Генераторы, управляемые напряжением


|||| Главная "РадиоДизайн | Стандарты, РЧ технологии | Радиосистемы | Модуляция | Радиооборудование | РЧ компоненты | Радиодизайн | Схемотехника | Программы | Справки | Документация ||||
|||| Форум на www.RFDesign.ru | Скачать Пакет программ "РЧ Дизайнер" | Радио и связь в картинках | Карта Сайта | Скачать материалы по РЧ дизайну ||||

  • ГУН в устройствах мобильной связи
  • Основные сведения о ГУН
  • Основные параметры и характеристики ГУН
  • Особенности использования ГУН в устройствах ССПО
  • Перекрытие требуемого диапазона перестройки ГУН
  • Коммутируемые ГУН
  • Основные разновидности ГУН
  • Несимметричные и симметричные схемы
  • Кольцевые РЧ генераторы (Ring VCO)

    ГУН в устройствах мобильной связи

    Для формирования опорных частот, необходимых для обработки сигналов в РЧ блоке, обычно используются генераторы, управляемые напряжением ГУН (Voltage Controlled Oscillator, VCO), называемые зачастую гетеродинами (Local Oscillator, LO). Как правило, частоты гетеродинов, независимо от того, изменяются они в процессе функционирования устройства или нет, стабилизируются с помощью синтезаторов частот. Опорные сигналы, необходимые для функционирования РЧ блока, имеют обычно синусоидальную или прямоугольную форму.

    Как правило, именно качество этих управляемых генераторов, например, быстродействие или уровень шумов выходного сигнала, определяют качество разрабатываемого РЧ устройства в целом. Зачастую такие генераторы должны перестраиваться в широком диапазоне частот, работать при малых напряжениях питания, в жестких климатических условиях.

    Компании-изготовители крайне неохотно идут на раскрытие используемых методов реализации генераторов, зачастую являющихся ключевыми устройствами РЧ блоков, не говоря уже об используемых схемотехнических решениях. Существует ряд крупных компаний-производителей, которые выпускают ГУН массовых серий. Грамотное использование таких генераторов в разрабатываемых устройствах требует от разработчиков РЧ оборудования владения определенными знаниями.

    Кроме того, такие генераторные ИС массового применения зачастую обладают достаточно заурядными параметрами и характеристиками. От разработчиков же аппаратуры очень часто требуется создание уникальных устройств, обладающих оптимальными или предельно достижимыми параметрами. Создание качественного ГУН, зачастую отвечающего очень жестким требованиям, представляет собой непростую задачу и, по-прежнему, является искусством, владение которым необходимо настоящему инженеру-практику.

    В данном разделе произведен обзор современных методов построения ГУН диапазона 0,8 - 2,4 ГГц, в котором работает основная масса радиооборудования систем связи с подвижными объектами. Кроме того, сделана попытка проследить тенденции развития современной схемотехники ГУН на основе анализа научных публикаций ведущих специалистов в этой области.

    Основные сведения о ГУН

    Генератор, управляемый напряжением, или ГУН (Voltage Controlled Oscillator, VCO) - это устройство генерирования колебания, частота которого определяется управляющим напряжением (Control Voltage, Tuning Voltage).

    Это управляющее напряжение подается, как правило, на специальный вход управления и позволяет перестроить генератор в требуемом диапазоне частот. По сути дела, в ГУН происходит преобразование величины управляющего напряжения, изменяющегося в диапазоне Umin - Umax в номинал выходной частоты в диапазоне fmin - fmax (рис. 14.1).

