П2.1. Структура и функционирование системы ФАПЧ

Фазовая автоподстройка частоты основана на использовании генераторов, управляемых напряжением (или током), автоматически подстраивающихся под частоту входного сигнала с точностью до небольшого фазового сдвига. Упрощенная структурная схема, реализующая ФАПЧ, приведена на рис. П2.1, где фазовый детектор (ФД), сравнивая частоту f ₀ генератора, управляемого напряжением ГУН), с частотой f _вх входного сигнала U _вх (t), вырабатывает сигнал ошибки U _ош, сглаживаемый фильтром нижних частот (ФНЧ), который окончательно формирует сигнал управления U _упр, меняющий частоту ГУН.

При отсутствии входного сигнала напряжение сигнала ошибки U _ош = 0 и частота ГУН соответствует частоте его свободных колебаний f ₀. При подаче U _вх ФД сравнивает f _вх с f ₀ и вырабатывает U _ош, подаваемое через ФНЧ на вход управления ГУН. Если частота f _вх близка к частоте f ₀, то действие ОС в схеме ФАПЧ приведет к синхронизации ГУН, частота которого становится равной f _вх, а сдвиг фаз D j между ними будет очень небольшой, необходимый лишь для поддержания контура ФАПЧ в режиме синхронизации. Диапазон частот, в котором возникает режим синхронизации частоты ГУН с частотой f _вх, обычно называют полосой захвата D f _з, а диапазон частот, в котором система ФАПЧ может поддерживать синхронизацию с U _вх (t), – полосой удержания D f _уд; при этом всегда D f _уд > D f _з. К основным характеристикам системы ФАПЧ, помимо D f _з и D f _уд, относят также диапазон рабочих частот ГУН (от f_min до f_max), в пределах которых обеспечиваются режимы захвата и удержания, и минимальное напряжение входного сигнала, необходимое для режима синхронизации.

Время, необходимое для установления в системе ФАПЧ режима синхронизации, называют временем захвата. Оно зависит от начальной разности частот D f = | f _вх – f ₀|, полного коэффициента усиления в контуре ФАПЧ и постоянной времени ФНЧ, который выполняет две функции: с одной стороны, подавляет ВЧ составляющие U _ош на выходе ФД, повышая помехоустойчивость, с другой – должен обеспечивать быстрый захват сигнала ГУН при нарушении режима синхронизации под действием любых импульсных помех. Поэтому постоянная времени ФНЧ определяется компромиссом между этими двумя противоположными требованиями, поскольку при увеличении постоянной времени ФАПЧ (уменьшении его полосы пропускания):

- время захвата увеличивается;

- полоса захвата уменьшается;

- помехозащищенность системы ФАПЧ возрастает;

- переходная характеристика системы ФАПЧ становится более продолжительной, что может привести к потере устойчивости (самовозбуждению).

Известны различные модификации систем ФАПЧ: однопетлевые, многопетлевые, с простым и комбинированным управлением, аналоговые, цифровые, цифроаналоговые и т.д., среди которых к настоящему времени наибольшее распространение получили однопетлевые схемы ФАПЧ цифрового и аналогоцифрового типов. Цифровая ФАПЧ обеспечивает максимальное быстродействие, повышенную надежность и меньшую стоимость, однако при широкой полосе захвата имеет недостаточную стабильность выходной частоты ввиду невозможности подавления кратковременного периодического рассогласования фаз. Более надежными в этом отношении являются цифроаналоговые системы ФАПЧ, типовая структурная схема которых приведена на рис. П2.2, где ЭГ – эталонный (чаще всего кварцевый) генератор входного сигнала f _вх, ДВЧ – делитель входной частоты, ГПЗ – генератор подкачки заряда, формирующий, совместно с ФНЧ, сигнал управления U _упр для ГУН, ПДЧ – программируемый делитель частоты в петле ОС. Принципиальные схемы составляющих блоков представленной конфигурации ФАПЧ зависят от используемой элементной базы, поэтому их рассмотрение ограничим реализацией структурной схемы рис. П2.2 в наиболее распространенной при производстве БИС технологии КМОП с проектными нормами 0,09…0,18 мкм.

Фазовый детектор (рис. П2.3) выполнен на двух D–триггерах, работающих по переднему фронту приходящих синхроимпульсов А (с ЭГ) и В (с ГУН). Если сигнал А приходит раньше, чем В, генерируется команда «заряд» (для повышения U _упр), в обратном случае – команда «разряд». Чтобы предотвратить ошибки функционирования, необходимо увеличение длительности импульса сброса, осуществляемое линией задержки ЛЗ, что позволяет даже при значительном расхождении сигналов А и В формировать импульс «разряд» минимальной ширины, обеспечивая кратковременность колебаний частоты f _вых.

Генератор подкачки заряда представляет собой два источника тока I ₁, I ₂, заряжающие или разряжающие емкости ФНЧ с помощью ключей К ₁, К ₂ (рис. П2.4), управляемых выходными импульсами ФД. При этом основное требование, предъявляемое к источникам, – постоянство и равенство I ₁ = I ₂, поскольку в противном случае возникают колебания фаз U _вх (t) и U _вых (t) в установившемся режиме. В качестве петлевого фильтра (рис. П2.4) обычно используют RC – ФНЧ 2–го (реже 3–го) порядка, элементы которого выбирают в соответствии с жесткими требованиями к площади, занимаемой ими на кристалле: величина емкости С ₂ должна быть на порядок меньше С ₁, а сопротивление R должно обеспечивать равенство токов заряда С ₂ в активном и пассивном режимах.

