eng
Рассмотрен сложно-функциональный блок синтезатора частот, который предназначен для применения в составе микросхем, разрабатываемых на основе базовых кристаллов серии 5521. Описана его структура, особенности отдельных функциональных блоков.
DOI:10.22184/1993-8578.2017.71.1.42.49
DOI:10.22184/1993-8578.2017.71.1.42.49
Теги: cф-блок frequency synthesizer gate array ip core phase-locked loop базовый кристалл синтезатор частот фазовая автоподстройка частоты
Внастоящее время при разработке отечественных систем высокоскоростной обработки информации востребованной становится современная отечественная электронная компонентная база, включающая в себя как цифровые, так и аналоговые сложно-функциональные блоки (СФ-блоки), в том числе синтезаторы частот [1, 2]. Диапазон выходных рабочих частот синтезаторов в таких устройствах может составлять от десятков МГц до нескольких ГГц.
Разработкой СФ-блоков синтезаторов частот на основе автоподстройки частоты (ФАПЧ) для систем на кристалле в России занимаются такие компании, как "Модуль-В", "Микрон", НПЦ "ЭЛВИС" и др. В НПК "Технологический центр" выполняются разработки радиационно-стойких специализированных СБИС на основе базовых кристаллов (БК) серии 5521. Из-за конструктивно-технологических особенностей данной серии БК использование наработанных СФ-блоков синтезаторов частот сторонних компаний в готовом виде оказывается затруднительным. Поэтому возникла необходимость разработки СФ-блока синтезатора частот специально для БК серии 5521 [3, 4].
Для синтеза частот наиболее часто используются методы прямого и косвенного (активного) синтеза. В первом случае выходная частота формируется посредством операций смешения, умножения / деления, фильтрации опорной частоты, во втором осуществляется косвенный синтез, когда выходная частота формируется без нелинейных преобразований с помощью перестраиваемого генератора. Основными преимуществами прямых методов являются быстрота и малый шаг перестройки частоты. В качестве преимуществ косвенных методов можно выделить низкий уровень побочных спектральных составляющих и более простую реализацию по сравнению с прямым синтезом.
В разработанном синтезаторе частот (СЧ) применена классическая схема ФАПЧ. Из многообразия систем на основе ФАПЧ выбрана однокольцевая импульсная структура с одним перестраиваемым генератором. Обобщенная структурная схема СЧ представлена на рис.1.
В состав синтезатора частот входят: внешний опорный генератор (ОГ); предделитель с фиксированным коэффициентом деления (ПДФКД); фазово-частотный детектор (ФЧД); зарядовая помпа (ЗП); пассивный фильтр низких частот (ФНЧ); генератор, управляемый напряжением (ГУН); делитель с переменным коэффициентом деления в цепи обратной связи (ДПКД).
ОГ является источником опорной частоты f0 и строится на основе внешнего температурно-компенсированного кварцевого генератора. Стабильность выходной частоты синтезатора частот fвых во многом определяется стабильностью частоты f0.
Основное предназначение предделителя – определение допустимого диапазона частот опорного генератора. Для описываемого СФ-блока f0 может принимать значения от 4 до 6 МГц. ПДФКД принимает частоту f0 от ОГ и делит ее на фиксированный коэффициент "4" (f1 = f0/4), то есть частота f1 с выхода предделителя принимает значения от 1 до 1,5 МГц. Имеется альтернативный вариант диапазона частот f0 от 1 до 1,5 МГц, при котором предделитель не используется.
ФЧД является цифровым дискриминатором. На один вход ФЧД подается сигнал с частотой f1, а на второй – с частотой fд. Информация о рассогласовании фаз между f1 и fд представляется в виде импульсов vФЧД, длительность которых пропорциональна величине фазовой ошибки.
ЗП имеет токовый выход и преобразует сигналы фазовой ошибки в последовательность импульсов тока iЗП различной направленности, пропорциональных фазовой ошибке vФЧД.
ФНЧ является петлевым фильтром и служит интегратором импульсов тока iЗП от схемы зарядовой помпы.
ГУН – перестраиваемый генератор. Частота сигнала fг на его выходе зависит от уровня сигнала vФНЧ на управляющем входе.
ДПКД формирует частоту fд путем деления частоты fг на целочисленный коэффициент N, устанавливаемый на внешних выводах MOD[5 : 0] синтезатора. Частота fд поступает затем в качестве обратной связи на один из входов ФЧД для определения разбаланса фаз сигналов f1 и fд. Блок ДПКД в связке с ГУН формирует частоту fд так, чтобы в процессе функционирования ФАПЧ она стала равной опорной частоте f1. Шаг изменения выходной частоты fвых равен величине частоты f1.
