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8-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik erfolgt dies

Messtechnik erfolgt dies sinngemäß, aber mit wesentlich geringerer Auswirkung. Die Hauptinterferenzen erscheinen wenn f PFD • F < BW oder f PFD • (1 - F) < BW ist. In den meisten Situationen, bei sorgfältiger Wahl von f REF , und möglicherweise Nutzung von mehr als einer f PFD und/oder f REF , kann der Systemdesigner diese Interferenzen vermeiden, da deren Position ja bekannt ist. In den meisten Applikationen sind diese Interferenzpegel beim LTC6948 so gering, dass sie unter dem integrierten Kanalrauschen liegen (maximal -60 dBc im Beispiel in Bild 6). Ein Zweiseitenrauschen von -40 bis -50 dBc ist ein guter Wert, d.h. Interferenzen von -60 dBc sind mindestens 10 dB unter dem Kanalrauschen und beeinflussen die Gesamtsystemleistung nicht. D i e r e d u z i e r t e n I B S i m LTC 6948, selbst ungefiltert innerhalb der Regelschleifenbandbreite, bringen dem Bauteil gegenüber anderen Fractional-N- PLLs Vorteile, da dort die IBS die Kanalenergie oft dominiert. Keine Fraktionalisierungs-Interferenzen Der LTC6948 zeigt keine vorhersehbaren Fraktionalisierungs- Interferenzen, wie die meisten anderen Fraktional-N-Bauteile, sie sind problemlos in dieser Beziehung. Delta-Sigma-Rauschen Der LTC6948 enthält eine intelligente Rauschformungs-Technik zur Minimierung der In-Band- Rauschverteilung im Modulator. Sie erhöht den normalisierten In- Band Phasenrauschflur, L M(NORM) , von -225 dBc/Hz im Fraktional-N-Mode. Das entspricht dem Wert von -226 dBc/Hz im Integer-N-Mode. Damit erreicht der LTC6948 Spitzenwerte bei PLLs. Einfaches Design Die Radarapplikation zeigt, wie einfach es ist, die FracN- Wizard-Software einzusetzen. Der LTC6948 verwendet nicht unzählige Ansätze, sondern Bild 11: FracNWizard-Simulationsergebnisse für f LO = 6,236 GHz einen einfachen Designprozess. Alle LTC6948-Spezifikationen sind dabei gut zugänglich. VCO-Kalibrationszeit Der LTC6948 nutzt mehrere interne VCO-Sub-Bänder, um den gesamten Ausgangsfrequenzbereich zu erzielen. Bei jedem Einschalten des LTC6948 und jedem Frequenzwechsel muss dies dem IC mitgeteilt werden, um einen internen Suchalgorithmus auszulösen, der das korrekte VCO-Sub-Band auswählt. Die VCO-Kalibrationszeit sollte für eine kurze PLL-Einrastzeit gering sein. So profitieren z.B. Frequenzhopping-Applikationen von kurzen Einrastzeiten. Der LTC6948 führt eine komplette VCO-Kalibration in nur 10 µs aus (Bild 7), das ist eine Größenordnung besser als bei vergleichbaren ICs. 1/f-Rauschen Der Referenztakt ist oft die teuerste Komponente im System. Eine richtige und sorgfältige Auswahl des PLL-ICs vermeidet die Verschlechterung des nahen Phasenrauschens, idealerweise dominiert vom Referenztakt. Das 1/f- oder Flicker-Rauschen eines PLL-ICs wird oft übersehen; es ist eine wichtige Spezifikation, die das nahe Phasenrauschen verschlechtert und auch einen negativen Effekt auf das In- Band-Phasenrauschen hat. Bild 8 zeigt, wie das 1/f-Rauschen das In-Band-Phasenrauschen verschlechtert. Im Bild geht man von einem normalisierten In- Band-Phasenrauschflur von -225 dBc/Hz aus. Bild 8 zeigt den starken Einfluss des 1/f-Rauschens auf den In-Band-Phasenrauschflur. Selbst wenn bei einem PLL-IC behauptet wird, dass ein repräsentabler, normalisierter In- Band-Phasenrauschflur vorliegt (auch Figure of merit genannt), ist es wahrscheinlich, dass einige Bauteile beim 1/f-Rauschen schwächeln, was die In- Band-Phasenrauschspezifikation verschlechtert. Der LTC6948 bietet mit -274 dBc/Hz eine eindrucksvolle normalisierte In-Band 1/f-Rauschspezifikation (normalisiert in Beziehung auf ein 1-Hz-Offset von f LO ), welches äquivalent ist zu einem -134 dBc/Hz Phasenrauschpegel bei einem 100-MHz-Referenztakt und einem Offset von 100 Hz. Das würde die besten 100-MHz-Quarzoszillatoren auf dem Markt herausfordern. Die nachfolgende Formel zeigt wie man den normalisierten 1/f-Wert (L 1/f ) in den Offset- Phasenrauschwert umwandelt, L OUT(1/f) (f OFFSET ), Offset bei einem f OFFSET von einer bestimmten f LO . L OUT(1/f)( f OFFSET) = L 1/f +20 ∙ log 10 (f LO ) - 10 ∙ log 10 (f OFFSET ) Designbeispiel: Doppler-Radar Doppler-Radar-Applikationen zeigen, warum die 1/f-Rauschperformance kritisch sein kann. Doppler-Radar beruht auf der Erkennung kleiner Frequenzänderungen bei Frequenzen, die von einem bewegten Objekt reflektiert werden. Diese Fre- 16 hf-praxis 8/2015

