PLL de bajo costo con VCO integrado para soluciones LO compactas

La nueva tecnología PLL + VCO (Phase-Locked Loop with Integrated Voltage Controlled Oscillator) permite el rápido desarrollo de soluciones de sintetizador de bajo ruido de fase para celulares/4F, radio por microondas y aplicaciones militares de 25 MHz a 13,6 GHz.

Los diseñadores de radio que trabajan en aplicaciones celulares/4G, radio por microondas, equipos de prueba y subsistemas militares confían en osciladores locales (LO) de alta calidad para lograr objetivos a nivel de sistema de BER (tasa de error de bits) baja, salida espiritual baja y grado bajo. ruido. . Todos los sistemas de comunicación y detección de RF y microondas, ya sea que se basen en modulación analógica o digital, requieren su propia fuente de señal LO; cuanto mayor sea la capacidad de la radio, mayor será la demanda de la señal LO. Se utilizan muchas arquitecturas diferentes, pero uno de los métodos más comunes para generar una fuente LO estable es combinar un oscilador controlado por voltaje (VCO) de bajo ruido de fase con una referencia estable y un bucle de enganche de fase (PLL) para formar un sintetizador de frecuencia . Sin embargo, los diseñadores que buscan el mejor rendimiento de LO se enfrentan a muchos desafíos relacionados con la interacción entre el PLL / sintetizador, el VCO, la bomba de carga y el bucle de filtro, sin mencionar los problemas que surgen debido al diseño de la placa y al ruido que no requiere una fuente de alimentación. .

Analog Devices ha desarrollado una experiencia central en componentes de generación de frecuencia como VCO MMIC, osciladores de bloqueo de fase (PLO), presentadores de bajo ruido, detectores de frecuencia de fase (PFD) y una gama de sintetizadores PLL/modo dual (fraccional/entero). Circuitos integrados con frecuencias de entrada de RF de hasta 13,6 GHz.

Las tablas 1 y 2 resumen los PLL de Analog Devices líderes en la industria con productos VCO integrados. Estos PLL con productos VCO integrados cubren frecuencias de RF y microondas de 25 MHz a 13,6 GHz.

Tabla 1. Resumen de rendimiento para dispositivos PLL analógicos con VCO integrados

Numero de secciónRangos de frecuencia
(GHz)
Demanda de mercadoRuido de fase (dBc/Hz) a 10 MHz de compensación, modo entero* FCOMP. = 50 MHz, PA = 100 kHzRuido de fase (dBc/Hz) a 1 MHz de compensación, VCO de bucle abiertopagsAFUERA (dBm)modo fraccionario de fluctuación RMS (fS)En t. Modo de ruido de fase fraccional (° rms)
HMC830LP6GEDe 0.025 A 3.0Sistemas de comunicación por radiofrecuencia–114 a 2 GHz–141 a 2 GHz+51590,114 a 2 GHz
HMC832LP6GEDe 0.025 A 3.0Sistemas de comunicación por radiofrecuencia–114 a 2 GHz–139 a 2 GHz+71590,114 a 2 GHz
HMC835LP6GEDe 0,33 a 4,1Sistemas de comunicación por radiofrecuencia–105 a 4 GHz–133 a 4 GHz+7<1600,23 a 4 GHz
HMC833LP6GEDe 0.025 A 6.0Sistemas de comunicación por radiofrecuencia–114 a 2 GHz–141 a 2 GHz-41590,11 a 2 GHz
HMC829LP6GE

De 0,045 a 1,05

Sistemas de comunicación por radiofrecuencia–108 a 4 GHz–134 a 4 GHz+41590,23 a 4 GHz
1.4 a 2.1
2.8 a 4.2
HMC834LP6GE

