער ה-LO של מקמ”ש RF/מיקרוגל אופייני. קטע המסנתז PLL המתקדם תוכנן עבור יישומים בעלי רעש מופע נמוך וכולל גלאי תדר/רעש מופע נמוך (phase/frequency detector-PFD), משאבת מטען בעלת בקרה מדויקת ותכנון מאפנן מתקדם המאפשר צעדי תדר עדינים ביותר.

קטע ה-PLL/מסנתז גם מספק את היכולת לשנות הן את שבח ה-PFD והן את מאפייני החלקת המחזור (cycle slipping) של ה-PFD. מצב ה-Cycle Slip Prevention  שומר על שבח ה-PFD למרב עד שהפרש התדרים מהמגמה הוא קרוב לאפס. מצב ה-CSP מאפשר  זמני נעילה מהירים משמעותית ויכול להקטין את הזמן להגעה לתדר חדש ב-50 אחוזים בהשוואה ל-PFDs מקובלים.

נתיב ייחוס בתדר גבוה מאפשר את השימוש של מקורות ייחוס עד 220 מגה-הרץ. כאשר חוצצי מקורות בנתיב הייחוס תומכים הן בגל המרובע ובמתנדי ייחוס סינוסיים של 50 אוהם. רעש מופע נמוך קרוב ורעש כזב נמוך גם מאפשרים ארכיטקטורות בעלות רוחבי פס לולאה רחבים יותר לשם דילוג תדרים מהיר יותר ורעש מיקרופון נמוך היותר; מוצאים כוזבים הם נמוכים מספיק כדי לבטל את הצורך בייחוסי סנתוז דיגיטלי ישיר (direct digital synthesizer – DDS) יקרים ביישומים רבים.

איור 2. מתח כוונון בתלות בתדר ההיסט

לדוגמה, הדגם HMC826LP6CE הוא אחד משמונת ה-PLL/VCOs המיוטב עבור יישומי שוק ה-RF ומכוון לציוד cellular/4G, WMAX וציוד מדידה. כל אחד משמונת ההתקנים משלב פונקציות של מסנתז fractional-N PLL באיכות גבוהה ו-VCO משולב במלואו בעל רעש נמוך. הארכיטקטורה תומכת ב-VCOs  איכותיים בעלי דרישות של כוונון מתח פחות מ-5 וולט (איור 2).

בטופולוגיה זו, מגבר שרת (operational amplifier) איננו דרוש במסנן הלולאה, תוך חיסכון הן של עלות והן של מקום בכרטיס המעגל, תוך שיפור הביצועים. ההתקנים יכולים להיות נעולים בקצה אחד של הטמפרטורה ומופעלים אחרי כן בתוך תחום הטמפרטורה המלא ללא צורך בנעילה מחדש או כיול מחדש. יכולת זו דרושה ביישומי אמינות גבוהה, אך היא לא מוצעת על-ידי פתרונות מתחרים אחדים.

כמתואר באיור 3, התקנים אלה מציעים ביצועי רעש מופע מצוינים – אופיינית 10dB טובים מהתקנים מתחרים הן בתוך הפס והן ברצפת הרעש המרוחקת, הכל ללא הצורך לבחור בין מצבים של כזב נמוך או רעש נמוך. הרעש המשולב האופייני של -55dBc בתדרי היסט מ-100 הרץ עד 1 מגה-הרץ שווה-ערך ל-0.1deg. של ריצוד root-mean-square , או ריצוד 278fs RMS במישור הזמן בתדר מוצא של 1 גיגה-הרץ.

הדגם מציע שיפור ברור בביצועים לעומת פתרונות משולבים קיימים. יש לו בערך 1

איור SSB .3 רעש מופע כנגד תדר ההיסט

0dB רעש מופע נמוך יותר קרוב ו-12dB רצפת רעש מופע נמוכה יותר בתדרי הטיה גדולים מ-29 מגה-הרץ בהשוואה לחלופה מסחרית. בנוסף, הוא מציע ביצועי כזב גבוהים יותר עם הרבה פחות תוכן כזב fractional לאורך התחום ומוצא ספקטראלי כולל נקי יותר. הדגם מכיל ביצועים קבועים לאורך קצות הטמפרטורה והתחום, כדי להבטיח שאין תווים חסרים בתדרים אלה.

שמונת דגמי ה-RF כוללים שלושה PLLs עם VCOs משולבים המציעים מוצאים מרובים המבוססים על חלוקה או הכפלה של תדר המוצא היסודי (fundamental – fo) יסודי מחולק fo2 וכפול (2fo) לשם גמישות משופרת וקלות בשימוש ביישומים רב-תחומים. יתר על כן, המשפחה במלואה מכילה עקבת מארז משותפת של 6×6 mm QFN ופרוטוקול בקרה משותף SPI.

