ИССЛЕДОВАНИЕ БЛОКА ПЕТЛЕВОГО ФИЛЬТРА С ЭКВИВАЛЕНТНЫМ УМНОЖЕНИЕМ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА ДЛЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ НА БАЗЕ КОНТУРА ФАПЧ



Рассмотрен блок петлевого фильтра (ПФ) контура ФАПЧ с эквивалентным умножением емкости конденсатора изодромного звена, использующий дополнительный источник тока в составе блока накачки заряда. Для выбора рационального коэффициента эквивалентного умножения емкости конденсатора получены выражения, позволяющие исследовать изменения амплитудно-фазовых частотных характеристик эквивалентного ПФ из-за нарушения заданного отношения площадей импульсов основного и дополнительного источников тока вследствие технологического разброса при производстве кристалла микросхемы. Предложен способ увеличения скорости нарастания выходного напряжения блока эквивалентного ПФ, используемый в режиме сокращения длительности начальной стадии переходных процессов автоподстройки частот.

Ключевые слова: синтезатор сетки частот на базе контура ФАПЧ; эквивалентное умножение емкости конденсатора блока петлевого фильтра; ускорение переходных процессов автоподстройки частот.

С целью повышения отношения функциональность-стоимость интегральных микросхем средств связи и вычислительной техники стремятся разместить на кристалле микросхемы как можно большее количество сложнофункциональных блоков при одновременной минимизации площади кристалла. Одними из широко используемых сложнофункциональных блоков являются синтезаторы сетки частот (ССЧ) на базе контура импульсной фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). В данных устройствах размеры конденсаторов блока петлевого фильтра (ПФ) являются основным препятствием на пути уменьшения площади всего ССЧ. Для минимизации площади ПФ применяют методы эквивалентного умножения емкости конденсаторов, обеспечивающие многократное уменьшение емкости требуемой для непосредственной реализации. В статье рассматривается один из таких методов, относящийся к группе управления током умножаемого конденсатора.

Описание типового блока пассивного ПФ 2-го порядка.

На рис. 1 представлена типовая структурная схема ССЧ на базе контура импульсной ФАПЧ . Выходные сигналы блока ИЧФД Up и Dn управляют блоком ИТНЗ, формируя на его выходе импульсы тока I0, длительность и полярность которых зависят от фазовой разности сигналов частот FREF и FCNT. Импульсы тока I0 поступают на элементы блока ПФ, где преобразуются в управляющее напряжение VVCO. Под управлением напряжения VVCO в соответствии с крутизной передаточной характеристики блока ГУН KVCO его на выходе устанавливается частота FVCO. Умножение значения опорной частоты FREF на коэффициент N обеспечивается соответствующим делением частоты FVCO в блоке ДЧ при формировании сигнала FCNT. Устойчивость переходных процессов автоподстройки частот обеспечивается соответствующим запасом по фазе на частоте ω0 полосы пропускания контура. Формирование необходимого запаса по фазе осуществляется выбором амплитудно-фазовой частотной характеристики блока ПФ.

Типовая структурная схема блока пассивного ПФ 2-го порядка представлена на рис. 2,а . Под воздействием заряда, вносимого током I0, на конденсаторах СP и СZ формируется выходное напряжение VVCO. После окончания действия импульсов тока I0 потенциалы напряжений конденсаторов СP и СZ выравниваются через резистор RZ. Импеданс Z(s) блока ПФ рис. 2,а равен:

На рис. 3 представлена амплитудно-фазовая частотная характеристика блока ПФ рис. 2,а. Блок ПФ является инерционным пропорционально-интегрирующим звеном, где частота нуля ωZ и частота полюса ωP задаются изодромным звеном RZСZ и интегратором СP. Геометрическим средним частот ωZ и ωP является частота ω0LF, характерная тем, что на ней блок ПФ имеет максимальный запас по фазе φ0LF до значения –90 градусов. При проектировании контура ФАПЧ стремятся, чтобы частота ω0LF блока ПФ и частота ω0 полосы пропускания контура совпадали.

Введем параметр WLF, характеризующий ширину интервала между частотами ωZ и ωP:

Частоты ωZ и ωP связаны с ω0LF через WLF как:

Значение WLF зависит от запаса по фазе φ0LF и конденсаторов СZ и СP как:

При этом запас по фазе φ0LF равен:

Таким образом, запас по фазе φ0LF на частоте ω0LF зависит только от отношения емкостей конденсаторов СZ и СP и не зависит от их абсолютного значения.

