Сравнение методов синтеза частот

Шумы возникают в элементах различных устройств - в резисторах, конденсаторах, диодах и транзисторах. Рассмотрим основные виды фазовых шумов в синтезаторах частот.

Шумы дробового эффекта.                                                                                                        В активных элементах устройств протекание тока является процессом переноса отдельных электронов, движущихся как заряженные частицы. Флуктуации тока через элемент связаны с изменениями во времени числа электронов, проходящих через поперечное сечение полупроводникового прибора. Шумы дробового эффекта характеризуются гауссовским распределением амплитуды, поскольку вызваны очень большим числом независимых составляющих.

Тепловые шумы.                                                                                                                                                                         На проводниках возникает переменное напряжение, вызванное беспорядочным тепловым движением свободных электронов в объёме проводника. тепловые шумы также описываются гауссовским распределением амплитуды. В отличие от спектра шумов дробового эффекта, спектр этих шумов не зависит от частоты.

Шумы фликер-эффекта.                                                                                             Шумы этого вида связаны с контактными и поверхностными неоднородностями в полупроводниках и вызваны флуктуациями проводимости среды, через которую протекает ток. В отличие от шумов дробового эффекта и тепловых, низкочастотные шумы фликкер-эффекта не считаются неустранимыми и могут быть снижены соответствующей технологией обработки поверхности полупроводниковых приборов.

                   Оценка фазовых шумов синтезатора частот

На интегральной схеме HMC704LP4E

       Синтезатор частот (СЧ) является ключевым элементом практически любой системы связи, измерения и контроля. В настоящее время для построения СЧ с петлей фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (рис. 8) 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 На рис. приняты обозначения: ГОЧ – генератор опорной частоты, ЧФД –частотно-фазовый детектор, ФНЧ – петлевой фильтр нижних частот, ГУН – генератор, управляемый напряжением.

Рис. 8. Блок-схема ФАПЧ-синтезатора.

    Фирма Hittite Inc. предлагает микросхему одинарного цифрового синтезатора частот

HMC704LP4E с дробным коэффициентом деления (Fractional-N) (рис.9).

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 изготав ливается 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 Rмин = 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.10. На рис. 11 на одном графике изображены результаты измерений уровня спектральной плотности мощности фазовых шумов выходного сигнала (fвых = 3 ГГц) синтезатора частот с дробным (fЧФД =3,3 МГц) и целочисленным (fЧФД = 70 МГц) делителем частоты.

   При проведении измерений в качестве микросхемы ФАПЧ в СЧ была взята интегральная схема HMC700lp4e от фирмы-производителя Hittite. На рис. 12 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 1.

   Фазовые шумы выходного сигнала синтезатора частот c ФАПЧ

распределены следующим образом - рис.

        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.

Рис. 9.Функциональная блок-схема ИС HMC704LP4E

Рис. 11. Структурная схема синтезатора Fraction-N PLL

Рис. 12 . Результаты измерений уровня спектральной плотности мощности фазовых шумов выходного сигнала при введении целочисленного 1 и дробного 2 коэффициента деления (измерения проведены с точностью ±2 дБ при помощи анализатора источников сигналов Agilent E5052B)

Мы поможем в написании ваших работ!