De 0,045 a 1,05

Sistemas de comunicación por radiofrecuencia–108 a 4 GHz–134 a 4 GHz

+5

1590,23 a 4 GHz
1.4 a 2.1+2
2.8 a 4.2+2
5,6 a 8,4-diez
HMC764LP6CE7,0 a 8,2Sistemas de comunicación por radiofrecuencia–102 a 7,6 GHz–140 a 7,6 GHz+151960,55 a 7,6 GHz
HMC765LP6CE7,8 a 8,5Sistemas de comunicación por radiofrecuencia–102 a 8,2 GHz–139 a 8,2 GHz+131930,58 a 8,2 GHz
HMC767LP6CE8:45 am a 9:55 amSistemas de comunicación por radiofrecuencia–107 a 9 GHz–138 a 9 GHz+12930,3 a 9 GHz
HMC769LP6CE9.05 a 10.15Sistemas de comunicación por radiofrecuencia–106 a 9,6 GHz–140 a 9,6 GHz+12820,28 a 9,6 GHz
HMC783LP6CE11,5 a 12,5Sistemas de comunicación por radiofrecuencia–100 a 12 GHz–134 a 12 GHz+111810,78 a 12 GHz
HMC807LP6CE12,4 a 13,4Sistemas de comunicación por radiofrecuencia–98 a 13 GHz–134 a 13 GHz+81750,81 a 13 GHz
*El factor de mérito (FOM) del sintetizador es –221 dBc/Hz/–226 dBc/Hz (fraccional/entero).
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Tabla 2: Resumen de rendimiento para dispositivos PLL analógicos con VCO integrados

Número de artículoRangos de frecuencia (GHz)Demanda de mercadoRuido de fase (dBc/Hz) @ compensación de 10 kHz, modo entero* FCOMP. = 61,44 MHz, ancho de banda = 20 kHzRuido de fase (dBc/Hz) a 1 MHz de compensación, VCO de bucle abiertopagsAFUERA(dBm)modo fraccionario de fluctuación RMS (fS)En t. Modo de ruido de fase fraccional (° rms)
ADF5355De 0,05 a 13,6Sistemas de comunicación por radiofrecuencia–90 a 6,8 GHz–132 a 6,8 GHz-3150–221
ADF4355-2De 0,05 a 4,4Sistemas de comunicación por radiofrecuencia–95 a 3,4 GHz–138 a 3,4 GHz+3150–221

Como se muestra en el diagrama de bloques de la Figura 1, estos productos ofrecen un sintetizador de N fraccional avanzado y un VCO de ruido ultrabajo en un paquete de plástico QFN estándar de 5 mm × 5 mm y 6 mm × 6 mm; este alto nivel de integración reduce el número de componentes externos. Están diseñados para aplicaciones comerciales y militares con ruido de fase ultrabajo y cuentan con un detector de frecuencia de fase (PFD) de ruido ultrabajo, una bomba de carga controlada con precisión y un diseño de modulador avanzado que permite una frecuencia de fase ultrafina.

Figura 1. Diagrama de bloques y circuito de aplicación típico para un ADI PLL con salidas VCO integradas.

El ruido cercano a la fase ultrabajo y el estímulo bajo también permiten arquitecturas con un ancho de banda de bucle más amplio para saltos de frecuencia más rápidos y micrófonos bajos; las salidas falsas son lo suficientemente bajas como para eliminar la necesidad de costosas referencias de síntesis digital (DDS) en muchas aplicaciones.

PLL con VCO integrado para aplicaciones de mercado de RF

El HMC830LP6GE es uno de los ocho PLL de banda ancha con productos VCO integrados destinados a aplicaciones celulares/4G, backhaul de IF de microondas y de prueba y medición. Cada producto de la familia combina las funciones de un sintetizador/PLL Fractional-N de alto rendimiento con un VCO de bajo ruido totalmente integrado. La arquitectura PLL con un VCO integrado para aplicaciones de RF permite VCO de alto rendimiento con una configuración por debajo de los cinco voltios (consulte la Figura 2). No se requiere amplificador operacional en el filtro de bucle, lo que ahorra costos y espacio en la placa y mejora el rendimiento. El PLL con un VCO incorporado se puede bloquear a temperaturas extremas y luego operar en todo el rango de temperatura sin necesidad de bloquearlo o recalibrarlo; esta capacidad es necesaria en aplicaciones de alta confiabilidad, pero algunas soluciones de la competencia no la ofrecen.

Figura 2. Configuración de voltaje versus frecuencia para el PLL HMC830LP6GE con VCO incorporado.

