2. Синтезатор частоты

Типовая структура микросхемы синтезатора частоты показана на рис.7.6. Высокочастотный сигнал с выхода ГУН поступает на делитель с переменным коэффициентом деления, который состоит из предварительного высокочастотного делителя и управляемого низкочастотного делителя на N. Сигнал с выхода опорного генератора поступает на буферный усилитель и далее делитель с постоянным коэффициентом деления М. В большинстве микросхем синтезаторов предусмотрен режим работы буферного усилителя и как активного элемента автогенератора, если ко входу буферного усилителя подключается кварцевый резонатор. Сигналы с обоих делителей частоты поступают на входа фазового детектора. Выходной сигнал фазового детектора через токовый усилитель поступает на внешний петлевой ФНЧ и далее на управляющий вход ГУН.

Типовое управление микросхемой синтезатора осуществляется от внешнего микропроцессора по так называемой схеме 3-bus, которая включает в себя три независимых канала цифровой информации: DATA, CLOCK, ENABLE.

По каналу “DATA” в бинарном коде поступают значения коэффициентов деления делителей в опорном канале и канале ГУН, требуемая величина выходного тока детектора. По каналу “CLOCK’ поступают тактовые синхроимпульсы, обеспечивающие запись информации в регистры микросхемы. По каналу ‘ENABLE” поступает импульс исполнения, разрешающий счетчикам изменить свое состояние в соответствии с информацией, записанной в регистрах хранения микросхемы.

Делитель 1/M

опорный генератор

Регистр хранения M,N

DATA

CLOCK

ENABLE

Высокочастотный делитель

Делитель 1/N

ГУН

Рис.7.6 Функциональная схема микросхемы синтезатора частоты

Приведенные на рис.7.6 функциональные узлы микросхемы синтезатора являются минимально необходимыми для обеспечения нормальной работы и присутствуют в любой микросхеме синтезатора. Кроме основных функциональных узлов, различные типы микросхем синтезаторов могут содержать ряд дополнительных сервисных схем и функций, упрощающих взаимодействие синтезатора с другими микросхемами или расширяющих его возможности. К ним относятся:

• схема контроля захвата петли ФАПЧ; формируемые схемой биты 0 или 1 в зависимости от состояния петли ФАПЧ упрощают контроль работы синтезатора частоты

• схема кратковременного повышения тока детектора; схема обеспечивает уменьшение времени установления петли ФАПЧ за счет более быстрой перезарядки интегрирующей емкости

• назначаемые порты контроля состояния микросхемы синтезатора; также служат для более полного контроля состояния синтезатора частоты

• режим “shuntdown”, обеспечивающей выключение синтезатора в режиме таймирования; потребление микросхемы синтезатора уменьшается до нескольких микроампер и при этом сохраняются все коды делителей, т.е. микросхема готова к работе через минимальное время после поступления команды включения

• схема управления внешними высокочастотными делителями частоты позволяет поднять верхнюю рабочую частоту синтезатора

Типовые значения микросхемы синтезатора, предназначенной для работы в диапазоне частот менее 1 ГГц, приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1. Типовые параметры микросхемы синтезатора частоты

Параметр	Нижнее значение	Верхнее значение	Единица измерения
Рабочая частота управляемого генератора (ГУН)		2.5	ГГц
Рабочая частота опорного генератора от внешнего генератора внутренняя генерация		150 40	МГц
Коэффициент деления управляемого делителя в канале ГУН		25000
Коэффициент деления в канале опорного генератора	небольшое (до 10) количество фиксированных коэффициентов деления
Чувствительность по высокочастотному каналу ГУН	-15	+5	дБм
Рабочая частота фазового детектора		2	МГц
Длительность импульса управления	100		нсек
Выходной ток фазового детектора	0.1	5	мА

Наиболее распространенный тип фазового детектора для микросхем синтезаторов, так называемый частотно-фазовый детектор, показан на рис.7.7. В момент захвата петли ФАПЧ первый по времени прихода передний фронт частоты ( или ) переворачивает триггер и подключает к выходу источник напряжения положительной или отрицательной полярности, что обеспечивает зарядку или разрядку интегрирующей емкости. Приходящий через некоторое время передний фронт второго сигнал возвращает оба триггера в исходное положение, обеспечивающее закрытие обоих ключей.

D TM1

R

Ключ 1

R TM1

D

Ключ 1

Рис.7.7. Цифровой частотно-фазовый детектор

Изменение напряжения на интегрирующей емкости С за время открытого ключа равно, очевидно:

7.13

Повышение или уменьшение напряжения на интегрирующей емкости приводит к уменьшению или увеличению емкости варикапа, включенного в резонансный контур ГУН и, соответственно, изменению частоты ГУН. В установившемся режиме на выходе детектора будут иметь место очень короткие периодические импульсы положительной или отрицательной полярности.

