9.6. Интегральные синтезаторы частот

В диапазоне выходных частот менее 400 МГц лучшими свой­ствами по совокупности характеристик обладают интегральные ЦВС, выполненные на многослойных кристаллах по схеме рис. 9.5 с тактовой частотой до f₀ = 1000 МГц. Выходная частота такого ЦВС изменяется от минимальной, определяемой значением f₀, поделен­ным на наибольшее число, записанное в регистре Кр до максималь­ной, не превышающей f₀ /2. В большинстве выпускаемых моделей используется высокая (10... 14) разрядность ЦАП, что обеспечивает содержание высших гармоник не более -20 дБ. Применение 48-раз­рядного регистра установки кода частоты К_f позволяет снизить шаг

по частоте до ∆f = f₀ /2⁴⁸ , что составляет пренебрежимо малое зна­чение даже при максимальной тактовой частоте.

Уникальные возможности предоставляют ЦВС в отношении пере­стройки параметров выходного сигнала. Частота задается вводом фиксированного кода или автоматически перестраивается по линейному по времени закону от минимальной до наибольшей рабо­чей частоты при сохранении формы выходного колебания. Продол­жительность процесса перестройки на новую частоту определяется только временем установки нового кода и поэтому зависит от

организации записи и пересылки кодов. В большинстве ЦВС преду-

смотрены режимы формирования сигналов с частотной или фазовой манипуляцией при стабильной несущей частоте. В некоторых моде­лях на входе ЦАП предусмотрен цифровой аппаратный перемножи­тель кодов выходных отсчетов на код амплитуды. Это позволяет кор­ректировать изменения выходной амплитуды при перестройке частоты на несколько декад и изменять выходную амплитуду при формировании сложных модулированных сигналов. Возможность вводить код корректирующего фазового сдвига (см. рис. 9.5) позволяет цифровым способом формировать сигнал с непрерывной фазой при переключении частоты. Спектральные характеристики фазового шума интегральных ЦВС определяются свойствами источника опорного сигнала и качеством ЦАП. Приближение выход­ной частоты повышает уровень ПСС.

На повышенных рабочих частотах используются СЧ с кольцом ФАПЧ. При высоких требованиях к качеству выходного сигнала при­ходится решать компромиссную задачу, т. е. обеспечивать допустимые значения погрешности установки частоты, уровня ПСС и шумовых спектральных составляющих, длительности переходного процесса, остаточной фазовой погрешности. Поэтому во многих случаях СЧ с кольцом ФАПЧ реализуется на основе нескольких узлов: ГУН, схем приведения частоты, ЧФД, вспомогательных средств контроля и управления режимами, ФНЧ. Кроме того, в состав микросборки СЧ с кольцом ФАПЧ могут входить умножитель частоты, буферный уси­литель мощности, энергонезависимая память параметров, модулятор выходного сигнала.

Интегральные широкополосные умножители частоты выполня­ются на основе двухтактных усилительных каскадов с противофаз­ным возбуждением и отсечкой тока в нелинейных элементах (НЭ). Если сигналы от НЭ складываются синфазно, то благодаря баланси­ровке плеч умножителя происходит компенсация нечетных и сложе­ние мощности четных гармоник частоты входного сигнала. При этом узел становится удвоителем или учетверителем частоты. В утроителе и упятерителе частоты сумматор выполняется с инвертированием сигналов от НЭ, поэтому мощности нечетных гармоник складыва­ются, а четных — компенсируются. Выходной полосно-пропускаю-щий фильтр умножителя подавляет остаточную мощность мешающих гармоник частоты входного сигнала, а входной фильтр нижних час­тот СВЧ-диапазона подавляет обратное прохождение составляющих высших гармоник. В состав интегрального умножителя частоты для ослабления паразитных связей включают усилители мощности выходного сигнала. Выпускаются умножители частоты с кратностью от 2 до 64 при выходной частоте до 100 ГГц.

Интегральные делители частоты входного сигнала диапазона милли­метровых и сантиметровых волн выполняются на основе варикапов с запертым р—n-переходом и с нелинейной вольтфарадной характери­стикой. Эффект параметрического деления частоты на коэффициент, кратный двум, в совокупности с полосовым фильтром на входе и фильтром нижних частот на выходе позволяет получить высокий коэффициент передачи по мощности. В диапазоне входных частот менее 1 ГГц применяются счетчиковые делители частоты: коэффициент деления частоты устанавливается произвольным с помощью вне­шних перемычек или загрузкой управляющего кода.

