Оценка фазовых шумов синтезатора частот на интегральной схеме hmc704lp4e

УДК 621.396 И.В. Скоторенко

Оценка фазовых шумов синтезатора частот на интегральной схеме HMC704LP4E

Произведены краткий обзор интегральной схемы синтезатора частот с фазовой автоподстройкой частоты HMC704LP4E фирмы Hittite, расчет и сравнительный анализ фазовых шумов синтезаторов на микросхемах HMC704LP4E, ADF4153 и гибридного многопетлевого синтезатора с использованием ADF4002.

Ключевые слова: синтезатор частот с ФАПЧ, интегральная схема, фазовый шум.

Синтезатор частот (СЧ) является ключевым элементом практически любой системы связи, измерения и контроля [1—5]. В настоящее время для построения СЧ с петлей фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (рис. 1) широкое применение находят специализированные интегральные схемы (ИС) от самых разных фирм-производителей. Использование ИС с высокой степенью интеграции при построении СЧ позволяет получить не только достаточно качественные технические параметры и характеристики, но значительно снизить габаритно-массовые показатели, энергопотребление, а также повысить стабильность параметров и надежность в более жестких условиях эксплуатации. Это в основном вызвано тем, что высокая степень интеграции повышает многофункциональность таких микросхем, которые реализуются в одном кристалле, а снижение отрезков линий связи внутри кристалла значительно повышает его быстродействие. Поэтому элементная база для разработки всевозможных СЧ с петлей ФАПЧ непрерывно пополняется все новыми типами микросхем, реализующими ту или иную поставленную задачу и обеспечивающими те или иные технические характеристики [6]. На рис. 1 приняты обозначения: ГОЧ - генератор опорной частоты, ЧФД -частотно-фазовый детектор, ФНЧ - петлевой фильтр нижних частот, ГУН - генера-Рис. 1. Блок-схема ФАПЧ-синтезатора тор, управляемый на-

пряжением.

Фирма Hittite Inc. предлагает микросхему одинарного цифрового синтезатора частот HMC704LP4E с дробным коэффициентом деления (Fractional-N) (рис. 2).

Интегральная схема HMC704LP4E включает в себя регистр данных, делители опорной частоты на R и частоты ГУН на N, частотно-фазовый детектор, схему подкачки заряда. Синтезатор изготавливается по современной SIGe BiCMOS технологии и может работать в интервале питающих напряжений 3-3,5 В в индустриальном диапазоне рабочих температур -40...+85 °С. Для загрузки данных используется стандартный трехпроводной интерфейс. Синтезатор HMC704LP4E позволяет строить современный гетеродин с повышением или понижением частоты в диапазоне до 8 ГГц. В сочетании с ним ГУН и петлевым фильтром (ФНЧ) микросхема реализует законченную систему ФАПЧ (PLL) гетеродина. В тракте опорного сигнала синтезатора HMC704LP4E минимальный коэффициент деления RmH = 1 может быть изменен пользователем с шагом от 1 до Rмакс = 16383. При использовании СЧ с дробным коэффициентом деления шаг сетки синтезируемых частот всегда меньше частоты сравнения. Это удобно, а зачастую и необходимо в случае мелкого шага сетки при высокой выходной частоте, т.е. при больших значениях N коэффициента деления делителя частоты с дробным переменным коэффициентом деления (ДДПКД).

Структурная схема PLL-синтезатора с дробным коэффициентом деления приведена на рис. 3.

На рис. 4 на одном графике изображены результаты измерений уровня спектральной плот-ности мощности фазовых шумов выходного сигнала (вых = 3 ГГц) синтезатора частот с дробным (ЧФд = 3,3 МГц) и целочисленным (/ЧФд = 70 МГц) делителем частоты.

При проведении измерений в качестве микросхемы ФАПЧ в СЧ была взята интегральная схема HMC700lp4e [7] от фирмы-производителя Hittite. На рис. 4 виден выигрыш в уровне фазовых шумов при введении дробного коэффициента деления.

