Come bilanciare le priorità delle applicazioni per trovare un compromesso tra PLL e VCO

In particolare, l'anello ad aggancio di fase (PLL) e gli oscillatori controllati in tensione (VCO) sono usati nelle applicazioni di strumentazione, per generare segnali provenienti da applicazioni RF a bassa frequenza e fino al terahertz. Una soluzione PLL/VCO integrata può soddisfare le necessità degli strumenti di laboratorio e scientifici a basso costo e un'unità di piccolo formato per studenti e hobbisti. PLL e VCO con prestazioni superiori, al contrario, sono usati negli strumenti di prova e di misura per ambienti di produzione ad alta velocità, per smartphone di punta o nella caratterizzazione dei semiconduttori ad alta frequenza.

Figura 1: strumenti di prova e di misura, come gli analizzatori di spettro, richiedono sintetizzatori basati su PLL ad alte capacità, per operare in un’ampia gamma di frequenza con risoluzione a banda stretta. 

Sono molti i fattori da tenere presenti quando si accoppia un VCO e PLL, oppure quando si sceglie un'opzione integrata; la conoscenza dei componenti disponibili e dei metodi efficienti per l'analisi possono fare risparmiare sul numero di cicli di progettazione, sui costi e migliorare le prestazioni di un prodotto finale.

Figura 2: un PLL consiste di un rilevatore di errori, un filtro per anello, VCO e partitore di feedback. I PLL sono usati negli strumenti e nell'hardware della radio per garantire una notevole stabilità di frequenza, consentire prove di alta precisione e conformità agli ultimi standard di modulazione e comunicazione.

Tipicamente il rumore di fase, le armoniche/speroni, la precisione di sintonizzazione, la potenza, le dimensioni e l’ampiezza della RF sono parametri comuni da tenere presenti quando si valutano VCO e PLL per una particolare serie di requisiti. I costi, le dimensioni e il consumo di energia elettrica possono essere dei fattori limitanti nelle opzioni dei dispositivi VCO e PLL e possono incidere sul prezzo finale degli strumenti. Inoltre, per il livello di caratterizzazione degli strumenti di laboratorio, le prestazioni di base vanno tenute nella massima considerazione.

 Un esempio delle massime prestazioni, i dispostivi analogici HMC704 è un PLL a N frazionario da 8 GHz e 16-bit, che mostra il rumore di fase e una risposta spuria inferiore a -112 dBc/Hz, a 8 GHz ad una frequenza offset di 50 kHz in modalità a N frazionario. Questo dispositivo è composto da un rivelatore di fase digitale a bassissimo rumore, partitore di riferimento, pompa di carica controllata con precisione e un partitore VCO. Con questo basso contenuto spurio e il rumore di fase, la purezza spettrale dell'uscita HMC704 consente un'ampiezza di banda dell'anello in trasmettitori e ricevitori, che, a sua volta, consente un salto di frequenza più veloce e microfonie. In aggiunta, per i sistemi di predistorsione digitale (DPD), il modulare frazionale a 24-bit nell'esatta modalità di frequenza elimina virtualmente l'errore di frequenza e consente un'efficiente amplificazione nelle applicazioni dell'amplificatore di potenza (PA) per i sistemi di comunicazione.

Alcune applicazioni richiedono altissimi livelli di efficienza energetica e ingombri ridotti. Un dispositivo che serve queste necessità è HMC586 VCO, che funziona con un’unica fonte alimentazione da +5 V a soli 55mA di assorbimento di corrente, ideale per il funzionamento della batteria. In aggiunta, HMC586 comprende sia il risonatore installato che l'amplificatore separatore e, in questo modo, l'ingombro e le distinte base (DB) sono entrambe ridotte. Per garantire che il dispositivo possa adattarsi a molte applicazioni sul campo e a bassa potenza, le prestazioni acustiche a bassa rumorosità e un ampio campo di sintonia possono essere sfruttati per adattarsi ai molti requisiti del sintetizzatore di frequenza e PLL.

Per le applicazioni sul campo un PLL/VCO integrato con caratteristiche di controllo e programmazione sofisticate possono essere vantaggiose per l'impiego in strumenti sul campo che oche operano fino a diverse GigaHertz. In questi casi, un dispositivo come il ADF4355 o HMC832A ha molte caratteristiche che possono essere controllate tramite un'interfaccia digitale, per assicurare un funzionamento efficiente da un'alimentazione a batteria e garantire anche una facile programmabilità, partendo da un semplice tasto o interfaccia a schermo sensibile. L'integrazione con il sintetizzatore PLL, VCO e filtro per anello per completare un PLL può creare una soluzione specificata nel dettaglio e testata che può essere facilmente trasformata in un modello. I problemi dei parassiti, le variazioni di processo e una moltitudine di modalità di guasto viene ridotta anche da soluzioni integrate; le soluzioni integrate creano anche soluzioni sul campo robuste rispetto a design discreti.