Como se muestra en la Figura 3, estos dispositivos brindan un rendimiento de ruido de fase excepcional, que suele ser 10 dB mejor que los dispositivos de la competencia en banda y en el piso de ruido distante, todo sin tener que elegir entre modos dispersos bajos o ruido bajo. Un ruido integrado típico de –55 dBc de 100 Hz a 1 MHz es equivalente a 0,1° rms Jitter, o 278 fs rms a
FAFUERA = 1 GHz.

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Figura 3. Ruido de fase SSB versus frecuencia compensada para el PLL HMC830LP6GE con VCO integrado.

Como se muestra en la Figura 4, el HMC830LP6GE representa una mejora significativa con respecto a otras soluciones integradas.

Figura 4. Referencia fija en el peor de los casos 50 MHz, frecuencia de salida = 2 GHz.

Por ejemplo, el HMC830LP6GE ofrece alrededor de 5 dB menos de ruido de fase cercana y 7 dB de ruido de fase más bajo en frecuencias compensadas por encima de 20 MHz, en comparación con TI LMX2581. Además, el HMC830LP6GE ofrece un mejor rendimiento de espurias, con una espuria fraccional significativamente más baja en toda la banda y una salida espectral más limpia en general. El HMC830LP6GE proporciona un rendimiento uniforme en caso de exceso de temperatura en los bordes de la banda, para garantizar que no se produzca un «bloqueo».

El ADF5355 PLL con VCO integrado cubre un espectro de frecuencia de 55 MHz a 13,6 GHz, el más amplio de su clase, mientras que el ADF4355-2 tiene un rango de frecuencia de 55 MHz a 4,4 GHz. Ambos incorporan VCO de ruido de fase ultrabajo que ofrecen un ruido de fase de -138 dBc/Hz con una compensación de 1 MHz, a 3,4 GHz para el ADF4344-2 y el ADF5355 con un ruido de fase de -132 dBc/Hz con una compensación de 1 MHz a 6,8 GHz.

El rendimiento de ruido de fase VCO superior de ADF5355 y ADF4355-2 se logra a través de nuevas topologías y arquitecturas de VCO desarrolladas junto con el nuevo avance SiGe-B patentado de ADI.yoproceso CMOS. En aplicaciones de comunicaciones de RF y microondas de banda ultraancha, este ruido de fase ultrabajo tiene la ventaja de mejorar las tasas de error del sistema en general y aumentar el rendimiento de datos al tiempo que permite una mejor inmunidad al ruido y un rango dinámico más amplio.

Los nuevos circuitos integrados de sintetizador PLL de banda ultraancha de ADI también ofrecen una frecuencia de comparación de fase de hasta 125 MHz y una resolución de 38 bits, lo que reduce la fluctuación y permite tamaños de fase muy finos, y que el PLL integrado y VCO en B avanzado.yoEl proceso CMOS reduce en gran medida el tamaño del paquete y el consumo de energía en comparación con una implementación discreta de GaAs. Y debido a que un solo sintetizador PLL puede configurarse para operar de 55 MHz a 13,6 GHz, los diseñadores pueden reconfigurar sus diseños de sistemas más rápidamente y reducir su inventario de piezas mientras admiten múltiples bandas de frecuencia.

PLL con VCO integrados para aplicaciones del mercado de microondas

El PLL HMC764LP6CE con VCO integrado está optimizado para aplicaciones de comunicaciones por microondas de banda estrecha pero de alto rendimiento. Analog Devices fue el primero en la industria en ofrecer PLL y VCO integrados en frecuencias superiores a 6 GHz. Estos productos ofrecen el mismo excelente rendimiento de VCO de microondas por el que se conoce a Analog Devices, con la funcionalidad adicional de un sintetizador fraccional incorporado avanzado. Las aplicaciones típicas incluyen radios de microondas y ondas milimétricas, equipos de pruebas industriales/médicas, comunicaciones militares, guerra electrónica (EW) y subsistemas de contramedidas electrónicas (ECM).

Como se muestra en la Figura 5, el HMC764LP6CE tiene una sensibilidad de afinación constante y una alta potencia de salida de hasta 16 dBm en todo su ancho de banda, lo que lo hace adecuado para controlar directamente el puerto LO de muchos mezcladores de Analog Devices con alta linealidad, doble balance e I/Q y productos de conversión ascendente y conversión descendente.

