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8-2012

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HF-Praxis 8/2012

Design Bild 3:

Design Bild 3: Referenzspurs an einem 2100-MHz-LO-Signal mit einem fPFD von 1 MHz, generiert mit dem PLL-IC LTC6945 von Linear Technology zusammen mit dem VCO UMX-586-D16-G von RFMD der Schleifenbandbreite (loop bandwidth = LBW) der PLL festgelegt. Idealerweise folgt das Phasenrauschen des LO dem der Referenz, die auf die LO-Frequenz bis zur LBW hoch umgesetzt wird (d.h. multipliziert mit N/R) und anschließend folgt das Phasenrauschen des VCO. Das vom PLL- IC eingebrachte Rauschen erhöht das Phasenrauschen im Übergangsbereich. Bild 2 ist der Plot eines vom PLLWizard generierten Phasenrauschens, einem kostenfreien PLL-Entwicklungs- und Simulationswerkzeugs von Linear Technology. Der Ausdruck zeigt sowohl das gesamte Ausgangsrauschen (Total) als auch die einzelnen Rauschanteile am Ausgang auf Grund der Referenz (REF @ RF) und des VCO (VCO @ RF). Der Beitrag zum Rauschen durch das IC ist einfach im hervorgehobenen Bereich (Ellipse) zu erkennen. Störungen Alle in Bild 1 dargestellten unerwünschten Signale auf der Stromversorgung (V_OXCO, V_CP und V_VCO) können sich als Störungen (Spitzen) am LO-Signal auswirken. Das sorgfältige Design dieser Stromversorgungen reduziert diese Spitzen deutlich oder eliminiert sie sogar ganz. Spannungsspitzen aus der Ladungspumpe sind jedoch unvermeidlich. Sie können aber durch eine sorgfältige Entwicklung des PLL-Systems reduziert werden. Diese Spannungsspitzen (spurs) werden allgemein als Referenzspitzen bezeichnet, obwohl Referenz hier nicht die Referenztaktfrequenz bedeutet. Vielmehr bezieht sie sich auf f PFD . Ein von einer Integer-N-PLL erzeugtes LO-Signal hat zweifache Seitenband-Spurs bei f PFD und seinen Harmonischen. Bild 3 zeigt das Spektrum eines 2,1-GHz- LO-Signals. f PFD ist 1 MHz (N = 2100) und der Referenztakt ist 10 MHz (R = 10). Die Schleifenbandbreite beträgt 40 kHz. Als Nebenbemerkung ist es Wert anzumerken, dass der in dieser Messung erreichte Störpegel hervorragend ist, wegen der hohen Leistungsfähigkeit des LTC6945, einem extrem rausch- und störungsarmen PLL-IC von Linear Technology. Ursachen der Referenzspurs Im eingeschwungenen Zustand ist die PLL verriegelt und, theoretisch, gibt es keine Notwendigkeit die Stromquellen ICP_UP und ICP_DN aus Bild 1 während jedes PFD-Arbeitstaktes zu benutzen. Dies würde jedoch eine „tote Zone“ im Regelkreisverhalten ergeben, da es einen signifikanten Abfall in der Kleinsignal-Kreisverstärkung (praktisch ein offener Regelkreis) gibt. Diese Totzone wird eliminiert, indem ICP_UP und ICP_DN „gezwungen“ werden, extrem schmale Pulse während jedes PDF-Zyklus zu produzieren. Diese werden allgemein als „Anti-Rückwirkungs-Pulse“ (anti-backlash pulse) bezeichnet. Dies generiert Energie an der Abgleichleitung des VCO bei f PFD und seinen Harmonischen. Die negative Rückkopplung kann diesen Pulsen nicht entgegenwirken, da sich diese Frequenzen außerhalb der Schleifenbandbreite einer sorgfältig entwickelten PLL befinden. Der VCO wird dann durch diesen Energieinhalt frequenzmoduliert (FM) und entsprechende Spannungsspitzen erscheinen bei f PFD und seinen Harmonischen mit LO als Mittenfrequenz. Zwischen den Anti-Rückkoppelpulsen sind die Stromquellen der Ladungspumpe ausgeschaltet (tri-state). Die Ladungspumpe hat jedoch immer etwas Leckstrom, wenn sie sich im Tri-State befindet. Der Einsatz eines OPV (Operationsverstärker) in einem aktiven Schleifenfilter (wie in Bild 7 gezeigt) bringt wegen der Eingangs-Biasund Offsetströme des Operationsverstärkers noch eine weitere Leckstromquelle hinzu. Die Aufsummierung dieser unerwünschten Ströme, ob als Quelle oder Senke, verursachen eine Drift in der Spannung am Schleifenfilter und folglich in der Abgleichspannung des VCO. Die negative Rückkopplung der Schleife korrigiert diese Anomalie, indem sie einen unipolaren Stromimpuls aus der Ladungspumpe einmal während jedes PFD-Zyklus einbringt, so dass die durchschnittliche Spannung an der Abgleichleitung die korrekte Frequenz aus dem VCO produziert. Diese Pulse erzeugen Energie an fPFD was wiederum Spurs hervorruft, die zentrisch um LO und versetzt bei fPFD und seinen Harmonischen auftreten, wie bereits erwähnt. In Integer-N-PLLs ist f PFD häufig relativ klein gewählt, wegen der Anforderungen an die Größe der Frequenzschritte des Systems. Dies bedeutet, dass die Pulsbreite der Anti- Rückwirkungs-Puls, besonders bei den heutigen schnellen IC-Technologien, extrem schmal, verglichen mit der PFD-Periode ist. Deshalb verursacht ein großer Leckstrom die unipolare Gesamtpulse der Ladungspumpe und diese tendieren dazu, die Hauptursache von Referenzspurs zu sein. Dieses Phänomen wird noch genauer untersucht. Auswirkungen der Referenzspurs auf die Systemleistung In einem speziellen Kommunikationsfrequenzband gibt es mehrere Kanäle, die gleiche Bandbreiten belegen. Der Frequenzabstand von Mitte zu Mitte zwischen zwei benachbarten Kanälen ist bei allen Kanälen gleich und wird als Kanalabstand bezeichnet. Auf Grund verschiedener Faktoren findet man häufig große Variationen in der Signalstärke zwischen zwei benachbarten Kanälen. Ein typisches Szenario in einem Mehrkanal- Kommunikationssystem für die drahtlose Kommunikation, bei dem ein starker Kanal neben dem gewünschten aber schwächeren Kanal existiert, ist in Bild 4 gezeigt. Nur eine der LO-Referenzspurs von Bedeutung ist dargestellt. In einer Integer-N-PLL wird f PFD häufig gleich groß wie der Kanalabstand gewählt, was bedeutet, dass die Referenzspurs beim Kanalabstand vom LO positioniert sind. Diese Spitzen überführen alle benachbarten und nahe gelegenen Kanäle auf die Mittenfrequenz der Zwischenfrequenz 22 hf-praxis 8/2012