Negli ambienti di produzione l'ingombro dell'hardware, la programmabilità e la velocità di misura sono le priorità principali. Le ultime radio militari e i radar e persino le apparecchiature di telecomunicazione, richiedono delle frequenze molto maggiori rispetto ai precedenti metodi. In questi casi, il ADF41020, un sintetizzatore di frequenza programmabile a 18 GHz può essere implementato come oscillatore locale (LO) per una conversione verso l'alto o verso il basso delle radio a microonde e radar ad alta frequenza. ampiezza di banda a 18 GHz consente la progettazione di un circuito PLL con l'aggiunta di un VCO e filtro per anello, che non richiede un duplicatore di frequenza.

Cambiamonete che funzionano ancora

Il costo delle apparecchiature LFS e T&M può aumentare drasticamente con il design, lo sviluppo, il collaudo e la calibrazione di questi strumenti complessi. Sfruttando PLL/VCO integrati si possono vantaggi sui costi e prestazioni che sarebbero difficili da raggiungere con dispositivi discreti. Per esempio, il ADF4350 o ADF4351, se accoppiato con un filtro per anello esterno e una frequenza di riferimento, possono sviluppare un PLL a N frazionario o a N intero, che opera da 35 MHz a 4,4 GHz.

 Gli hobbisti e gli studenti sono principalmente interessati in strumenti che ricevono segnali di ampiezza o generati da modulatori di frequenza (AM/FM) contenuti all'interno di bande sub-1 GHz, sub-5 GHz e bande senza licenza o radioamatoriali. A causa dei budget molto esigui di questi utenti si desidera avere un elemento dell'attrezzatura che fornisca la massima flessibilità possibile, spesso una copertura della frequenza per le prestazioni di sensibilità e in termini di rumore di fase. Con i costi che sono il primo fattore limitante per la crescita demografica molti di questi strumenti vengono prodotti in alti volumi in fabbriche della Cina o da piccole startup e in fase di sviluppo, dove le spese generali sono basse.

In queste applicazioni, apparecchiature come gli analizzatori di spettro/analizzatori di segnale (SAs) operano normalmente alla massima frequenza di interesse fino a 8 GHz, anche se la maggior parte dell'interruzione è intorno a 4,4 GHz (che casualmente corrisponde alla copertura di frequenza di ADF4350/ADF4351). Lo stesso vale per la gran parte dei generatori di forme d’onda arbitrarie (AWG), analizzatori di rete scalari e analizzatori di rete vettoriali (VNA).

Quando il risparmio energetico e le prestazioni son un must

C'è una richiesta di analizzatori di spettro portatile per includere più caratteristiche in fattori di forma N volte più piccolo e più grande in associazione con caratteristiche VNA, accessori di misurazione dell'energia elettrica e misurazioni AC/DC. L'innalzamento delle frequenze —60 GHz e oltre —per dispositivi backhaul a microonde e a onde millimetriche e stazioni radio base – sta portando anche i clienti a richiedere sempre più prestazioni ad elevata frequenza da questi strumenti portatili. Di conseguenza, sta diventando sempre più importante mantenere un basso rumore di fase in PLL/VCO integrato e, allo stesso tempo, ridurre il consumo di energia elettrica al minimo. I dispositivi che soddisfano queste richieste sono il HMC832A e ADF4355 PLL/VCO integrati.

Per le applicazioni, che avvengono fuori da un laboratorio—servizio sul campo, ambienti di produzione difficili o manutenzione/riparazione del sistema— un'analisi ad alte prestazioni deve essere eseguita. Tuttora, questi ambienti non sono sufficientemente adatti per attrezzature da laboratorio, di precisione e sensibili. In questi casi, le attrezzature di servizio sul campo portatili e irrobustite devono fornire ancora prestazioni high-end su un'alimentazione con piccola batteria con una ricca serie di caratteristiche per il risparmio di tempo/costi. Per esempio, RF portatile di Keysight Fieldfox e l'analizzatore a microonde, l'analizzatore di spettro portatile R&S FSH e l'analizzatore di cavi e antenna Site Master di Anritsu + l'analizzatore di spettro abbinano tutti molte delle caratteristiche dell'analizzatore di cavi e antenna in un robusto e portatile pacchetto che si può eseguire per diverse ore ogni volta.

Dispositivi come questi spesso sfruttano i vantaggi dell'efficienza offerti da soluzioni PLL/VCO altamente integrate, per misurare la gamma di frequenza di diverse GigaHertz con qualche decina di MegaHertz per l'ampiezza di banda. I dispositivi PLL/VCO che guidano questi strumenti devono avere prestazioni acustiche a bassa rumorosità, per consentire una portata dinamica maggiore di 90 dB e una bassa attività armonica e spuria con sweep di frequenza necessari per le procedure comuni nella risoluzione dei problemi sul campo. Questi strumenti vengono normalmente usati per demodulare AM/FM/PM, QAM, BPSK, QPSK, OQPSK e altri tipi di modulazione per normali sistemi di telecomunicazioni. Le licenze per sbloccare differenti caratteristiche di demodulazione e di analisi possono essere un generatore di entrate aggiuntivo per i produttori di dispositivi.

