Cómo depurar un sintetizador de frecuencia de bucle bloqueado en fase
Las ventajas de PLL incluyen: (1) Fácil de integrar en IC. (2) Flexibilidad del espaciado de canales inalámbricos. (3) Se puede obtener un alto rendimiento. (4) El tamaño total del sintetizador de frecuencia es menor.
Este artículo presenta a los lectores valiosas precauciones y técnicas de uso en la aplicación de bucles de bloqueo de fase.
Descripción general del PLL
Un único PLL consta de una referencia de frecuencia, un detector de fase, una bomba de carga, un filtro de bucle y un oscilador controlado por voltaje (VCO). El sintetizador de frecuencia basado en tecnología PLL añadirá dos divisores de frecuencia: uno para reducir la frecuencia de referencia y otro para dividir el VCO. Además, es fácil combinar el detector de fase y la bomba de carga en un módulo funcional para análisis (ver Figura 1). Estos circuitos divisores de frecuencia digitales se agregan a un bucle simple de bloqueo de fase para lograr un fácil ajuste de la frecuencia de operación. El procesador simplemente "escribirá" el nuevo valor de división de frecuencia en el registro ubicado en el PLL, actualizando la frecuencia operativa del VCO, cambiando así el canal de trabajo del dispositivo inalámbrico. Cómo funciona PLL PLL actúa como un sistema de control de circuito cerrado y compara la fase de la señal de referencia con el VCO. Un sintetizador de frecuencia con divisor de referencia y retroalimentación se encarga de comparar las dos fases ajustadas por la configuración del divisor. La relación de fases se realiza en un detector de fase, que en la mayoría de los sistemas es un detector de fase y frecuencia. El detector de frecuencia y fase produce un voltaje de error que es aproximadamente lineal dentro de un rango de error de fase de 2 π y permanece sin cambios cuando el error es mayor que 2 π. Esta operación de modo dual empleada por el comparador de frecuencia de fase produce tiempos de bloqueo de PLL más rápidos para errores de frecuencia más grandes (por ejemplo, el PLL se inicia durante el encendido) y evita el bloqueo de armónicos.
- El VCO utiliza un voltaje de sintonización para generar frecuencia. VCO puede ser un módulo, IC o estar compuesto por componentes discretos. La Figura 2 muestra un VCO que está ubicado en el IC del transmisor del MAX2361 y consta de componentes activos. El tanque resonante y el varactor son externos, lo que permite al ingeniero de diseño especificar de forma única el LO (oscilador local) IF (frecuencia intermedia) para admitir una solución de RF específica. El filtro de bucle integra los pulsos de corriente producidos por la bomba de carga del detector de frecuencia de fase para producir el voltaje de sintonización que se aplica al VCO. Tradicionalmente, el voltaje de sintonización del filtro de bucle se eleva (se hace más grande) para adelantar la fase del VCO y aumentar la frecuencia del VCO. Los filtros de bucle se pueden implementar con componentes pasivos como resistencias y condensadores o con amplificadores operacionales. La constante de tiempo del filtro de bucle y las ganancias del VCO, el detector de fase y el divisor de frecuencia establecerán el ancho de banda del PLL.
El ancho de banda del PLL determina la respuesta transitoria, el nivel espurio de referencia y las características de la onda de ruido. Dentro del ancho de banda PLL, el ruido de fase en la salida del sintetizador de frecuencia es principalmente el ruido de fase del detector de fase, mientras que fuera del ancho de banda PLL, el ruido de fase de salida es principalmente ruido de fase VCO. La entrada de referencia PLL del sintetizador de frecuencia es una señal de frecuencia constante estable y sin interferencias. La mayoría de los equipos de radio utilizan algún tipo de oscilador de cristal debido a su bajo ruido de fase, frecuencia estable y regulación precisa. El PLL dividirá la frecuencia de referencia para proporcionar una frecuencia más baja para el detector de frecuencia y fase. Esta frecuencia más baja establecerá la tasa de comparación del detector y establecerá el tamaño de paso de frecuencia mínimo factible aumentando la configuración del divisor de retroalimentación en "1". Esto se convierte en la resolución de frecuencia (es decir, paso de frecuencia) del sintetizador, que debe ser igual o menor que el espaciado de canales del sistema de radio que se está diseñando.