    Рис. 14.1. Функционирование ГУН

    Основные параметры и характеристики ГУН

    • Диапазон частот перестройки ГУН. Определяет диапазон изменения частоты от fmin до fmax сигнала на выходе ГУН.
    • Крутизна перестройки ГУН по частоте (Tuning Sensitivity). Это крутизна характеристики перестройки по частоте от напряжения перестройки (выражается в Гц/В), показывающая, насколько изменится выходная частота при изменении управляющего напряжения на единицу (рис…). В англоязычной литературе эту характеристику часто называют коэффициентом ГУН (VCO Gain). По сути дела отражает чувствительность генератора к воздействиям по управляющему входу, что и отражается в англоязычном термине.
    • Характеристика перестройки ГУН по частоте (Frequency Tuning Characteristic). Это представленная в графическом виде зависимость частоты на выходе ГУН от управляющего напряжения. В идеальном случае соответствие между выходной частотой и напряжением настройки должно быть линейным.
    • Нелинейность перестройки по частоте (Tuning Non-linearity, Tuning Linearity). Отклонение от линейного характера характеристики изменения частоты ГУН от напряжения перестройки.
    • Мощность выходного сигнала РЧ ГУН (Output Power). Зависит от частоты и определяется типом используемого ГУН и элементной базы. Количественно определяется мощностью частоты основной гармоники синусоидального сигнала на нагрузке 50 Ом на выходе ГУН.
    • Отклонение от номинальной величины мощности на выходе ГУН (Output Power Variation). Это разность между максимальным и минимальным уровнем мощности на выходе ГУН на нагрузке 50 Ом при данной температуре (выражается в дБ) от частоты.
    • Зависимость выходной мощности от температуры (Output Power Change with Temperature). Это изменение мощности сигнала основной гармоники на выходе ГУН от температуры.
    • Зависимость частоты от температуры (Frequency vs. Temperature). Изменение частоты ГУН от температуры при постоянном напряжении перестройки.
    • Скорость перестройки частоты (время переходного процесса ГУН) (Tuning Speed, Response Time). Это время, которое требуется для установления выходной частоты ГУН на 90 процентов от ее конечного значения после начала перестройки частоты ГУН.
    • Ширина полосы частот модуляции (Modulation Bandwidth). Это частота модулирующего сигнала, при которой девиация частоты уменьшается до 0.707 от ее постоянного значения. Обычно она зависит от полного сопротивления источника модулирующего сигнала, типичное значение которого 50 Ом.
    • Остаточная расстройка ГУН (Post Tuning Drift). При скачкообразном изменении напряжения перестройки ГУН перестроится от начальной частоты f1 до конечной частоты f2. При этом частота f2 установится до требуемого значения через некоторое время. Остаточная расстройка ГУН – это отклонение частоты от конечного значения за определенное время после скачкообразного изменения напряжения перестройки.
    • Уход частоты ГУН (Post Tuning Drift). При скачкообразном изменении управляющего напряжения ГУН перестроится от начальной частоты f1 до конечной частоты f2. При этом частота f2 установится до требуемого значения через некоторое время. “Уход” частоты – это отклонение частоты от конечного значения за определенное время после скачкообразного изменения напряжения перестройки (рис. 14.2).

    Рис. 14.2. Иллюстрация эффекта “ухода” частоты ГУН

    • Уход частоты ГУН при изменении температуры (Frequency Drift With Temperature). Это изменение частоты ГУН в зависимости от температуры при постоянном напряжении перестройки.
    • Затягивание частоты (Frequency pulling) - отклонение выходной частоты ГУНа от номинальной величины, вызванное изменениями его выходной нагрузки.

    Явление затягивания частоты должно быть минимизировано, особенно в тех случаях, когда каскады усиления мощности в структуре передатчиков находятся близко к ГУН. При этом импульсный режим работы УМ, при котором существенно меняются параметры усилителя, может оказывать влияние на выходную частоту ГУН. Такая паразитная обратная связь может приводить даже к срыву процессов РЧ синхронизации ГУН.

    • Смещение частоты (Frequency pushing, Pushing) - изменение выходной частоты ГУНа при воздействии внешних воздействий, исключая изменение величины нагрузки генератора, при постоянном напряжении настройки. При этом чаще всего ограничиваются лишь учетом изменения величины напряжения источника питания. При использовании того же самого примера, что и ранее, внезапный бросок тока, вызванный выходным усилителем абонентского устройства, может производить выброс постоянного напряжения на вводе питания ГУНа, что в свою очередь приведет к нежелательному скачку выходной частоты.

    Чтобы определить чувствительность ГУН по смещению (Pushing sensitivity), производят изменение величины напряжения питания в некотором диапазоне, измеряя при этом выходную частоту ГУНа. Смещение частоты обычно выражается в МГц/В и определяется при изменении напряжения питания на ± (0,1 - 0,5) В от номинального значения для различных фиксированных величин напряжений настройки. Для определения чувствительности необходимо разделить полученный частотный сдвиг на величину изменения напряжения. Генераторы хорошего качества, используемые в РЧ блоках устройств ССПО, имеют чувствительность по смещению 1-10% от чувствительности по основному входу настройки (Tuning sensitivity).