3. Стабильные и управляемые автогенераторы

Автогенераторы в приемнике и передатчике выполняют две основные функции: генерация опорной стабильной частоты для синтезатора частот и работа в качестве управляемого генератора (ГУН) в петле ФАПЧ. Основные требования, предъявляемые к опорному генератору – это максимальная стабильность частоты и минимальные фазовые шумы. Управляемый генератор также должен иметь минимальные фазовые шумы и заданную характеристику управления. Автогенераторы характеризуются следующими основными параметрами:

• кратковременная и долговременная нестабильность рабочей частоты (для кварцевых генераторов)

• крутизна управления (для автогенераторов)

• спектральная плотность фазовых шумов

Нестабильность рабочей частоты () есть относительный диапазон отклонений частоты от номинального значения за выбранный отрезок времени. Различают кратковременную (порядка одной секунда) нестабильность в нормальных климатических условиях, длительную нестабильность (один год) в нормальных климатических условиях и длительную нестабильность в заданном диапазоне температур.

Наивысшей стабильность в радио диапазоне обладают кварцевые термостабилизированные автогенераторы. Эти генераторы имеют значительные габариты (порядка 5 см³ ) и значительные токи потребления (сотни мА). Но при этом автогенератор обеспечивает кратковременную и долговременную нестабильность не хуже 10^-7 в диапазоне температур от –40 до +60 ⁰С, а лучшие показатели доходят до 10^-10. Столь высокая стабильность достигается за счет удержания кварцевого резонатора в строго ограниченном диапазоне температур.

Кварцевые термокомпенсированные генераторы не обеспечивают полной температурной изоляции кварцевого резонатора. В этих генераторах специальным выбором элементов схемы автогенератора компенсируют температурный уход параметров кварцевого резонатора. За счет этого существенно снижаются габариты генератора (типовой корпус имеет размеры 2*5*9 мм) и потребление (порядка 2 мА). Типовая кратковременная и долговременная стабильность такого автогенератора равна 10^-6 в диапазоне температур от –30 до +80 ⁰С.

Для обычных автогенераторов с кварцевым резонатором нестабильность частоты в значительной степени зависит от температуры окружающей среды. У относительно узком диапазоне температур (от –10 до +20 ⁰С) нестабильность порядка 5*10^-6 . С расширением температурного диапазона нестабильность частоты может увеличиться на порядок.

Крутизна управления автогенератора (Гц/В) есть коэффициент пропорциональности между изменением управляющего напряжения на автогенераторе и изменением рабочей частоты автогенератора.

Микросхемы управляемых автогенераторов обычно включают в себя собственно автогенератор и буферный усилитель, предназначенный для исключения влияния изменяющейся нагрузки на частоту автогенератора. Управляемые автогенераторы, предназначенные для работы в относительно узкой полосе частот (например, в полосе частот GSM) имеют встроенный варикап, широкополосные управляемые генераторы требуют подключения внешнего варикапа. Значение крутизны управления в значительной степени зависит от рабочей частоты и колеблется для различных типов ГУН от 0.5 до 50 МГц/В.

Фазовые шумы (дБ/Гц) есть относительный уровень шумов генератора при выбранном расстоянии от центральной (номинальной) частоты. Другими словами, фазовые шумы характеризуют распределение амплитуды шумов в непосредственной близости от центральной рабочей частоты. Физический смысл понятия фазовых шумов следует из векторной диаграммы рис.7.8.

Рис.7.8. Векторное представление фазовых шумов

Идеальный сигнал с амплитудой и частотой представлен вращающимся вектором с амплитудой и частотой вращения . Вследствие не идеальности генерирующего устройства конец вектора совершает случайные колебания с амплитудой и частотой . Наложение шумового колебания на основное колебание выражается в случайном изменении фазы основного колебания т.е. в возникновении фазовых шумов. Можно сказать, что распределение спектральной плотности мощности автогенератора в непосредственной близости от центральной частоты является результатом фазовой модуляции несущей частоты шумовым сигналом. Типовая спектральная плотность мощности автогенератора, которую можно наблюдать на анализаторе спектра, показана на рис. рис.7.9.

PSD

f

f₀

Рис.7.9. Спектральная плотность мощности стабильного автогенератора

Типовые значения фазовых шумов кварцевых и управляемых генераторов приведены в таблице 7.2.

Таблица 7.2. Типовые значения фазовых шумов автогенератора

	Фазовые шумы дБ/Гц
Термостабилизированный кварцевый генератор	135 .... 145	150 .... 155	155 .... 160
Термокомпенсированный кварцевый генератор
Управляемый кварцевый генератор до 200 МГц до 1000 МГц до 3000 МГц		85 .... 95 75 .... 85 70 .... 75	105 ... 115 115 ... 120 115 .... 129	125 .... 135 115 .... 125 115 .... 125