Utilizando la salida VCO reducida del divisor de retroalimentación, el detector de fase y el filtro de bucle generan el voltaje de sintonización. Según la explicación anterior, la frecuencia de funcionamiento del VCO es: Por ejemplo, si la frecuencia de referencia es 20 MHz y el valor del divisor de referencia es 2000, entonces configurar el divisor de retroalimentación en 88103 producirá la siguiente frecuencia del VCO: (20 MHz/2000 ) × 88103 = 881,04 MHz Dado que la frecuencia de comparación es 10 kHz, la configuración del divisor de retroalimentación se incrementará en 1 (es decir, el sintetizador de frecuencia multiplica la frecuencia de referencia a la banda UHF. El uso de este método de duplicación de frecuencia PLL conducirá a una consecuencia indeseable, que es decir, la frecuencia dentro del ancho de banda del bucle. El ruido de fase aumentará en 20 log (88103) = 98,89 dB. el oscilador de referencia debe estar muy limpio. El efecto del bucle aumentará el ruido en unos 100 dB.
Por lo tanto, para obtener una calidad de salida suficiente para satisfacer las necesidades de las comunicaciones por radio actuales, es necesario un oscilador de cristal de alta Q. La parte del VCO que hace que el PLL funcione se debe a que el VCO genera la señal de salida del sintetizador de frecuencia del PLL, por lo que la mayor parte del rendimiento del PLL está determinado por él.
Si el VCO no funciona correctamente, muchos parámetros de rendimiento se verán afectados. Al comienzo de la fase de depuración, se debe probar el VCO para proporcionar el rango de frecuencia, ganancia y nivel de salida predeterminados. Si solo desea probar el VCO, debe modificar el PLL para cancelar el control de circuito cerrado. Una forma común de "romper" el bucle es desconectar R3 (ver Figura 2) y aplicar energía de laboratorio a través de C4 para que el voltaje de sintonización del VCO pueda variar dentro del rango esperado. Cuando cambia el voltaje de sintonización, la frecuencia de operación del VCO debe monitorearse en un contador de frecuencia (o analizador de espectro). Registre la frecuencia de operación del VCO bajo varias configuraciones de voltaje de sintonización.
¿Cuál es la frecuencia del VCO? Utilizando los datos obtenidos de la sencilla prueba anterior, podrá evaluar rápidamente si el VCO es capaz de funcionar por encima de la frecuencia esperada. Si el VCO genera un IF LO (Oscilador local de frecuencia intermedia) con una frecuencia superior a 183 MHz y la frecuencia más baja registrada en la prueba es 187 MHz, el PLL no podrá bloquear la fase correctamente. Para corregir esta situación, se debe verificar que todos los elementos resonantes en el circuito de oscilación VCO tengan los valores de parámetros requeridos. Por ejemplo, si la inductancia L1 del circuito resonante (ver Figura 2) es demasiado pequeña, la frecuencia resonante aumentará. Recuerde siempre la ecuación utilizada para describir la frecuencia de resonancia de un circuito resonante LC simple: Fres es la frecuencia de resonancia en Hz. l es la inductancia (unidad: h). c es el valor de capacitancia (unidad: f).
●¿Están instalados los componentes correctos? Las dimensiones de los elementos activos son tan pequeñas que es imposible imprimir etiquetas visibles. Esto significa que la forma más sencilla de probar componentes en un VCO es reemplazarlos con componentes de valor conocido. Debido a que el ensamblaje de la primera placa de circuito probablemente se realizó a mano, es muy probable que se soldaran componentes con diferentes valores de parámetros en la PCB. Los componentes del circuito de oscilación se pueden reemplazar según sea necesario para acercar la frecuencia del VCO al punto de funcionamiento deseado. Puede calibrar el VCO como se describe en la Tabla 1, pero aún puede tener problemas con el PLL. Si la ganancia sintonizada del VCO difiere mucho de los valores de los parámetros de los componentes del filtro del bucle, el bucle puede oscilar. En la Figura 3, observe la pendiente de la curva trazada contra los datos de laboratorio obtenidos del diseño del prototipo. La estabilidad del bucle de retroalimentación requiere que la ganancia del bucle esté dentro de un rango específico. Si el VCO está por encima de la frecuencia pero tiene un gran error de ganancia, el propio bucle oscilará, provocando que el VCO se module en muchas frecuencias. Utilizando datos VCO en condiciones de bucle abierto, verifique que la ganancia del bucle esté cerca del valor calibrado. Si la ganancia de sintonización del VCO es demasiado alta, el varactor se acoplará demasiado al circuito resonante. Asegúrese de que esté instalado el varactor correcto. Los condensadores que acoplan el varactor al circuito del tanque (C2 y C3 en la Figura 2) pueden ser demasiado grandes. Por el contrario, si el VCO está sintonizado para una ganancia baja, es posible que deba aumentar los valores de C2 y C3. Divisor de frecuencia