    • Коэффициент гармоник выходного напряжения ГУН (Harmonic Content). Это уровень гармонических составляющих выходного сигнала. Измеряется в дБ по отношению к несущей (дБн).
    • Побочные составляющие, негармонические побочные составляющие (Spurious Responses, Non-harmonic Spurious Content). Побочные компоненты и негармонически зависимые сигналы, присутствующие в спектре выходного сигнала ГУН. Измеряются в дБн.
    • Фазовый шум одной боковой полосы (Single Side Band Phase Noise) или просто Фазовый шум. Он измеряется в полосе 1 Гц по отношению к мощности несущей частоты при определенном частотном сдвиге или расстройке (Offset) от нее. Фазовый шум измеряется в дБн/Гц. При этом оговаривается величина расстройки. Например, -100 дБн/Гц при отстройке 100 кГц.

    Особенности использования ГУН в устройствах ССПО

    Как уже говорилось, для формирования опорных частот, необходимых для обработки сигналов в РЧ блоке, обычно используются генераторы, управляемые напряжением ГУН, частоты которых стабилизируются с помощью синтезаторов частот СЧ. Такое решение используется в связи с тем, что большинство РЧ блоков требует перекрытия значительного диапазона рабочих частот, при этом номиналы входных и выходных рабочих частот должны принимать заранее определенные точные (канальные) значения. Частота выходного колебания, формируемого с помощью петель ФАПЧ в СЧ, изменяется при перестройке ГУН с помощью вариации параметров цепи ФАПЧ.

    Опорное высококачественное колебание, необходимое для функционирования СЧ, формируется с помощью генератора, частота которого стабилизируется с помощью кварцевого резонатора. При этом в синтезаторах частоты может использоваться кварцевый генератор, управляемый напряжением (Voltage Controlled Crystal Oscillator, VCXO), или термокомпенсированный кварцевый генератор (Temperature-compensated Crystal Oscillator, TCXO). Зачастую и VCXO/TCXO и РЧ ГУН являются генераторами, управляемыми напряжением. Отличие между опорными генераторами и перестраиваемым по частоте ГУН в том, что опорный генератор обычно имеет резонатор или колебательный контур с высокой добротностью, который обеспечивает очень устойчивые колебания. Цепь подстройки при этом обеспечивает дополнительное улучшение долговременной стабильности формируемого опорного сигнала за счет точной подстройки или осуществления температурной компенсации в термокомпенсированных кварцевых генераторах. Перестраиваемый же по частоте РЧ ГУН имеет колебательный контур с относительно низкой добротностью, что позволяет обеспечить требуемый диапазон перестройки выходной частоты.

    Для перестройки генераторов по частоте в определенном диапазоне обычно используются варикапы. В некоторых ГУН варикапы используются также для модуляции, например в DECT системе, где генерируется GMSK сигнал с постоянной огибающей

    К используемым в РЧ блоках современных приемопередатчиков гетеродинам предъявляется много достаточно жестких требований. Они должны обеспечивать генерацию сигнала с переменной частотой, позволяя производить управление процессом установки частоты с помощью петли фазовой автоподстройки частоты (ФАП). Выходной сигнал должен содержать низкий фазовый шум, гармоники основного сигнала и побочные составляющие с возможно малым уровнем. В приемнике фазовый шум гетеродинного сигнала проявляется как аддитивный шум в полученном сигнале. В передатчике нежелательные компоненты приводят к появлению побочных составляющих в выходном сигнале.

    Во многих приложениях в генераторах использует дискретные, объемные высокодобротные резонаторы. Даже приложения с менее жесткими требованиями, где может быть использован традиционный перестраиваемый LC контур, трудно полностью интегрировать резонатор в корпус ИС. Кроме того, должен быть найден метод, чтобы электрически перестроить интегрированный резонатор в необходимом диапазоне частот. Внутрикорпусные варикапы с требуемыми характеристиками не всегда могут быть получены.

