Как разместить микросхему фазовой автоподстройки частоты на вашей РЧ печатной плате

Фазово-синхронизированные контуры играют важную роль в проектировании печатных плат для телекоммуникационных систем, радиосистем и других устройств РЧ, требующих синтеза частоты. Высокочастотные приемопередатчики и высокоскоростные цифровые устройства содержат интегрированные фазово-синхронизированные контуры вместе с интегрированной схемой VCO, что обеспечивает стабильные и внутренне контролируемые сигналы тактирования. Однако некоторые ИС PLL доступны как дискретные ИС, которые будут включать в себя интегрированную схему VCO внутри корпуса. В целом, PLL позволяет выполнить некоторые важные задачи в вашем проекте РЧ печатной платы, такие как демодуляция, устранение фазовых шумов и обеспечение чистой формы волны при синтезе частоты.

Фазово-синхронизированный контур на печатной плате может страдать от тех же паразитных эффектов, которые могут мучить любую другую РЧ печатную плату, и разработчикам следует сделать некоторые умные выборы компоновки, если они работают с дискретным фазово-синхронизированным контуром.

Для чего используется фазово-синхронизированный контур?

Фазово-синхронизированный контур выполняет ряд важных функций в аналоговых (РЧ) системах и в системах, требующих точной синхронизации часов и сигналов по всей плате. Вот некоторые из основных функций фазово-синхронизированного контура и почему они важны в РЧ печатной плате.

• Устранение фазовых шумов: Фазовая автоподстройка частоты также может использоваться для устранения фазовых шумов из опорного сигнала за счет синхронизации с опорой, предоставляемой генератором, управляемым напряжением (VCO). В прошлом для этих задач использовали отдельные компоненты, но сегодняшние фазовые автоподстройки частоты интегрируют компоновку VCO в микросхему.
• Синтез частоты: Аналоговая или цифровая фазовая автоподстройка частоты также может использоваться для синтеза частот выше или ниже некоторой опорной. В контексте цифрового синтеза, фазовая автоподстройка частоты может использоваться для уменьшения или увеличения частоты повторения потока цифровых импульсов. В обоих случаях частота колебаний/повторения может достигать десятков ГГц с коммерчески доступными и экспериментальными фазовыми автоподстройками частоты, что позволяет им поддерживать множество приложений РЧ.
• Демодуляция FM сигналов: Если на фазовую автоподстройку частоты подается FM сигнал, VCO отслеживает его мгновенную частоту. Выходное напряжение ошибки от стадии фильтра петли (см. ниже), которое управляет VCO, равно демодулированному FM выходу.

На низких скоростях/низких частотах фазовый шум в данном драйвере обычно настолько низок, что нет необходимости использовать фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ) для его компенсации, и основные источники связаны с другими проблемами, которые можно устранить на уровне разводки печатной платы.

Роль каждого компонента в фазовой автоподстройке частоты

Фазовые автоподстройки частоты используют отрицательную обратную связь от генератора с напряжением управления (VCO) в аналоговых приложениях или числового управляемого генератора (NCO) в цифровых приложениях. В аналоговых приложениях частота выходного сигнала от VCO или NCO зависит от его входного напряжения или цифрового входа соответственно. В любом случае выходной сигнал от ФАПЧ будет пропорционален разности фаз между опорным входным сигналом. Когда разность фаз (и, следовательно, выходной сигнал) не изменяется со временем, то два сигнала закрепляются на одной и той же частоте.

В системе РЧ выход с аналогового ГВО зависит от входного напряжения, что делает его полезным для модуляции опорного сигнала часов. Внутри фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) ГВО эффективно захватывает определенную опору с использованием фильтра петли. В аналоговых ФАПЧ фильтр петли требует некоторого времени для захвата желаемого опорного сигнала (достигая ~100 нс).

Выход с фильтра петли также играет особую роль внутри фазовой автоподстройки частоты. Когда ГВО используется для захвата желаемого несущего сигнала, сигнал, модулированный по частоте или фазе, обычно модулируется с гораздо большей скоростью, чем время захвата ФАПЧ. В этом случае фильтр петли выдает сигнал ошибки, который пропорционален мгновенной разнице фаз между опорным сигналом и сигналом ГВО. Когда модулированный опорный сигнал подается на ФАПЧ в качестве несущего, этот сигнал ошибки на самом деле является демодулированным сигналом.