Произведем расчет и сравнительный анализ фазовых шумов выходного колебания синтезаторов частот на микросхемах HMC704LP4E, ADF4153 от фирмы-производителя Analog Devices и гибридного многопетлевого СЧ на основе интегральной схемы ADF4002 от Analog Devices. Основные технические характеристики микросхем HMC704LP4E, ADF4153 и ADF4002 приведены в таблице.

Фазовые шумы выходного сигнала синтезатора частот c ФАПЧ распределены следующим образом (рис. 5) [8], см. ниже:

1) Шумы в полосе пропускания ФНЧ, определяемые шумами в петле ФАПЧ и шумами ГОЧ. На практике при построении синтезаторов частот ГОЧ выбирается таким образом, чтобы его уровень фазовых шумов, пересчитанный к выходу СЧ, был ниже шумов в петле ФАПЧ, поэтому в дальнейших расчетах фазовые шумы ГОЧ не учитываются.

“ЗЕМЛЯ”

Рис. 2. Функциональная блок-схема ИС HMC704LP4E [7]

Делитель частоты HaN или N+1

Рис. 3. Структурная схема синтезатора Fraction-N PLL

Частотная отстройка, Гц

Рис. 4. Результаты измерений уровня спектральной плотности мощности фазовых шумов выходного сигнала при введении целочисленного 1 и дробного 2 коэффициента деления

Основные технические характеристики микросхем HMC7G4LP4E, ADF4153 и ADF4GG2

Наименование микросхемы Рабочий частотный диапазон, МГц Максимальная рабочая частота ЧФД, МГц Нормированный уровень фликкер -шумов (FlickerFOM), дБн/Гц Нормированный уровень фазовых шумов ЧФД (FloorFOM), дБн/Гц

HMC704LP4E 0...8000 100 -266 -230

ADF4153 0,5...4000 32 -254 -220

ADF4002 5.400 104 - -222

/с /кГц

Рис. 5. Фазовые шумы синтезатора с ФАПЧ (/С - частота среза ФНЧ) [8, с. 131]

Шумы в петле ФАПЧ зависят от следующих параметров: нормированных уровней фликкер-шумов и фазовых шумов ЧФД, рабочей частоты ЧФД (частоты сравнения), частоты ГУН и величины отстройки. Уровень спектральной плотности мощности фазовых шумов в петле ФАПЧ вычисляется по следующей формуле [9, с. 2]:

PN (/offset, /ГУН, /ЧФД ) =

= 10lg(10^W10 +10PNfloor/10) , дБн/Гц, (1) где /Wflick = Flic ker^QM+201g(/ryH)-101g(/offset); /Wfloor = FloorFOM +1 0lg( /чфд)+20lg(/ryH/,/чфд): Flic ker FOM - нормированный уровень фликкер-шумов ^м. таблицу); Floor FOM - нормированный уровень фазовых шумов ЧФД ^м. таблицу); /гун - частота ГУН, Гц; /чфд - частота ЧФД, Гц; /offset - величина отстройки, Гц.

2) Шумы за пределами полосы пропускания петлевого ФНЧ, определяемые шумами генератора, управляемого напряжением (спектральная плотность мощности фазовых шумов ГУН приводится в его техническом описании).

-80

105 10°

Частотная отстройка, Гц Рис. 6. Фазовые шумы синтезаторов частот с ФАПЧ

Результаты расчета по формуле (1) спектральной плотности мощности фазовых шумов выходного сигнала синтезатора частот, построенного на основе интегральных схем АЭР4153, ЫМС704ЬР4Б, а также многопетлевого СЧ на основе микросхемы АЭР4002 приведены на рис. 6. В многопетлевой схеме ФАПЧ, в которой подстройка выходной частоты происходит по гармоникам сигнала с выхода смесителя, фазовые шумы в петле ФАПЧ синтезируемого сигнала определяются шумами применяемой микросхемы ФАПЧ, в данном случае АЭР4002, и вычисляются по формуле (1). Фазовые шумы за пределами петли ФАПЧ определяются генератором, управляемым напряжением.