Смена коэффициента деления N при неизменной опорной частоте f0 приводит к смене частот fг, fд, и fвых. Важным параметром синтезатора частот является время установления частоты fвых при смене коэффициента N. В современных устройствах время установления выходного сигнала СЧ составляет от 20 до 50 мкс [5, 6]. Малый шаг перестройки между соседними значениями частоты fвых требует наличия на входе СЧ низкой опорной частоты f1. Однако, это приводит к необходимости увеличения коэффициента N и пропорциональному возрастанию спектральной плотности фазового шума.
Для снижения уровня спектральной плотности фазовых шумов блок ДПКД разделен на два счетчика A и B с перестраиваемыми коэффициентами деления. Такое решение позволило реализовать в СЧ подстройки полосы пропускания петли обратной связи, при которой время установления выходного сигнала fвых не превышает 50 мкс.
В основе разработанного СФ-блока СЧ лежит линеаризованная математическая модель (рис.2) схемы синтезатора частот (n+1)-го порядка на основе ФАПЧ с ФНЧ n-го порядка. Для данной математической модели передаточная функция T(s) замкнутой цепи СЧ [7] имеет вид:
form01.ai
где G(s) – передаточная функция прямой цепи, H(s) – передаточная функция обратной цепи, θг(s) – выходная фаза, θ0(s) – входная опорная фаза, KФЧД – коэффициент передачи дискриминатора, ZПФ(s) – импеданс петлевого фильтра, KГУН – крутизна перестроечной характеристики ГУН, s – комплексная переменная, N – коэффициент деления частоты ДПКД.
Построение и анализ линеаризованной математической модели, подстановка в нее соответствующих параметров отдельных блоков позволили в системе с обратной связью достичь значения запаса по фазе около 50 градусов, относительно малого времени переходных процессов в СЧ и установления частоты fвых.
В ФЧД (рис.3) происходит суммирование сигнала f1 с входной фазой θ0 с сигналом обратной связи fд с фазой θДПКД и умножение разницы фаз на коэффициент KГУН. Схема ФЧД построена на динамических однофазных синхронных триггерах, что позволяет повысить быстродействие детектора и уменьшить время установления управляющего напряжения ГУН.
При функционировании ЗП логические уровни на входах UP и DN управляют процессом интегрирования тока iЗП на ФНЧ. Помпа имеет оригинальное исполнение, содержит два источника тока с выравниванием значений токов на основе усилителя ошибки на операционном усилителе и блоки предзаряда для уменьшения эффектов проброса остаточного заряда при переключении источников тока. Если источники тока помпы отключены, то выход OUT находится в высокоимпедансном состоянии, что обеспечивает хранение достигнутого уровня напряжения управляющего сигнала vФНЧ. ЗП обладает увеличенным диапазоном выходного рабочего напряжения за счет использования низковольтного токового зеркала, обладает пониженными токами утечек, что уменьшает уровень побочных компонентов в спектре fвых.
ФНЧ (петлевой фильтр) реализован в виде интегрирующей цепочки 3-го порядка [8]. Он определяет динамические характеристики СЧ и добавляет на фазово-частотной характеристике дополнительные полюса и нули. ФНЧ осуществляет подавление дискретных побочных составляющих (ДПСС) формируемых ЗП и от блока ГУН в спектре выходного сигнала. Импеданс фильтра третьего порядка определяется выражением в операторной биномиальной форме:
form02.ai
.
Путем замены переменной импеданса в передаточной функции замкнутой цепи СЧ с ФАПЧ определяется собственная частота джиттера ФАПЧ, то есть колебания, возникающие при R2 = 0 и R3 = 0. Частота джиттера уменьшается с увеличением номиналов конденсаторов ФНЧ и снижением рабочего тока ЗП.
ГУН реализован с использованием дифференциальных элементов задержки (рис.4), которые обладают лучшими шумовыми характеристиками на частотах до 1 ГГц по сравнению с синфазными элементами. Особое внимание при разработке уделялось таким параметрами ГУН, как линейность передаточной характеристики, диапазон перестройки частоты и потребляемая мощность (рис.5).