Quando le massime prestazioni e la velocità sono l'elemento chiave

Per gli strumenti di grosso calibro si prevedono gamme dinamiche ben al di sopra dei 90 dB, mentre funzionano in condizioni estreme alle velocità di scansione nella gamma di frequenza e ampiezza di banda delle misurazioni. Gli schemi di modulazione molto complessi— OFDM, QAM con alto livello e segnali pulsanti—sono spesso misurati da apparecchiature di prova e di misura da 26,5 GHz, 50-60 GHz e ora fino a 80 GHz. Pertanto, un rumore di fase molto ridotto e un'estrema stabilità di frequenza sono richieste dagli strumenti PLL e VCO per queste applicazioni. Altrimenti, il rumore di fase, l'instabilità di frequenza e le armoniche/spurie potrebbero mascherare eventi di breve durata che sono fondamentali nella caratterizzazione dei sistemi complessi rapidamente ed efficacemente. È per questo motivo che i dispositivi, come il HMC704, spingono i confini del basso rumore di fase e del contenuto spurio.

 Per caratterizzare e ottimizzare i design per le applicazioni delle microonde/RF ad alta velocità, digitali o ad alta frequenza, PLL e VCO che supportano strumenti di misura da banco e le apparecchiature adatte agli ambienti di produzione devono soddisfare e persino superare gli attuali standard di prestazione. In queste applicazioni le prestazioni sono ottimizzate rispetto ai costi, al consumo di energia elettrica, all'ingombro e alla complessità del design. Gli utenti che sfruttano apparecchi di questo livello sono spesso gli sviluppatori e i produttori di importanti apparecchiature di telecomunicazioni, comunicazioni via satellite, comunicazioni militari e di difesa, sistemi aerospaziali, radar e sistemi a microonde/onde millimetriche per l'imaging.

Ci sono degli strumenti che servono a valutare PLL e VCO

Poiché il margine di errore è spesso estremamente basso per le applicazioni che richiedono PLL e VCO, eventuali inesattezze nella scheda dati o modelli SPICE portati nel tradizionale foglio elettronico o software di modellazione possono ridurre drasticamente le prestazioni del progetto finale e aumentare le interazioni con il ciclo di progettazione. Per questo motivi ADI ha sviluppato ADIsimRF e ADIsimPLL per supportare la progettazione di una catena di segnale e il bilancio delle prestazioni per le applicazioni PLL/VCO. Gli strumenti e caratteristiche fornite da ADI riducono i tempi di progettazione e garantiscono che i dispositivi PLL/VCO si integrino perfettamente nel final design.

ADIsimPLL, per esempio, offre una piattaforma completa e è facile da imparare che supporta il design e la simulazione, ivi compresi gli effetti non lineari, non normalmente registrate in un foglio elettronico o modello SPICE. Questo comprende impulsi anti-backlash, spurie a N frazionario e rumore di fase. ADIsimPLL sviluppa rapidamente i grafici tempo-frequenza e dei domini che vengono generati automaticamente dalla scelta dei componenti—tutti i prodotti della famiglia DF4xxx sono disponibili nelle librerie incorporate—VCO personalizzati possono essere aggiunti nella libreria dei componenti con l'uso del simulatore. I futuri articoli forniranno maggiori dettagli su come gli strumenti gratuiti di ADI, come ADIsimRF, possono essere sfruttati per ridurre i tempi di progettazione e smistare facilmente enormi quantità di schede dati e modelli SPICE, per scegliere dispositivi per una specifica applicazione.

Figura 3: ADIsimPLL ricorre ad una ricca serie di caratteristiche di analisi e grafici che sono popolati automaticamente e si possono facilmente aggiornare, quando le modifiche sul design sono implementate.

Le decisioni sui dispositivi PLL e VCO possono spesso essere un fattore limitante negli strumenti di laboratorio e sul campo a microonde/RF ad alta velocità, digitali, che sono impiegati in applicazioni che vanno da un banco da laboratorio scolastico, a centri di controllo della produzione e fino ai ponti radio. C'è una gamma completa di funzioni e variazioni nelle prestazioni che devono essere analizzate e confrontate, per ottimizzare il design di uno strumento e soddisfare le aspettative dell'utente con un prezzo accettabile. È spesso utile per i progettisti LFS e degli strumenti di prova e di misura di avere accesso ad un'ampia scelta di sintetizzatori di frequenza, VCO e PLL in forma discreta e integrata dallo stesso fornitore. In questo modo il processo di scelta e di ordinazione possono essere semplificati. Scegliere una combinazione PLL/VCO non è un compito semplice, dato che esistono strumenti di modellazione del software che possono accelerare e eliminare i problemi correlati con il processo di scelta.