●¿Puede funcionar el divisor de frecuencia a la frecuencia deseada? Las especificaciones de los divisores digitales a menudo se pasan por alto en los diseños de PLL. Las condiciones de funcionamiento del divisor de frecuencia son generalmente buenas, pero el PLL a veces no obtiene el rendimiento de funcionamiento esperado porque no puede mantener estas buenas condiciones de funcionamiento todo el tiempo. Todos los crossovers tienen especificaciones para la frecuencia de entrada máxima (FMAX) y el nivel de entrada mínimo. En diseños que ignoran la especificación FMAX, el divisor "perderá pulsos". El circuito cerrado detectará entonces que la frecuencia del VCO es demasiado baja y hará que el voltaje de sintonización aumente aún más. El divisor perderá más pulsos y el bucle intentará aumentar el VCO a una frecuencia más alta. El bucle entrará en un estado "bloqueado" donde el voltaje de sintonización del VCO permanece en el voltaje de fuente. Aquí, el problema fácilmente malentendido en el trabajo es que el divisor de retroalimentación no sólo debe dividir la salida deseada del VCO, sino también dividir correctamente la frecuencia más alta que el VCO puede producir en condiciones de suma bloqueada. Para que el bucle funcione de manera confiable, las condiciones transitorias encontradas durante el inicio o los cambios de canal no deben causar que se invierta la polaridad de retroalimentación.
¿Es suficiente la amplitud del VCO para impulsar el crossover? También existen requisitos mínimos de amplitud de señal para que funcionen los divisores de retroalimentación. Asegúrese de que el nivel de la señal VCO que llega al cruce esté muy por encima del valor mínimo indicado en la hoja de datos en todo el rango de frecuencia del VCO. Cuando el nivel de la señal es demasiado bajo, el divisor de frecuencia a menudo perderá pulsos, lo que impedirá que el PLL logre un funcionamiento estable y estable.
●¿Son correctos los valores programados del divisor? Si el registro de control del divisor se carga con un valor incorrecto, el PLL no generará la frecuencia correcta. A menudo se pasa por alto el divisor fijo uno a dos común en muchos PLL integrados en receptores (especialmente en aplicaciones de circuitos de generación). Finalmente, los registros de control PLL pueden cargarse con datos incorrectos debido a transferencias de datos erróneas en el bus serie. Las redes RC colocadas en líneas de bus serie para ayudar a controlar el ruido y las interferencias pueden provocar una transmisión de datos incorrecta. Se requiere un osciloscopio para cumplir con los requisitos de temporización del bus y que los datos proporcionados a los pines del IC del PLL sean válidos. Filtro de bucle El filtro de bucle establece el ancho de banda y la respuesta transitoria del PLL y da forma al espectro de ruido.
●¿Están instalados los componentes correctos en el filtro de circuito? Si se instalan los componentes incorrectos, el ancho de banda puede ser demasiado amplio, lo que provocará bandas laterales espurias en la frecuencia de referencia en la salida PLL. El ancho de banda también puede ser demasiado estrecho, lo que provoca que el ruido de fase del VCO suprima el espectro de salida y prolongue el tiempo de estabilización. Si el factor de amortiguación es demasiado bajo, el bucle oscilará. Los condensadores de filtro polarizados tienen altas corrientes de fuga, lo que hará que el circuito se corrija continuamente mediante grandes pulsos de bomba de carga. Esta calibración continua puede provocar que las bandas laterales espurias en la frecuencia de referencia sean mayores de lo esperado. Se deben instalar condensadores de baja fuga (cerámica, mica, película de polímero) para mejorar este rendimiento. ●¿Está saturado el amplificador operacional en el filtro activo? Un PLL sin una bomba de carga en chip genera un detector de fase con condiciones de "aumento y reducción". Estos PLL suelen utilizar filtros de bucle activos. Cuando se utiliza un filtro de bucle activo, la etapa de entrada del amplificador operacional puede saturarse en cada compensación del detector de frecuencia de fase. Debido a que la salida de este estado de saturación no se especifica ni se controla con precisión, el rendimiento dinámico del bucle no cumplirá con las especificaciones de diseño. La solución es "aislar" la resistencia de entrada del amplificador operacional y poner un polo en la respuesta. Esto evitará que los flancos rápidos del pulso lleguen a la entrada del amplificador operacional, evitando así la saturación del pulso. Es necesario comprobar el efecto de este polo adicional sobre la estabilidad del bucle, ya que reduce el margen de fase. Del mismo modo, algunas etapas de entrada del amplificador operacional "cambiarán de polaridad" al encenderse, lo que provocará que el bucle se sature con demasiada alimentación. La solución aquí es elegir un amplificador operacional que sea inmune a las condiciones transitorias de encendido. Detectores de frecuencia y bombas de carga Los detectores de frecuencia y las bombas de carga suelen estar integrados con otros circuitos PLL, por lo que hay poco espacio para manejar situaciones difíciles si el diseño es demasiado estricto. Así que debemos esperar dejar cierto margen de error. Algunos modos de funcionamiento de los detectores de frecuencia y fase en la mayoría de los circuitos integrados se establecen mediante valores de registro. La polaridad del detector se puede configurar mediante control de software y la corriente de la bomba de carga puede tener múltiples valores definidos por el usuario.