Messtechnik Designen einer PLL Man lädt FracNWizard von www.linear.com/ FracNWizard herunter und installiert ihn. Im gezeigten Beispieldesign geht man von einem 100-MHz-Referenztakt aus - hier wird der DC1216A-D von Linear Technology eingesetzt. Mit FracNWizard (Bild 9) wird der LTC6948-4 ausgewählt, dann werden die Designziele angegeben und die weiteren Komponenten für das Design ausgewählt. Bild 12: f LO = 6,236 GHz gemessen am Ausgang des LTC6948-4 quenz- oder Dopplershift einer reflektierten elektromagnetischen Welle f D , zu einer ausgesendeten Frequenz, f LO , ist wie folgt abhängig von der Geschwindigkeit des bewegten Objekts v und der Lichtgeschwindigkeit: f 0 = 2 ∙ v ∙ f LO /c Doppler-Radar-Applikationen schließen die langsame Bewegung von Objekten in Überwachungsapplikationen ein. Ein moderat bewegtes Objekt mit 10 mph erzeugt eine f D von nur 186 Hz (mit c = 671 ∙ 10 6 mph) bei einer f LO von 6,236 GHz. Wie Bild 8 zeigt, ermöglicht die 1/f-Rauschperformance des LTC6948 den erforderlichen Dynamikbereich bei einem 186-Hz-Offset, was die Chance erhöht, ein mit 10 mph bewegtes Objekt zu erkennen. Da das reflektierte Signal stark gedämpft ist, ist ein ausreichender Dynamikbereich im Radarempfänger wichtig für die brauchbare Signalentschlüsselung. Auch die Erkennung von wesentlich schneller bewegten Objekten profitiert von einem geringem 1/f-Rauschen und dem guten In- Band-Phasenrauschflur des LTC6948. Ein 200 mph schnelles Objekt erzeugt eine f D von 3,72 kHz bei einer f LO von 6,236 GHz. Bild 8 belegt, das ein Radarsystem mit dem LTC6948 den bestmöglichen Dynamikbereich bei 3,72 kHz Offset bietet. Der LTC6948 erfüllt – wie gezeigt – die Anforderungen von Doppler-Radar-Applikationen. Jetzt folgt ein Blick auf die praktischen Grundlagen des Designprozesses. Auswahl der PLL Für eine Doppler-Radar-Applikation mit einer f LO von 6,236 GHz wird die entsprechende Version des LTC6948 ausgesucht, die bei dieser Frequenz arbeitet. Tabelle1 zeigt die vier LTC6948-Optionen. Man sieht, dass der LTC6948-4 mit seinem VCO die gewünschte f LO von 6,236 GHz abdeckt. Simulation und Aufbau einer PLL Mit dem DC1959A-D fängt man an, nimmt die Filterwerte, die vom FracNWizard (Sidebar) bestimmt werden, und setzt sie ein. Bild 10 zeigt die 6,236-GHz-Schaltung mit den ermittelten Filterwerten. Dann setzt man bei den FracNWizard-Filterwerten die Werte der passiven Komponenten ein. Wie Bild 11 zeigt, gibt der FracNWizard die Phasenrauschleistung des LTC6948-4 bei den gewünschten 6,236 GHz an. Man sieht, wie das Referenzphasenrauschen das gesamte Ausgangsrauschen bestimmt, das hilft bei der Auswahl des Referenztakts. FracNWizard zeigt auch, wie das geformte Delta-Sigma-Modulatorrauschen mit den passiven Filtern gefiltert wird. Evaluieren der PLL Man versorgt den DC1959 mit Spannung und verbindet ihn mit einem PC mittels Demonstrationsschaltkreis DC590, einem USB-Seriellkontroller (Linear Technology). Dann legt man den 100-MHz-Referenztakt an und folgt den Anweisungen im DC1959-Demoschaltungs-Manual bei www.linear.com. Nun verifiziert man das Phasenrauschen des f LO durch Verbinden des Ausgangs des DC1959 mit einem Signalanalyzer, dem E5052A von Agilent in unserem Beispiel. Bild 12 zeigt die Ergebnisse, die nahe den berechneten Werten des FracNWizard liegen, wie in Bild 11 zu sehen. Das war`s, das Design des Fraktional-N- PLL-Systems ist fertig. Schlussbemerkung Der LTC6948 bietet Systemdesignern die Vorteile einer Fractional-N-PLL, ohne deren Nachteile. Fractional-N-Synthesizer haben gegenüber Integer-N-Synthesizern eine Reihe an Vorteilen bei der Frequenzagilität und beim In-Band-Phasenrauschen. Mit der kostenlosen FracNWizard-Software, den publizierten und gut erreichbaren Spezifikationen ist das Design stark vereinfacht. ◄ hf-praxis 8/2015 17

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