Запас по фазе φZP на частотах ωZ и ωP равен:

Коэффициент передачи A0LF блока ПФ рис. 2,а равен:

В результате с учетом того, что коэффициент передачи разомкнутого контура на частоте полосы пропускания ω0 равен единице, определим элементы блока ПФ рис. 2,а:

где KVCO имеет размерность (рад/(сˑВ)).

На рис. 4 представлена зависимость запаса по фазе φ0LF от ширины интервала WLF и значение Δφ0LF уменьшения φ0LF при отклонении от частоты ω0LF в 2 раза.

Как следует из рис. 4, с увеличением значения WLF уменьшение Δφ0LF для рассмотренного интервала WLF происходит практически линейно. Величина уменьшения Δφ0LF составляет от 6,35 до 4,96 градусов от запаса по фазе на частоте ω0LF, что в процентном отношении составляет от 12,4% до 7,4%.

Емкость конденсатора СZ может быть представлена как:

Из данного выражения следует, что емкость конденсатора СZ обратно пропорциональна квадрату от ω0LF, т.е. емкость СZ резко возрастает с уменьшением ω0.

В качестве примера на рис. 5 представлены диапазоны изменений емкости конденсатора СZ и сопротивления резистора RZ для частоты ω0LF от 3ˑ104 до 1ˑ107 рад/с при параметрах элементов контура: интервал WLF=11 (т.е. СP=0,1СZ); амплитуда импульсов тока I0=10 мкА; коэффициент деления N=100; крутизна передаточной характеристики ГУН KVCO = (0,05…25)ˑ109 рад/(сˑВ).

Из условия ограничения максимально допустимой площади, занимаемой конденсатором СZ на кристалле микросхемы, установим предельное значение его емкости не более 1 нФ. Из условия ограничения напряжения шума резистора RZ установим предельное значение его сопротивления не более 100 кОм.

Как следует из рис. 5 для ССЧ с высокой частотой полосы пропускания ω0 и ГУН с малым значением KVCO проблемой является большое значение RZ. Для ССЧ с низкой частотой полосы пропускания ω0 и ГУН с высоким значением KVCO проблемой является большое значение емкости конденсатора СZ. Большое значение емкости конденсатора СZ является основным препятствием на пути уменьшения площади блока ПФ и, соответственно, блока ССЧ в целом.

Реализация блока ПФ с эквивалентным умножением емкости конденсатора. Для решения задачи уменьшения площади, занимаемой конденсаторами блока ПФ на кристалле микросхемы, разработаны методы эквивалентного умножения емкости, позволяющие заменить емкость конденсатора CZ в несколько раз меньшим значением при полном сохранении ПФ требуемых частотных корректирующих свойств .

Обозначим M - коэффициент эквивалентного умножения емкости CZE:

Тогда суммарная емкость CΣE конденсаторов эквивалентного ПФ по сравнению с суммарной емкостью CΣ исходного ПФ будет уменьшена как:

На рис. 2,б представлен блок ПФ с эквивалентным умножением емкости конденсатора CZE, использующий в составе блока ИТНЗ дополнительный источник тока, подключенный к конденсатору CZE и синхронно с основным источником I0E вырабатывающий импульсы тока ICE имеющие аналогичную основному току направленность .

Импеданс ZE(s) эквивалентного ПФ рис. 2,б равен:

Найдем выражения для расчета значений I0E, ICE и RZE эквивалентного ПФ. Так как импедансы блоков ПФ рис. 2,а и рис. 2,б равны, соответственно, равны их постоянные времени нуля и полюса. Представим ZE(s) в виде:

Приравняв τP и τPE, получим:

Отсюда, с учетом CZ=MCZE, резистор RZE эквивалентного ПФ равен:

Приравняв τZ и τZE, получим:

Отсюда значения токов I0E и ICE равны:

Существенной особенностью блока ПФ рис. 2,б является то, что в режиме хранения заряда потенциал напряжения цепи ICE равен потенциалу общий («земля») напряжения питания. Данное обстоятельство является проблемой для корректной работы выхода блока ИТНЗ так как в случае отрицательного направления тока ICE этот потенциал должен стать ниже потенциала «земли». Таким образом, для блока ПФ рис. 2,б требуется создание потенциала «виртуальной земли», что усложняет его схему.

Вторым недостатком схемы рис. 2,б является существенное увеличение сопротивления резистора RZE по сравнению с исходным RZ рис. 2,а, что увеличивает площадь и шум резистора RZE. Степень увеличения сопротивления RZE зависит прямо пропорционально от коэффициента M и обратно пропорционально от ширины интервала WLF.