СФ-блок синтезатора частоты имеет регистр MOD[5 : 0] установки коэффициента N = A*B и вывод PLL_MOD отключения петли ФАПЧ СЧ. Синтезатор может работать в трех режимах:
при N ≥ 1 и PLL_MOD = 1 частота выходного сигнала (рис.6) FВЫХ = FВХ ∙ A / M, где FВХ – входная частота, M – коэффициент деления ПДФКД, A – коэффициент деления счетчика А, входящего в состав ДПКД;
при N = 0 и PLL_MOD =1 включена петля ФАПЧ, и частота выходного сигнала FВЫХ = FВХ;
при PLL_MOD=0 отключена петля ФАПЧ, и частота выходного сигнала FВЫХ = FВХ.
Общий вид топологии разработанного СФ-блока СЧ представлен на рис.7.
СФ-блок синтезатора частот реализован на БК серии 5521 с технологическими нормами 0,18 мкм [9] и имеет характеристики, представленные в таблице.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI58015X0005.
ЛИТЕРАТУРА
Behzad Razavi. Monolithic Phase-Locked Loops and Clock Recovery Circuits: Theory and Design. Wiley IEEE Press. December 4, 2008.
Best R. E. Phase-Locked Loops. Design, Simulation, and Applications. McGraw Hill, 2003.
Денисов А.Н., Коняхин В.В., Якунин А.Н.,
Бец В.П. Разработка аппаратуры космического применения с использованием базовых матричных кристаллов // Вестник НПО им. С.А.Лавочкина. 2012. № 5. С. 67–73.
Гаврилов С.В. Денисов А.Н. Коняхин В.В., Малашевич Н.И. Федоров Р.А. Семейство серии базовых матричных кристаллов // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2015. Т. 20. № 5. С. 497–504.
Pozar D.M. Microwave and RF Wireless Systems. Wiley. 2000.
Calhoun B.H., Cao Y. Digital Circuit Design Challenges and Opportunities in the Era of Nanoscale CMOS // In Proceeding of the IEEE. 2008. V. 96. № 2. URL: http://www.ece.cmu.edu/~rutenbar/pdf/rutenbarprocieee08.pdf
Peiqing Zhu. Design and characterization of phase locked loops for radiation-tolerant applications. PhD Dissertation. Department of Electrical Engineering, Southern Methodist University. Dallas, TX. 2008.
Keese W.O. An Analysis and Performance Evaluation of a Passive Filter Design Technique for Charge Pump Phase-Locked Loops. National Semiconductor Application Note 1001. May 1996.
Коняхин В.В., Денисов А.Н., Федоров Р.А., Вильсон А.Л., Бражников С.С., Коновалов В.С., Малашевич Н.И., Росляков А.С. Микросхемы для аппаратуры космического назначения : Практич. пос. / Под. общ. ред. А.Н. Саурова. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 388 с.
Разработкой СФ-блоков синтезаторов частот на основе автоподстройки частоты (ФАПЧ) для систем на кристалле в России занимаются такие компании, как "Модуль-В", "Микрон", НПЦ "ЭЛВИС" и др. В НПК "Технологический центр" выполняются разработки радиационно-стойких специализированных СБИС на основе базовых кристаллов (БК) серии 5521. Из-за конструктивно-технологических особенностей данной серии БК использование наработанных СФ-блоков синтезаторов частот сторонних компаний в готовом виде оказывается затруднительным. Поэтому возникла необходимость разработки СФ-блока синтезатора частот специально для БК серии 5521 [3, 4].
Для синтеза частот наиболее часто используются методы прямого и косвенного (активного) синтеза. В первом случае выходная частота формируется посредством операций смешения, умножения / деления, фильтрации опорной частоты, во втором осуществляется косвенный синтез, когда выходная частота формируется без нелинейных преобразований с помощью перестраиваемого генератора. Основными преимуществами прямых методов являются быстрота и малый шаг перестройки частоты. В качестве преимуществ косвенных методов можно выделить низкий уровень побочных спектральных составляющих и более простую реализацию по сравнению с прямым синтезом.
В разработанном синтезаторе частот (СЧ) применена классическая схема ФАПЧ. Из многообразия систем на основе ФАПЧ выбрана однокольцевая импульсная структура с одним перестраиваемым генератором. Обобщенная структурная схема СЧ представлена на рис.1.
В состав синтезатора частот входят: внешний опорный генератор (ОГ); предделитель с фиксированным коэффициентом деления (ПДФКД); фазово-частотный детектор (ФЧД); зарядовая помпа (ЗП); пассивный фильтр низких частот (ФНЧ); генератор, управляемый напряжением (ГУН); делитель с переменным коэффициентом деления в цепи обратной связи (ДПКД).