Интегральные ГУН диапазона СВЧ выполняются на основе бипо­лярных или полевых транзисторов с управлением частотой путем изменения запирающего смещения рабочей точки матрицы из встречно включенных варикапов. Выпускаются ГУН с выходной час­тотой до 10 ГГц, которые перестраиваются по частоте в полосе от нескольких процентов до октавы при изменении крутизны модуляци­онной характеристики S_y не более чем на ±20 % и выходной мощ­ности, изменяющейся не более чем на 2 дБ. Для ослабления влияния нестабильностей нагрузки и повышения рабочей частоты на выходе интегрального ГУН включают усилители мощности, умножители частоты, предварительные делители частоты в 4, 8 или 16 раз для облегчения сопряжения с микросхемами ФАПЧ. Для формирования четырех сдвинутых по фазе на 90° колебаний одинаковой амплитуды, которые нужны для модуляторов и демодуляторов с подавлением зер­кальной полосы частот, иногда используют кольцевые системы из нескольких одинаковых ГУН.

Интегральная микросхема ФАПЧ включает в себя управляемый делитель частоты, частотно-фазовый детектор, схему интегрирова­ния выходного сигнала ФД, индикатор захвата частоты, схему быст­рого захвата частоты, схему подавления «мертвой зоны» модуляци­онной характеристики ГУН, схему блокировки единичных импульсных помех, устройство понижения тока потребления. Вид и параметры фильтра в цепи обратной связи ФАПЧ выбираются при проектировании в зависимости от особенностей решаемой задачи, поэтому в таких СЧ фильтр ФНЧ выполняется в виде пассивных эле­ментов поверхностного монтажа.

Значительные перспективы имеют комбинированные синтеза­торы, когда в одном корпусе интегральной схемы размещены ЦВС и основные узлы СЧ с кольцом ФАПЧ. Вычислительный СЧ можно включать в качестве делителя тактовой частоты с программируемым коэффициентом деления или использовать его в качестве управляе­мого делителя частоты внутри кольца ФАПЧ между ГУН и ЧФД.

Рис. 9.13. Спектральная плотность мощности выходного колебания СЧ

Благодаря включению на выходе СЧ с кольцом ФАПЧ широкопо­лосного малошумящего умножителя частоты вне кольца ФАПЧ можно в несколько раз повысить частоту выходного сигнала и обес­печить развязку от нестабильной нагрузки, а функции стабилизации и управления реализовать с помощью более простого СЧ. Другой вариант построения СЧ в диапазоне десятков гигагерц состоит в при­менении высокочастотного ГУН и предварительного делителя час­тоты с фиксированным коэффициентом деления в кольце ФАПЧ.

На рис. 9.13 показан пример результата измерения СПМ выход­ного колебания СЧ с кольцом ФАПЧ с дробным делителем частоты в кольце ФАПЧ, который демонстрирует высокую чистоту спектра в диапазоне сантиметровых волн.

Для массовой аппаратуры выпускаются полностью интегральные СЧ с кольцом ФАПЧ со встроенными ГУН, схемами приведения, ФД. фильтрами, схемами управления параметрами и схемами запомина­ния параметров. В ряде случаев в интегральный СЧ встраиваемо! также схема опорного автогенератора, для которой требуется подключение лишь внешнего кварцевого резонатора.

Контрольные вопросы и задания

1. Как определяются занимаемая полоса частот, длительность и база сигнала?

2. Как взаимосвязаны паразитное отклонение частоты и распределение частотных нестабильностей вблизи несущей частоты?

3. Как связаны между собой распределения частотных и фазовых нестабильностей вблизи несущей частоты?

4. Какими техническими параметрами и характеристиками описываются свойства управляемых по частоте генераторов?

5. Какими параметрами характеризуются синтезаторы сетки стабильных часто! '

6. В чем преимущества и недостатки пассивных синтезаторов частот?

7. Как взаимосвязаны шаг перестройки и длительность переходного процесса в пассивном синтезаторе частот?

X. Как выбирается полоса пропускания фильтра нижних частот в схеме синте­затора сетки частот с фильтрацией дискретных компонент системой фазовой автоподстройки частоты?

9. Как оценивается время перестройки частоты на соседнее дискретное значе­ние в синтезаторе с делителем частоты в кольце фазовой автоподстройки частоты?

10. Из-за чего в синтезаторе сетки частот с дробным делителем частоты умень­шается шаг сетки частот?

11. В чем состоят преимущества и недостатки использования полосового филь­тра на выходе цифрового вычислительного синтезатора?

12. Как выбираются численные значения коэффициентов деления частоты в син­тезаторах с фазовой автоподстройкой частоты?

13. Какие меры предпринимаются для снижения уровня паразитных спектраль­ных компонент на выходе дробного синтезатора частот?

14. Чем ограничена максимальная выходная частота сигнала цифрового вычис­лительного синтезатора?

15. Для чего используются в синтезаторах стабильных частот широкополосные умножители и делители частоты?

Часть вторая

Глава десятая

УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ СВЧ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