Влияние технологического разброса на характеристики эквивалентного ПФ. Неизбежный технологический разброс при производстве кристалла микросхемы приводит не только к отклонениям от требуемых значений параметров резистора и конденсаторов блока ПФ, но и к нарушению заданного отношения площадей результирующих импульсов токов блока ИТНЗ. Обозначим величину отклонения отношения площадей импульсов токов I0E и ICE как δI .

Пусть IM - результирующий коэффициент умножения емкости конденсатора CZE с учетом воздействия δI равный:

где δM  характеризует отклонение IM от исходного M.

Изменение коэффициента M вызывает соответствующее изменение характеристик блока ПФ рис. 2,б и нарушает его эквивалентность по отношению к ПФ рис. 2,а. Найдем выражения для определения степени изменения коэффициента M из-за воздействия δI.

Пусть площади импульсов токов по цепям I0E и ICE отклоняются от требуемых значений с коэффициентами соответственно δI0E и δICE. Тогда отношение результирующих токов I0Eδ и ICEδ может быть выражено через отношение исходных токов I0E и ICE как:

Значение δM для ПФ рис. 2,б из-за воздействия δI равно:

В результате блок ПФ рис. 2,б будет эмулировать ПФ рис. 2, а с значениями IZR, IZC и II0 равными:

Для определения максимально допустимого δI при заданных M и δM и, соответственно, максимального M при заданных δM и δI служат следующие выражения:

Спецификой схемотехнического и топологического проектирования микросхем, реализуемых по субмикронным технологиям, является то, что вариации параметров идентичных элементов на кристалле микросхемы коррелированны с их размерами и взаимным расположением. Таким образом, группу элементов, требующих согласования, выполняют в виде матрицы массива–центроида, где каждый элемент группы состоит из нескольких частей. Части всех элементов имеют идентичные размеры, причем в два-три раза превышающие минимальные, но располагаются между собой на минимальном расстоянии. Элементы должны иметь одинаковую ориентацию и один геометрический центр, лежащий на пересечении осей симметрии массива. По периметру массива располагаются идентичные основным неиспользуемые фиктивные элементы, подключаемые к потенциалу соответственно земли или питания .

В качестве примера в табл. 1 представлено количество транзисторов в группах формирования токов I0E и ICE при построении матрицы массива–центроида для наиболее используемых коэффициентов умножения M конденсатора CZE при условии WLF=11 (т.е. CP = 0,1MCZE).

Нарушение синхронности переключений импульсов токов I0E и ICE при условии сохранения требуемого соотношения площадей импульсов не приводит к увеличению пульсаций выходного напряжения VVCO. Исключением является случай, когда длительность импульса тока ICE меньше требуемой, а амплитуда, соответственно, больше. Это вызывает незначительное увеличение пульсаций напряжения VVCO.

Увеличение скорости нарастания выходного напряжения блока эквивалентного ПФ. Помимо малой площади дополнительным требованием к блоку ПФ является возможность увеличения скорости нарастания его выходного напряжения VVCO, что используется для повышения эффективности режима сокращения длительности начальной стадии переходных процессов автоподстройки частот. При этом необходимо, чтобы во время перестройки напряжения VVCO потенциалы на конденсаторах СP и CZE были равны, т.е ток через резистор RZE был равен нулю. Для этого предлагается значение тока I0E увеличить в M – 1 раз, а направление тока ICE изменить на противоположное. При увеличении тока I0E в M – 1 раз его значение равно:

Так как задано условие, что ток через резистор RZE равен нулю, то ток через конденсатор CZE равен току ICE и, таким образом, ток I0E будет распределяться между конденсаторами СP и CZE пропорционально их емкости. В результате скорость нарастания напряжения VVCO будет увеличена в M – 1 раз.

Для реализации функции увеличения тока возможно использование транзисторов, выполняющих в матрице массива–центроида роль фиктивных.

В качестве заключения можно сказать следующее:

1) На основе равенства импедансов типового ПФ рис. 2,а и эквивалентного ПФ рис. 2,б для эквивалентного ПФ получены выражения для расчета сопротивления резистора RZE и амплитуд токов I0E и ICE.

2) Представлены выражения для расчета отклонений характеристик эквивалентного ПФ от заданных из-за нарушения требуемого отношения площадей импульсов токов I0E и ICE вследствие технологического разброса при производстве кристалла микросхемы.