ОГ является источником опорной частоты f0 и строится на основе внешнего температурно-компенсированного кварцевого генератора. Стабильность выходной частоты синтезатора частот fвых во многом определяется стабильностью частоты f0.
Основное предназначение предделителя – определение допустимого диапазона частот опорного генератора. Для описываемого СФ-блока f0 может принимать значения от 4 до 6 МГц. ПДФКД принимает частоту f0 от ОГ и делит ее на фиксированный коэффициент "4" (f1 = f0/4), то есть частота f1 с выхода предделителя принимает значения от 1 до 1,5 МГц. Имеется альтернативный вариант диапазона частот f0 от 1 до 1,5 МГц, при котором предделитель не используется.
ФЧД является цифровым дискриминатором. На один вход ФЧД подается сигнал с частотой f1, а на второй – с частотой fд. Информация о рассогласовании фаз между f1 и fд представляется в виде импульсов vФЧД, длительность которых пропорциональна величине фазовой ошибки.
ЗП имеет токовый выход и преобразует сигналы фазовой ошибки в последовательность импульсов тока iЗП различной направленности, пропорциональных фазовой ошибке vФЧД.
ФНЧ является петлевым фильтром и служит интегратором импульсов тока iЗП от схемы зарядовой помпы.
ГУН – перестраиваемый генератор. Частота сигнала fг на его выходе зависит от уровня сигнала vФНЧ на управляющем входе.
ДПКД формирует частоту fд путем деления частоты fг на целочисленный коэффициент N, устанавливаемый на внешних выводах MOD[5 : 0] синтезатора. Частота fд поступает затем в качестве обратной связи на один из входов ФЧД для определения разбаланса фаз сигналов f1 и fд. Блок ДПКД в связке с ГУН формирует частоту fд так, чтобы в процессе функционирования ФАПЧ она стала равной опорной частоте f1. Шаг изменения выходной частоты fвых равен величине частоты f1.
Смена коэффициента деления N при неизменной опорной частоте f0 приводит к смене частот fг, fд, и fвых. Важным параметром синтезатора частот является время установления частоты fвых при смене коэффициента N. В современных устройствах время установления выходного сигнала СЧ составляет от 20 до 50 мкс [5, 6]. Малый шаг перестройки между соседними значениями частоты fвых требует наличия на входе СЧ низкой опорной частоты f1. Однако, это приводит к необходимости увеличения коэффициента N и пропорциональному возрастанию спектральной плотности фазового шума.
Для снижения уровня спектральной плотности фазовых шумов блок ДПКД разделен на два счетчика A и B с перестраиваемыми коэффициентами деления. Такое решение позволило реализовать в СЧ подстройки полосы пропускания петли обратной связи, при которой время установления выходного сигнала fвых не превышает 50 мкс.
В основе разработанного СФ-блока СЧ лежит линеаризованная математическая модель (рис.2) схемы синтезатора частот (n+1)-го порядка на основе ФАПЧ с ФНЧ n-го порядка. Для данной математической модели передаточная функция T(s) замкнутой цепи СЧ [7] имеет вид:
form01.ai
где G(s) – передаточная функция прямой цепи, H(s) – передаточная функция обратной цепи, θг(s) – выходная фаза, θ0(s) – входная опорная фаза, KФЧД – коэффициент передачи дискриминатора, ZПФ(s) – импеданс петлевого фильтра, KГУН – крутизна перестроечной характеристики ГУН, s – комплексная переменная, N – коэффициент деления частоты ДПКД.
Построение и анализ линеаризованной математической модели, подстановка в нее соответствующих параметров отдельных блоков позволили в системе с обратной связью достичь значения запаса по фазе около 50 градусов, относительно малого времени переходных процессов в СЧ и установления частоты fвых.
В ФЧД (рис.3) происходит суммирование сигнала f1 с входной фазой θ0 с сигналом обратной связи fд с фазой θДПКД и умножение разницы фаз на коэффициент KГУН. Схема ФЧД построена на динамических однофазных синхронных триггерах, что позволяет повысить быстродействие детектора и уменьшить время установления управляющего напряжения ГУН.