    Выходные квадратурные сигналы обычно получаются от однофазного колебания с помощью внешних фазосдвигающих RC-CR цепей, многофазной RC цепи или делителей частоты. При этом появляется неизбежная потеря РЧ энергии в этих цепях, буферные каскады между генератором и фазосдвигающими цепями потребляют значительный ток.

    Для реализации данных особенностей были разработаны различные варианты схемотехнического построения ГУН, применяемые в РЧ оборудовании систем подвижной связи. Следует отметить, что в настоящее время рядом фирм-изготовителей разработаны и выпускаются в интегральном исполнении ГУН, обладающие различными параметрами и характеристиками вплоть до 4-5 ГГц.

    В типовом супергетеродинном приемнике подвижной связи обычно используется однократное или двойное преобразование частоты. Частота преобразовывается или с 900 МГц (сотовый диапазон) или с 1800 МГц (PCS диапазон) до частот ПЧ 90 – 400 Мгц. Далее, этот сигнал преобразуется на более низкую частоту или демодулируется в цифровой I/Q сигнал при помощи ПЧ ГУН. В передающем тракте или используется прямая модуляция на РЧ, например, на частоте 900 МГц или используется схема с двухступенчатым или однократным преобразованием частоты, которая требует, по крайней мере, два ГУН. Поэтому в РЧ блоке приемопередатчика используется несколько ГУН, работающих в разных диапазонах.

    В настоящее время, абонентское устройство систем подвижной связи обычно работает в нескольких диапазонах частот (как минимум, в двух диапазонах 900/1800 МГц) с возможностью быстрого переключения между ними, при этом ГУН в таких устройствах должен обеспечивать быструю перестройку своей рабочей частоты. Много проектировщиков пробуют решать проблему наиболее рационального построения тракта синтеза частот, используя оптимальное планирование частоты и многодиапазонные ГУН. Чтобы реализовать частотные планы при разработке современных многодиапазонных и многостандартных приемопередатчиков может потребоваться использование в РЧ блоке нескольких - до 8 и более ГУН.

    Перекрытие требуемого диапазона перестройки ГУН

    Частоты РЧ ГУН, используемых в тракте приема и передачи РЧ блоков ССПО представляют собой некоторый набор номиналов, который устанавливается синтезатором частот. Для перекрытия необходимых диапазонов частот, в особенности в многодиапазонных и многомодовых устройствах, используемый ГУН должен быть широкополосным. Кроме того, при применении некоторых видов модуляции ГУН, используемый в тракте передачи, может непосредственно модулироваться данными, поступающими от информационного тракта. Однако, напряжения источников питания современных абонентских устройств, т.е. рабочие напряжения РЧ блоков, как правило, малы и лежат в диапазоне 1,5 - 3 В. Соответственно, малы и величины управляющего напряжения, подаваемого на ГУН, определяемые низкой величиной напряжения питания соответствующих каскадов петель ФАПЧ.

    Даже если широкополосный ГУН может быть реализован с использованием единственного варикапа, комбинация требования получения широкого диапазона перестройки по частоте и малого достижимого диапазона напряжения настройки приводит к необходимости использования ГУН с очень высокий крутизной перестройки. Такая высокая крутизна делает генератор чрезмерно чувствительным к влиянию источников шума и побочных сигналов, которые могут воздействовать на ГУН по управляющему входу, на который подается основной сигнал перестройки Uупр.

    Для разрешения названных противоречий производят разбиение общего требуемого диапазона частот (Tuning Range) на поддиапазоны, в каждом из которых используется различные колебательные системы основного ГУН или даже собственный ГУН.

     

    Рис. 14.3. Использование широкополосного (а) и четырех коммутируемых (б) ГУН для перекрытия требуемого рабочего диапазона частот

    При этом диапазон аналоговой перестройки отдельного ГУН и его чувствительность к помехам по управляющему входу резко уменьшается, что иллюстрирует рис…. Если генератор используется в петле ФАПЧ, настройка на необходимую частоту производится путем комбинации цифровой коммутации диапазона для грубой перестройки и изменения аналогового напряжения управления для точной подстройки частоты. В результате может быть достигнут необходимый широкий диапазон перестройки ГУН для использования в РЧ блоках многомодовых устройств.