הדגם PLL עם VCO משולב הוא אחד מארבעת ההתקנים המיוטבים עבור יישומי שוק המיקרוגל. יישומים אופייניים כוללים רדיו מיקרוגל וגלים מילימטריים, ציוד בדיקה תעשייתי/רפואי, תקשורות צבאיות, לוחמה אלקטרונית (electronic warfare – EW) ותת-מערכות של אמצעי-נגד אלקטרוניים (electronic countermeasures – ECM). כמוצג באיור 4, הדגם בעל VCO משולב מציג רגישות כוונון קבועה והספק מוצא גבוה עד כדי +16dBm לאורך התחום שלה, דבר העושה אותה אידיאלית לשם הזנת שער ה-LO של מוצרי החברה ערבלים ומקלטים בעלי

איור 4. רגישות כוונון והספק מוצא RF בתלות בתדר
המוצא

איור 5. רעש מופע לעומת תדר היסט

ליניאריות גבוהה, איזון כפול ו-in-phase/quadrature .

איור 5 מראה ביצועי SSB רעש מופע דגולים לעומת תדר ההטיה עבור תחומי התדר הנמוך, הבינוני והגבוה של הדגם עם VCO משולב. הנתונים נמדדו עם תדר ייחוס של 50 מגה-הרץ, רוחב פס בלולאה של 100 קילו-הרץ ותדר השוואה של 50 מגה-הרץ ב-PFD. ביצועי רעש המופע הם יציבים בטמפרטורה והלם מכני בשל המבנה המונוליתי. יתר על כן, מצב של מפתח היסט-תדר (frequency shift keying – FSK) מובנה מאפשר להתקן שימוש כמקור משדר באפנון תדר ישיר.

אפילו ביכולות כה מתקדמות ורמה גבוהה של שילוב, פיתוח LO מיתכנת איכותי עשוי לדרוש זמן תכנון משמעותי ואיטרציות בעלות מספר שלבים. מסיבה זו, החברה מציעה ערכות הערכה (evaluation kits) לשם תמיכה ב-PLLs החדשים בעלי VCOs משולבים. ערכות אלו מאפשרות מדידות מידיות של תכנון. איור 6 מראה מעגל מודפס להערכה וה-PLL המותקן עם התקן VCO משולב. זהו חלק מערכת ההערכה האוניברסאלית הקלה לשימוש, שפותחה כדי לסייע להקטנת עלויות הנדסה לא חוזרות (non-recurring engineering (NRE) costs, למזער את זמן התכנון ולהקל על יצירת אב-טיפוס מהיר של תכנונים חדשים. ערכת ההערכה כוללת מתנד ייחוס על הכרטיס ובקרי מתח, ותומכת בעיצובי מסנן לולאה אוניברסאלי. התוכנה הכלולה מאפשרת למשתמש לתכנת את ה-PLL ולגשת לתכונות המתקדמות שלו. מדריך הפעלה מלא מספק הוראות צעד אחר צעד כדי לאפשר למשתמש להזין במהירות וליזום את כרטיס ההערכה. המדריך כולל דיון מקיף של הרכיבים המשמשים בכרטיס ההערכה, ומכסה נושאים דוגמת עיצוב מחדש של כרטיס ההערכה עבור ייחוס חיצוני, ומימוש של מסנני לולאה פסיביים או אקטיביים.

כל ערכת הערכה מכילה  את ה-PLL Design Software Suite הקנייני של Hittite המאפשר למשתמשים להגדיר את מסנן הלולאה של כרטיס תקני של הערכה לשם היישום הספציפי שלהם. תוכנת בקרה PLL מקיפה של מחשב אישי, עם רשם תואם PC לשם תכנון של ה-PLL דרך ממשק Universal Serial Bus . תוך פרק זמן מאוד קצר, משתמש יכול להעריך את ה-LO הנעול במלואו בעזרת PC, נתח ספקטרום וספקי כוח DC בלבד. מחלקת הנדסת היישומים של Hittite זמינה גם כדי לסייע ללקוחות להתרגל ל-PLLs  קומפקטיים אלה עם VCOs משולבים.

איור 6. מעגל מודפס להערכה, הכלול בכל ערכת הערכה

הקו החדש של PLLs עם VCOs  משולבים הוא אידיאלי עבור יישומים של גורם צורה קטן, הכוללים רדיו מיקרוגל/גלים מילימטריים, ציוד בדיקה, חיישני מיקרוגל, תקשורות אופטית של סיבים ותקשורות וחיישנים צבאיים. מסנתזים מבוססי היבריד משתמשים לעתים בחומר מצע מבוסס פיברגלאס עם VCO דיסקרטי, מהוד (resonator) גדול וכיסוי מתכת. טכניקת ההרכבה עשויה לעורר בעיות במערכות משתמשים הקשורות להארקת RF, כמו גם השפעות צימוד חשמליות ושל המיקרופון בלתי רצויות. בהשוואה לעיצוב מסנתז/VCO היברידי דיסקרטי, הפיתרון של החברה מאפשר למתכננים להשיג את המטרות שלהם לביצועים עקביים, אמינות גבוהה וממדים קטנים. כל אחד מה-PLL של החברה עם מוצרי VCO משולבים מותקן במארז QFN ללא מוליכים תואמי SMT בעלי 6×6 ממ’. התקנות אלו עונות ל-RoHS  ותואמות לקווי ההרכבה בעלת טכנולוגיה של מהירות גבוהה, נפח גבוה ו-surface mount technology  החברה יכולה גם להציע מוצרים אלה עם סיומת עופרת PbSn מסורתית עבור יישומים צבאיים ושל טלקומוניקציה.

הכתבה באדיבות חברת

Analog Devices

Hittite Microwave Corporation

תגובות סגורות