При функционировании ЗП логические уровни на входах UP и DN управляют процессом интегрирования тока iЗП на ФНЧ. Помпа имеет оригинальное исполнение, содержит два источника тока с выравниванием значений токов на основе усилителя ошибки на операционном усилителе и блоки предзаряда для уменьшения эффектов проброса остаточного заряда при переключении источников тока. Если источники тока помпы отключены, то выход OUT находится в высокоимпедансном состоянии, что обеспечивает хранение достигнутого уровня напряжения управляющего сигнала vФНЧ. ЗП обладает увеличенным диапазоном выходного рабочего напряжения за счет использования низковольтного токового зеркала, обладает пониженными токами утечек, что уменьшает уровень побочных компонентов в спектре fвых.
ФНЧ (петлевой фильтр) реализован в виде интегрирующей цепочки 3-го порядка [8]. Он определяет динамические характеристики СЧ и добавляет на фазово-частотной характеристике дополнительные полюса и нули. ФНЧ осуществляет подавление дискретных побочных составляющих (ДПСС) формируемых ЗП и от блока ГУН в спектре выходного сигнала. Импеданс фильтра третьего порядка определяется выражением в операторной биномиальной форме:
form02.ai
.
Путем замены переменной импеданса в передаточной функции замкнутой цепи СЧ с ФАПЧ определяется собственная частота джиттера ФАПЧ, то есть колебания, возникающие при R2 = 0 и R3 = 0. Частота джиттера уменьшается с увеличением номиналов конденсаторов ФНЧ и снижением рабочего тока ЗП.
ГУН реализован с использованием дифференциальных элементов задержки (рис.4), которые обладают лучшими шумовыми характеристиками на частотах до 1 ГГц по сравнению с синфазными элементами. Особое внимание при разработке уделялось таким параметрами ГУН, как линейность передаточной характеристики, диапазон перестройки частоты и потребляемая мощность (рис.5).
СФ-блок синтезатора частоты имеет регистр MOD[5 : 0] установки коэффициента N = A*B и вывод PLL_MOD отключения петли ФАПЧ СЧ. Синтезатор может работать в трех режимах:
при N ≥ 1 и PLL_MOD = 1 частота выходного сигнала (рис.6) FВЫХ = FВХ ∙ A / M, где FВХ – входная частота, M – коэффициент деления ПДФКД, A – коэффициент деления счетчика А, входящего в состав ДПКД;
при N = 0 и PLL_MOD =1 включена петля ФАПЧ, и частота выходного сигнала FВЫХ = FВХ;
при PLL_MOD=0 отключена петля ФАПЧ, и частота выходного сигнала FВЫХ = FВХ.
Общий вид топологии разработанного СФ-блока СЧ представлен на рис.7.
СФ-блок синтезатора частот реализован на БК серии 5521 с технологическими нормами 0,18 мкм [9] и имеет характеристики, представленные в таблице.
Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки России. Уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI58015X0005.
ЛИТЕРАТУРА
Behzad Razavi. Monolithic Phase-Locked Loops and Clock Recovery Circuits: Theory and Design. Wiley IEEE Press. December 4, 2008.
Best R. E. Phase-Locked Loops. Design, Simulation, and Applications. McGraw Hill, 2003.
Денисов А.Н., Коняхин В.В., Якунин А.Н.,
Бец В.П. Разработка аппаратуры космического применения с использованием базовых матричных кристаллов // Вестник НПО им. С.А.Лавочкина. 2012. № 5. С. 67–73.
Гаврилов С.В. Денисов А.Н. Коняхин В.В., Малашевич Н.И. Федоров Р.А. Семейство серии базовых матричных кристаллов // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2015. Т. 20. № 5. С. 497–504.
Pozar D.M. Microwave and RF Wireless Systems. Wiley. 2000.
Calhoun B.H., Cao Y. Digital Circuit Design Challenges and Opportunities in the Era of Nanoscale CMOS // In Proceeding of the IEEE. 2008. V. 96. № 2. URL: http://www.ece.cmu.edu/~rutenbar/pdf/rutenbarprocieee08.pdf
Peiqing Zhu. Design and characterization of phase locked loops for radiation-tolerant applications. PhD Dissertation. Department of Electrical Engineering, Southern Methodist University. Dallas, TX. 2008.
Keese W.O. An Analysis and Performance Evaluation of a Passive Filter Design Technique for Charge Pump Phase-Locked Loops. National Semiconductor Application Note 1001. May 1996.
Коняхин В.В., Денисов А.Н., Федоров Р.А., Вильсон А.Л., Бражников С.С., Коновалов В.С., Малашевич Н.И., Росляков А.С. Микросхемы для аппаратуры космического назначения : Практич. пос. / Под. общ. ред. А.Н. Саурова. – М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 388 с.
Отзывы читателей