Design Strompuls abgibt. Die Rückkopplung zwingt die durchschnittliche Spannung an V_Tune (V_Tune_Avg) konstant zu bleiben, was die korrekte LO-Frequenz beibehält. Bild 6 stellt dies anschaulich dar. Die Herkunft der resultierten Spurs bedingt einige Kenntnis der Anforderungen an die Schleifenstabilität, wobei die erste die LBW- Einschränkungen sind. Die LBW eines PLL- Systems ist so entwickelt, dass sie mindestens zehnmal kleiner als f PFD ist, Dies bedeutet, dass die Periode von PFD Bild 4: Darstellung der Störung vom Nachbarkanal auf Grund von Referenzspurs. ist. Um eine stabile Schleife mit viel Phasenmarge zu kreieren, ist eine Nullstelle, bestehend aus RZ und CI in Bild 5, bei ungefähr einem Drittel von LBW in die Schleife eingefügt. Das ist (f IF ) und mischen den LO des gewünschten Kanals auf dieselbe Frequenz. Diese unerwünschten Kanäle sind unkorreliert zum Signal im gewünschten Kanal, erscheinen als ein angehobener Rauschteppich am gewünschten Signal und limitieren den Signal-/Rauschabstand. Beziehung zwischen Leckstrom und Größe der Referenzspurs Die mathematische Abschätzung des Phasenrauschens eines PLL-ICs ist relativ unkompliziert und kann durch Berechnung exakt bestimmt werden. Die Abschätzung der Höhe der Referenzspurs wird traditionell als sehr komplex betrachtet. Dieser Abschnitt leitet eine Methode her, um diese Referenzspurs aufgrund von Leckströmen mit einfachen Berechnungen exakt vorherzusagen. Zwei Beispiele, die unterschiedliche Schleifenfilter verwenden, werden dazu beschrieben. Beispiel: Passives Schleifenfilter Ein PLL-System mit einem typischen passiven Filter ist in Bild 5 dargestellt, zusammen mit einer als I_Leakage bezeichneten Stromquelle, um den Leckstrom der Ladungspumpe zu repräsentieren. Nimmt man an, die PLL ist verriegelt, reduziert I_ Leakage die Ladung, die von Cp während der Zeit gehalten wird, in der die Ladungspumpe ausgeschaltet ist. Wenn die Ladungspumpe einmal in jedem PFD-Zyklus einschaltet, füllt ICP_UP die vom Cp verlorene Ladung wieder auf, indem sie einen kurzen Bild 5: Ein PLL-System mit passivem Schleifenfilter und I_Leakage, die den Leckstrom der Ladungspumpe repräsentiert Bild 6: Cp wird durch I_Leakage entladen und über ICP_UP in jedem PFD-Zyklus wieder aufgeladen hf-praxis 8/2012 23

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