     

    Рис. 14.4. Использование области перекрытия ГУН

    В том случае, если ГУН используется в передатчике и для введения ЧМ производится его прямая модуляция, необходимо обеспечить некоторые области перекрытия (Overlap Regions) характеристик перестройки частоты ГУНов на краях поддиапазонов (рис. 14.4). Эти области перекрытия должны быть достаточными для введения модуляции при использовании крайних рабочих каналов. Область перекрытия должна также охватить статистические колебания технологического разброса параметров набора внутрикорпусных элементов настройки.

    Коммутируемые ГУН

    При изготовлении генераторов в интегральном исполнении, один из способов разрешения противоречий требования, описанных выше, состоит в том, чтобы дискретно переключить внутрикорпусные элементы настройки колебательной системы ГУН. При этом формируется ступенчатая перекрывающаяся (накладывающаяся) по частоте последовательность характеристик перестройки ГУН, каждая с малым коэффициентом перекрытия, но совместно перекрывающими желательный диапазон. Переключение элементов настройки коммутируемого ГУН может производиться и с помощью управляющих сигналов, поступающих от информационного тракта.

    В РЧ блоках радиооборудования ССПО используются:

    • ГУН с коммутацией контурных емкостей (рис. 14.5а);
    • ГУН с бинарной коммутацией контурных емкостей(рис. 14.5а);
    • ГУН с использованием емкостей коммутируемых полупроводниковых переходов(рис. 14.5б);
    • ГУН с коммутацией контурных индуктивностей(рис. 14.5в);
    • ГУН с коммутацией секций контурных индуктивностей(рис. 14.5г);
    • ГУН с коммутацией ядра LC генератора(рис. 14.5д);.

    Рис. 14.5. Разновидности коммутируемых ГУН

    Основные разновидности ГУН

    Можно произвести деление ГУН на ряд групп. Наиболее известными группами являются:

    • Традиционные несимметричные;
    • LC-генераторы;
    • Безрезонаторные;
    • Релаксационные.

    В настоящее время разработчики РЧ оборудования производят выделение и других групп ГУН. При этом в качестве классификационного признака может выделяться какая-либо топологическая или схемотехническая особенность, параметр схемы или выходного сигнала.

    Конечно, в силу постоянной тенденции к полной интеграции РЧ блока, наибольший интерес разработчиков проявляется к исследованию технологически удобных структур ГУН, поддающихся размещению в корпусе ИС. Можно выделить три основных метода построения управляемых генераторов, которые наиболее часто используются для реализации в интегральном исполнении:

    • Генераторы с пассивным резонатором, содержащие LC колебательную систему, кварцевый резонатор, устройства на ПАВ, резонаторы другого рода, которые определяют наминал частоты генерируемого сигнала и его качество.
    • Релаксационные генераторы (Relaxation oscillators), в которых происходит поочередный перезаряд частотозадающего емкостного элемента (конденсатора) от источника постоянного тока между двумя пороговыми значениями (рис 14.6а).
    • Кольцевые генераторы (Ring oscillator), состоящие из нечетного числа асимметричных инверторов или четного/нечетного количества дифференциальных инверторов с соответствующим их соединением в кольцевую цепь (рис 14.6б).

    Общая структура ралаксационного (а) и кольцевого (б) генераторов

    Несимметричные и симметричные схемы

    Следует отметить, что очень часто производится деление генераторов на два класса в соответствии с их топологией: несимметричные (небалансные) ГУН (single ended VCO) к которым относят, например, различные варианты традиционных емкостных и индуктивных трехточек и симметричные дифференциальные ГУН (differential VCO).

    • Главное преимущество несимметричных ГУН - их схемотехническая проста. Это делает вполне оправданным их использование в некоторых приложениях подвижной связи.
    • Лучшими характеристиками обладают симметричные ГУН. Могут быть предложены различные схемотехнические варианты их реализации. Общим свойством таких структур является их схемная симметрия. Такие схемы очень широко применяются при выполнении дифференциальных каскадов РЧ блоков в интегральном исполнении.

     

    Несимметричная (а) и симметричная (б) с дифференциальным выходом структуры ГУН с варакторным управлением частотой выходных колебаний