Системы косвенного синтеза на основе фазовой автоматической подстройки частоты (Phase-Locked Loop, pll).

Синтезаторы частоты на основе фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) получили большое распространение в разных отраслях современной радиотехники. Такие синтезаторы позволяют получить синусоидальный сигнал с частотой в гигагерцы и дискретностью менее ста герц, синхронный опорной частоте и фазовой стабильностью не хуже, чем у опорного генератора. Кроме того, синтезаторы на основе ФАПЧ обеспечивают высокую спектральную чистоту сигнала, необходимую для радиолокационной аппаратуры высокого разрешения. Структурная схема синтезатора представлена на рисунке 4.

рис. 4

В данном случае используется принцип сравнения частоты и фазы выходного сигнала, формируемого генератором, который управляется напряжением, (ГУН) с сигналом опорного генератора (ОГ). Выходная частота делителя , называемая частотой сравнения, подается на один из входов устройства сравнения. В качестве устройства сравнения используется, как правило, фазовый детектор (ФД) или частотный детектор (ЧД). На другой вход устройства сравнения подается сигнал ОГ с частотой , поделенный с помощью соответствующего делителя на . Узлы, в которых происходит преобразование выходной частоты синтезатора в частоту сравнения, образуют тракт приведения частоты. Устройство сравнения вырабатывает управляющий сигнал, величина которого пропорциональна разности частот и . Управляющий сигнал через фильтр нижних частот (ФНЧ), необходимый для фильтрации этого сигнала и обеспечения устойчивости работы синтезатора, подается на вход ГУН и производит подстройку частоты . В работающем синтезаторе обычно устанавливается режим, при котором , тогда номинал выходной частоты: . Другими словами, - синтезатор умножает опорную частоту в раз.

Входящий в состав любого синтезатора на основе ФАПЧ (ГУН), является элементом, определяющим важнейшие характеристики синтезатора. К нему предъявляются требования работы во всём диапазоне синтезируемых частот при малом уровне шума и побочных компонент. Также, он должен иметь малый дрейф частоты, для того чтобы система ФАПЧ могла компенсировать уход частоты, и сохраняла устойчивость. Задача построения такого генератора, особенно на частотах выше 100 МГц, остаётся довольно сложной, даже при использовании современных специализированных микросхем ГУН, предназначенных для этих целей. Номинал выходной частоты устанавливается путем выбора значений коэффициентов деления и . Коэффициенты и могут задаваться микроконтроллером, хотя на практике число при перестройке меняют редко, так как это влечет за собой изменение частоты сравнения (и, соответственно, шага сетки) и требует изменения параметров петлевого фильтра. ФД является источником дополнительных фазовых шумов. Попытка получить малый шаг перестройки частоты вынуждает работать на более низкой частоте сравнения, что требует понижения частоты среза петлевого фильтра. А это еще более увеличивает фазовые шумы. Для получения малого шага перестройки по частоте иногда объединяют в одном синтезаторе несколько петель . Однако многопетлевой - синтезатор является весьма дорогим и громоздким устройством, что сдерживает его широкое применение. Таким образом, среди недостатков таких синтезаторов наиболее существенными являются ограниченная скорость перестройки частоты, недостаточно широкий диапазон синтезируемых частот, сложность изготовления. С развитием электронной промышленности эти и другие трудности успешно преодолевались и на сегодняшний день синтезаторы на основе ФАПЧ являются наиболее распространённым типом синтезаторов, используемых в телевизионной, радиовещательной и компьютерной технике. Однако сложность расчёта и настройки синтезаторов на основе ФАПЧ до сих пор существенно тормозит разработку подобных устройств.

Компания Analog Devices выпускает широкий спектр микросхем ФАПЧ и синтезаторов на основе ФАПЧ. Синтезаторы частоты с ФАПЧ представлены семейством из 9 микросхем ADF4360-0/1/2/3/4/5/6/7/8 (таблица 1), реализованных по единой структурной схеме (рисунок 5). Схема синтезатора содержит встроенный ГУН, цифровой детектор, выполненный на основе фазового компаратора и зарядовой помпы, входной делитель с целочисленным коэффициентом деления и петлевой делитель также с целочисленным коэффициентом деления. Параметры последнего: ; от 0 до 31, от 3 до 8191. Схема требует подключения внешнего генератора опорного сигнала с максимальной частотой . Максимальная выходная частота детектора составляет . Напряжение питания всех микросхем однополярное и составляет 3,0–3,6 В. Для уменьшения энергопотребления имеется возможность программируемой установки величины потребляемого тока. Все микросхемы семейства выпускаются в корпусе . Микросхемы моделей 0/1/2/3/4/5/6 содержат встроенные индуктивности резонансной системы ГУН. Модели 7/8 требуют подключения внешних индуктивностей, для чего предусмотрены соответствующие выводы. Микросхемы семейства различаются только диапазоном сетки выходных частот (таблица 1).

табл. 1

рис. 5