Генераторы, управляемые напряжением (основные блоки систем ФАПЧ) принято делить на две основные категории: LC – генераторы и кольцевые генераторы, в которых источником сигнала служит цепочка инверторов, скорость переключения которых управляется петлей подстройки ФАПЧ. Во встроенных системах ФАПЧ наиболее целесообразно использование кольцевых КМОП генераторов, отвечающих следующим требованиям:

- чтобы обеспечить возможность синтеза непрерывной сетки частот при целочисленном коэффициенте деления ПДЧ в петле ОС (рис. П2.2), диапазон рабочих частот ГУН должен перекрываться по меньшей мере в два раза при всех рабочих условиях;

- для получения оптимальных характеристик управления передаточная функция ГУН должна минимально варьироваться при изменении рабочей частоты;

- максимум функциональных возможностей ФАПЧ достигается при наличии ГУН с высокой частотой и низкой потребляемой мощностью.

Передовые производители встроенных систем ФАПЧ «перешагнули» гигагерцовую границу рабочих частот КМОП ГУН только в районе проектных норм 90…130 нм (табл. П2.1). Одним из основных недостатков таких генераторов является нелинейная характеристика управления (зависимость f _вых от U _упр), что объясняется нелинейностью характеристик МОП–транзисторов. Это проявляется либо в снижении максимальной рабочей частоты ГУН при сохранении наклона его передаточной характеристики в заданных пределах, либо в ухудшении джиттера.

Таблица П2.1

Фирма–производитель, серия	Длина канала транзисторов, нм	Максимальная частота ГУН, МГц
Altera APEX, APEX II	180, 150	500
Altera Stratix, Stratix II	130, 90	1000
Lattice ECP2/M	90	1280

Поскольку наиболее распространенные схемы КМОП ГУН, используемых во встроенных системах ФАПЧ общего назначения, содержат N дифференциальных инверторов с двумя входами (D ⁺ и D ^–) и двумя выходами (Q и ), соединенными в кольцо для получения положительной ОС по постоянному току (рис. П2.5 а), где N_min = 3, а N_max определяется требуемым дискретом фазового сдвига (), то для улучшения выходных параметров ГУН можно линеаризовать его передаточную характеристику следующим образом. В каждый инвертор ГУН подается три управляющих напряжения (рис. П2.5 б), – одно основное (U ₀) и два дополнительных (U ₁ и U ₂), сформированных из основного (рис. П2.6 а, б). При необходимости получения прямо пропорциональной зависимости частоты ГУН от сигналов его управления напряжения U ₁, U ₂ инвертируются цепью на рис. П2.6 в.

Таким образом, в инверторах ГУН каждому активному n –канальному транзистору соответствуют три нагрузочных р –канальных транзистора, на затворы которых подаются различные управляющие напряжения. Каждый транзистор в отдельности по-прежнему имеет максимальную скорость уменьшения сопротивления при напряжениях на затворе, близких к пороговому, но их параллельное включение дает более равномерное изменение нагрузочного сопротивления во всех режимах работы, что обеспечивает повышенную линейность передаточной характеристики и расширенный диапазон рабочих частот ГУН.

Моделирование характеристик ГУН проводилось в симуляторе Cadence Spectre Simulator для технологии КМОП 180 нм, работающей при напряжении питания 1,8 В (рис. П2.7). Изменение U ₁ и U ₂ в зависимости от U ₀ приведено на рис. П2.7 а и соответствует выражениям

                                            (П2.1)

                                              (П2.2)

где R_pi, R_ni – сопротивления соответствующих транзисторов, Е_П – напряжение питания, U _{П n} и U _{П p} – пороговые напряжения n – и p – канальных транзисторов соответственно. Характер нелинейности передаточной функции в зависимости от величины U ₀ для исходной и модифицированной структур ГУН, а также диапазон его рабочих частот приведены на рис. П2.7 б, где f ₀ – частота ГУН (Гц), К_Г – функция передачи ГУН (Гц/В). Из анализа графиков рис. П2.7 видно, что максимальная рабочая частота ГУН достигает 2,5 ГГц, наклон К_Г не превышает 1,6 ГГц/В, а его изменение при варьировании U ₀ – 1,5 раз.

Для сравнения выходных параметров ГУН часто используется их интегрирующий показатель FOM (Figure of Merit), учитывающий частотный диапазон генератора, его фазовый шум и потребляемую мощность:

                        ,        (П2.3)

где PN (D f) – фазовый шум при отстройке D f от рабочей частоты f ₀, Р – потребляемая мощность. Оказалось, что собственный фазовый шум рассматриваемого ГУН при отстройке D f = 1 МГц от рабочей f ₀ = 1,6 ГГц составляет – 99 дБ/Гц, рассчитанная величина FOM равна – 154,5 дБ, а потребляемая мощность – всего 7,3 мВт, что ставит его в один ряд с лучшими известными аналогами.