Блок-схема фазовой автоподстройки частоты

Разводка печатной платы для вашей фазовой автоподстройки частоты

Интегральные схемы с фазовой автоподстройкой частоты доступны на рынке и достигают низких значений в ГГц. Передатчики и модемы для систем с более высокой частотой обычно включают в себя всю схему фазовой автоподстройки частоты, включая компоновку ГВЧ и поддерживающую схемотехнику, на кристалле. Они могут работать на промежуточных частотах для обеспечения чистого выходного сигнала, который затем повышается и модулируется для получения желаемого РЧ сигнала. Используя интегральную схему с фазовой автоподстройкой частоты, вы будете иметь РЧ частоты, подаваемые на компонент и выходящие из него, а также распределенные по плате, и вам нужно будет обратить внимание на целостность сигнала в системе. Некоторые важные моменты компоновки включают:

• Изоляция и сетчатая структура платы: Чтобы предотвратить взаимное влияние входного РЧ, выходного РЧ и других аналоговых/цифровых секций, разместите различные блоки схем в определенных областях платы. Также обязательно используйте некоторые структуры изоляции (ограждения через переходные отверстия, заземляющие заливки, отдельные слои маршрутизации), чтобы предотвратить взаимное влияние РЧ секций между собой и с другими секциями платы.
• Целостность питания: Шумы источника питания требуют точной развязки, поэтому используйте соседние плоскости питания и земли как основу для вашей PDN фазово-защелкивающейся петли. Также обрабатывайте схему как высокоскоростную цифровую систему и размещайте сеть развязки рядом с контактами питания. Это обеспечит стабильное постоянное напряжение этим ИС и подавит колебания в шине питания или плоскости питания, когда цифровые ИС в других местах платы переключаются. Любые конденсаторы развязки/байпаса должны использовать свои собственные переходные отверстия для соединения обратно с плоскостью земли.
• Тепло: Разместите заземленный тепловой подклад под ИС фазово-защелкивающейся петли, чтобы обеспечить отвод тепла обратно в плоскость земли печатной платы.
• Потери: Если вы работаете на частотах в ГГц, рассмотрите возможность использования ламината с низкими потерями выше частот WiFi. Материалы Rogers или Isola являются хорошим выбором для передачи РЧ сигналов с низкими потерями. Старайтесь держать РЧ дорожки разнесенными друг от друга, но также делайте их как можно короче, чтобы предотвратить помехи и избыточные потери.
• Согласование импеданса: Как и в других РЧ системах, вам нужно будет тщательно согласовывать импеданс линий передачи и входных/выходных портов на вашем ИС фазово-защелкивающейся петли.

Когда-нибудь играли на синтезаторе? На самом деле вы играете с VCO

Что насчет отдельной платы VCO?

Это нечасто встречается, поскольку современные ИС фазовой автоподстройки частоты содержат интегрированную плату VCO. Тем не менее, есть случаи, когда используется отдельная плата VCO. Системы высокой мощности РЧ, требующие фазовой автоподстройки частоты, могут потребовать разделения всех частей на разные секции платы (фазовая автоподстройка частоты, плата VCO, усилитель и другие компоненты). Кроме того, системы, использующие программно-определяемое радио, могут использовать специализированный VCO для генерации опорного сигнала или прямого синтеза частоты. Работа с VCO может быть сложной, независимо от того, создавали ли вы собственную систему фазовой автоподстройки частоты для системы.

Полоса пропускания VCO будет влиять на его чувствительность к шумам питания и собственным фазовым шумам. VCO с широкой полосой пропускания могут иметь повышенную чувствительность к шумам питания, поэтому рекомендуется использовать регуляторы питания с ультранизким уровнем шума для минимизации фазового шума на выходе VCO. Использование узкополосного VCO позволит работать только в более узком диапазоне частот, и это следует учитывать при проектировании.

VCO также может использоваться для прямой модуляции несущего сигнала. Выходной сигнал от VCO может быть использован для модуляции несущего сигнала, который затем может быть отправлен на передающую антенну. Это можно сделать с помощью Т-образного сечения, которое использует три резистора для согласования импеданса антенны с выходным импедансом VCO. Паразитные элементы здесь становятся проблематичными на высоких частотах, поскольку они могут мешать согласованию импеданса и изоляции. Эти трудности должны показать, почему размещение VCO обычно интегрируется в фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ).

Учитывая требования к целостности питания, целостности сигнала и смешанному проектированию сигналов в РЧ устройствах с микросхемой ФАПЧ, дизайнерам необходимы правильные инструменты для размещения, трассировки и моделирования, чтобы помочь в проектировании. Altium Designer интегрирует эти и многие другие функции в одну программу, позволяя вам проектировать устройства высочайшего качества для любого применения.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о его наборе инструментов для проектирования. Вы также получите доступ к лучшим в отрасли функциям проектирования, моделирования и верификации в одной программе. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.