●¿Es correcta la configuración de polaridad del detector de fase? El control del detector de fase permite que el PLL IC funcione cuando la ganancia del VCO es positiva o negativa, o para compensar la inversión de la señal en el filtro de bucle activo. Asegúrese de que el detector de fase esté polarizado para que funcione con el VCO y el filtro de bucle especificados. Si utiliza un circuito bloqueado de voltaje de control basado en el potencial de tierra o un riel eléctrico, solo necesita realizar una simple inversión de bits para que el PLL funcione. ●¿La corriente de la bomba de carga es el valor esperado? La bomba de carga también (normalmente) la controla el usuario. Esto es conveniente porque permite que el sintetizador de frecuencia opere en un amplio rango de sintonización y puede corregir las variaciones de ganancia del PLL en la banda de frecuencia de interés, de modo que se puedan obtener bucles similares en frecuencias VCO bajas, medias y altas. características de rendimiento y ruido. Si la corriente de la bomba de carga no cambia cuando el sintetizador de frecuencia se sintoniza dentro de su banda de frecuencia, tanto la banda de ruido como el tiempo de sintonización cambiarán. Si cualquiera de los síntomas anteriores ocurre en un PLL que está funcionando bien, la corriente de la bomba de carga puede estar configurada demasiado baja o demasiado alta, o puede cambiarse de manera inapropiada para la aplicación. Placa de circuito impreso El último aspecto que normalmente debe considerarse con un PLL es el impacto de la placa de circuito impreso (PCB). Como saben muchos ingenieros de RF, la PCB es una parte importante del sistema y, por lo tanto, debe seguir los estándares de diseño. Generalmente es necesario utilizar un proceso de purificación en el área de filtración para eliminar contaminantes y mejorar el rendimiento del circuito de fase bloqueada.
Tenga en cuenta también: ¿Está blindado el circuito de sintonización VCO? Cambios muy pequeños en el voltaje de sintonización pueden provocar grandes cambios de frecuencia en los VCO de alta ganancia. La línea de sintonización de VCO tiene una alta impedancia y el ruido puede acoplarse fácilmente a la línea y modular el VCO. Las trazas de señales digitales no deben colocarse cerca de las líneas de sintonización VCO. Los ingenieros experimentados evitarán colocar rastros de señal cerca del circuito de sintonización VCO para evitar cualquier impacto en el rendimiento del sintetizador de frecuencia.
Para este tipo de acoplamiento de ruido, el papel del PLL realmente no es de mucha ayuda; el ruido de baja frecuencia en el ancho de banda del bucle puede corregirse mediante la ganancia excesiva del bucle. El VCO actúa como un filtro de paso de banda estrecho con ganancia. Cualquier ruido con contenido de frecuencia cercano al punto de resonancia del VCO se acoplará fácilmente al VCO y será modulado. Si el VCO está sintonizado con un determinado armónico de un oscilador de cristal "estable", se puede esperar que se produzcan salidas espurias cuando la energía armónica se acopla al bucle de oscilación del VCO. Conclusión Al evaluar cada parte del bucle de bloqueo de fase, el ingeniero de diseño puede poner en funcionamiento el sintetizador de frecuencia rápidamente. Este artículo proporciona técnicas e información que le permiten depurar rápidamente un sintetizador de frecuencia y realizar una evaluación detallada de su sistema de radio.