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Figura 5. Ajuste de sensibilidad de salida de RF y frecuencia de alimentación frente a salida para el PLL HMC764LP6CE con VCO incorporado.

La Figura 6 muestra el rendimiento de ruido de banda única (SSB) en comparación con la frecuencia compensada para el rango de frecuencia baja, media y alta del HMC764LP6CE. Estos datos se midieron con una frecuencia de referencia de 50 MHz, un ancho de banda de bucle de 100 kHz y en presencia de una frecuencia de comparación de 50 MHz en el PFD. El rendimiento del ruido del escenario es consistente con la temperatura y el choque mecánico, debido a la construcción monolítica. Además, el modo FSK incorporado permite utilizar el dispositivo como una fuente de transmisión de FM directa, simple y económica.

Figura 6. Ruido de fase de SSB versus frecuencia de compensación para HMC764LP6CE PLL con VCO incorporado

Incluso con una capacidad tan alta y un alto nivel de integración, el desarrollo de un oscilador local programable de alto rendimiento puede requerir un tiempo de diseño considerable. Por esta razón, Analog Devices desarrolló el PLL con el VCO Reference Designer Kit integrado, que pone una medición de diseño instantánea al alcance de su mano.

El PCB de evaluación típico que se muestra en la Figura 7 es parte de un kit de evaluación universal y fácil de usar que puede reducir el tiempo de diseño y facilitar la creación rápida de prototipos. El kit del diseñador de referencia incluye un oscilador de referencia integrado y reguladores de voltaje, y admite configuraciones de filtro de bucle universal. El software incluido permite al usuario calcular el PLL y acceder a sus funciones avanzadas. Una guía de usuario completa proporciona instrucciones paso a paso para que el usuario pueda encender e inicializar rápidamente la placa de evaluación. La guía incluye una discusión exhaustiva de los componentes utilizados en la placa de evaluación y cubre temas avanzados como la reconfiguración de la placa de evaluación para referencia externa y la implementación de filtros de bucle pasivos o activos seleccionables.

Figura 7. PLL con PCB de evaluación de VCO integrado, incluido en el kit de cada diseñador.

Cada kit de diseño de referencia contiene la herramienta de diseño ADIsimPLL patentada de Analog Devices para permitir a los usuarios adaptar el filtro de bucle de PCB de evaluación estándar a su aplicación específica. Se proporciona un software completo de control de PLL basado en PC, junto con archivos de programa compatibles con PC para calcular el PLL a través de la interfaz USB. En muy poco tiempo, el usuario puede evaluar el oscilador local completamente bloqueado con solo una computadora, un analizador de señales y fuentes de alimentación de CC. Un grupo de ingenieros de aplicaciones calificados de ADI también está disponible para ayudar a los clientes a familiarizarse rápidamente con este producto único.

Los PLL de Analog Devices con productos VCO integrados combinan de manera única las características de bajo ruido de fase, altas funciones y tamaño ultrapequeño, lo que los hace adecuados para muchas aplicaciones de factor de forma pequeño, incluidas radios de microondas/milimétricas, equipos de prueba, sensores de microondas, comunicación de fibra óptica y aplicaciones militares. comunicaciones y sensores.

Los sintetizadores híbridos suelen utilizar un material de sustrato a base de fibra de vidrio con un VCO discreto, un resonador grande y una cubierta de metal estampado. Esta técnica de ensamblaje puede presentar problemas en los sistemas de usuario relacionados con la tierra de RF, así como efectos de acoplamiento eléctrico y de micrófono no deseados. En comparación con una configuración híbrida de sintetizador discreto/VCO, las soluciones integradas de generación de frecuencia de Analog Devices ayudan a los diseñadores a lograr sus objetivos de rendimiento constante. , alta fiabilidad y pequeño tamaño. Los PLL de Analog Devices con VCO integrados tienen resonadores mucho más pequeños y, por lo tanto, ofrecen un mejor rendimiento del micrófono en comparación con los diseños híbridos más grandes. Estos PLL con productos VCO integrados se alojan en gabinetes inalámbricos QFN que cumplen con RoHS y son adecuados para líneas de ensamblaje SMT de alta velocidad y gran volumen.

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