В качестве ГОЧ взят малошумящий термостатированный генератор ГК-136-ТС-100М [10] фирмы «Морион» (г. Санкт-Петербург). Гибридная многопетлевая схема построения СЧ применяется для уменьшения коэффициента деления N частоты ГУН и, как следствие, уменьшения ФШ в петле ФАПЧ. Недостатки таких синтезаторов по сравнению с однопетлевыми: более сложная настройка, дороговизна, большие массогабаритные параметры, высокое энергопотребление.

Из рис. 6 можно сделать следующие выводы:

1. По уровню фазовых шумов синтезатор частот на основе HMC704LP4E превосходит СЧ на основе аналога ADF4153 на 10-15 дБ.

2. По уровню фазовых шумов гибридный многопетлевой СЧ на основе ADF4002 превосходит СЧ на основе HMC704LP4E на 10-15 дБ при отстройках более 1 кГц.

Микросхема HMC704LP4E, помимо широкого диапазона рабочих частот (0...8 ГГц) и высокой рабочей частоты ЧФД (100 МГц), имеет фазовые шумы, по уровню превосходящие аналог ADF4153 на 10-15 дБ. Многопетлевой синтезатор частот за счет уменьшения коэффициента деления делителя частоты в микросхеме ADF4002 позволяет получить меньший уровень фазовых шумов, но является более сложным устройством, с большими габаритами и стоимостью. Микросхема цифрового синтезатора частот с ФАПЧ с дробным коэффициентом деления HMC704LP4E является достойным выбором при построении простых однопетлевых синтезаторов частот с низким уровнем фазовых шумов (по сравнению с ближайшим аналогом ADF4153, см. рис. 6), побочных спектральных составляющих, малыми габаритами и потребляемой мощностью.

Литература

1. Browne J. Frequency Synthesizers Tune Communications Systems. - Microwaves&RF. March, 2006. - 326 p.

2. Kroupa V. Frequency Synthesis Theory, Design and Applications. - New York: Wiley, 1973. - 431 p.

3. Manassewitsch V. Frequency Synthesizers Theory and Design, Third Edition. - New York: JohnWiley & Sons, 1987. - 384 p.

4. Rohde U. Microwave and Wireless Synthesizers: Theory and Design. - New York: John Wiley & Sons, 1997. - 638 p.

5. Klapper J. Phased-Locked and Frequency Feedback Systems / J. Klapper. - New York: Wiley, 1972. - 257 p.

6. Синтезаторы частот / Шахтарин Б.И. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 128 с.

7. Datasheet HMC700LP4E 8 GHz 16-Bit Fractional-N PLL [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.hittite.com/content/documents/data_sheet/hmc700p4.pdf, свободный (дата обращения: 22.09.2011).

8. Egan W.F. Frequency Synthesis by Phase Lock. - New York: John Wiley & Sons, 2000. - 597 p.

9. Datasheet HMC704LP4E 8 GHz 16-Bit Fractional N Synthesizer [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.hittite.com/content/documents/data_sheet/hmc704lp4.pdf, свободный (дата обращения: 30.05.2011).

10. Техническое описание. Высокочастотный прецизионный малошумящий кварцевый генератор ГК-136-ТС [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://morion.com.ru/catalog_pdf/GK136-TS.pdf, свободный (дата обращения: 30.05.2011).

Скоторенко Илья Вячеславович

Аспирант каф. РТС ТУСУРа

Тел.: (382-2) 41-36-70

Эл. почта: Skotorenko.I.V@yandex.ru

Skotorenko I.V.

Phase noise estimation of the HMC704LP4E frequency synthesizer

There was written a short review of the HMC704LP4E phase-locked loop frequency synthesizer with ntegrated circuit from Hittite inc., phase noise estimation and the comparative analysis of the HMC704LP4E, ADF4153 and a hybrid multiloop synthesizer with use ADF4002.

Keywords: PLL frequency synthesizer, the integrated circuit, phase noise.