Реферат

РЕФЕРАТ

Синтезаторы частот миллиметрового диапазона длин волн

Выполнил: Арутюнян А. МРТУС-11

МИЭТ, 2015

Введение

В настоящее время всё чаще демонстрируются и внедряются в производство системы, работающие в миллиметровом диапазоне волн. К примеру, передатчики на 60 ГГц применяются для высокоскоростных беспроводных линий связи, частота 77 ГГц используется для самоходных радиолокаторов, и на частоте 94 ГГц работают медицинские сенсоры. Также некоторые полосы частот от 70 ГГц до 100 ГГц доступны для коммерческого использования. По сравнению с другими, волны микроволнового диапазона обладают следующими замечательными преимуществами: может быть использована большая рабочая полоса частот, что влечёт увеличение скорости передачи, и лучшая разрешающая способность радара может быть достигнута из-за малой длины волны.

В устройствах миллиметрового диапазона волн синтезатор – один из ключевых компонентов, к нему выдвигаются самые строгие требования в плане уменьшения шума или фазового дрожания («джиттера»), высокой мощности на выходе. Появление шума или фазовых отклонений на несущей частоте понизит точность системы, увеличит вероятность ошибки. В частности, разрешающая способность и качество съёмки радиолокатора ограничены сверху фазовым шумом внутри системы, и скорость передачи данных может быть значительно понижена из-за этого. Более того, если выходная мощность невелика, фазовые нестабильности способны вызвать ухудшение коэффициента передачи смесителя и его шумовых характеристик, что может быть исправлено только введением дополнительных каскадов и увеличение мощности потребления. Таким образом, общая производительность системы в значительной степени зависит от синтезатора частот.

Важность правильного размещения синтезатора частот часто недооценивается, хотя если сгенерировать качественный сигнал, но провести неверно, то производительность всей системы понизится. Поэтому о размещении синтезатора следует подумать заранее, на ранних стадиях разработки приёмника. ГУН обычно ставят подальше от усилителей приёмника или передатчика, чтобы избежать наводок, соответственно, вырастает длина подводящей линии и становится сравнима с длиной четверти волны в миллиметровом диапазоне. Такие длинные линии могут вызвать значительное затухание и фазовый сдвиг, для них требуется проводить тщательный расчёт.

К настоящему времени для работы в миллиметровом диапазоне волн были разработаны синтезаторы частот и некоторые архитектуры, которые, как считается, обеспечивают наилучшую производительность. Эти архитектуры разделяются на четыре группы: петля фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с основным генератором, управляемым напряжением (ГУН), ГУН по технологии N-push, схема ФАПЧ с умножителем и, наконец, ФАПЧ с генератором с внешним возбуждением. Каждая из них имеет свои достоинства и недостатки. Входная и выходная частоты у всех схем одинаковы (к примеру, опорный генератор на 32 ГГц, выход синтезатора – 96 ГГц).

Принцип N-push заключается в использовании N идентичных или синхронизированных генераторов колебаний с богатым набором гармоник, которые работают на один общий элемент, в котором одни гармоники складываются в фазе, а другие в противофазе. Совместная работа генератором приводит к уменьшению шумов в N раз, а получение M-ой гармоники увеличивает шумы в M раз. Разработка генераторов на меньшую в M раз частоту позволяет упростить топологии генераторов с большей добротностью и реализовать транзисторы с меньшим уровнем шумов и большей мощностью.

Архитектура синтезатора частот

А) Петля фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с основным генератором, управляемым напряжением (ГУН).

Рисунок 1 Способы построения синтезатора частот. (а) ГУН на основной частоте. (б) N-push ГУН. (в) ГУН с умножителем частоты. (г) генератор с внешним возбуждением.

Первый тип архитектуры использует ГУН на основной частоте, как показано на рис. 1, генератор и делитель работают оба на частоте 96 ГГц. Это единственная схема, в которой используется делитель на 96 ГГц, что возлагает особые требования на его проектирование. Использование генератора на основной частоте вызывает определённые сложности для разработчика из-за низкого коэффициента усиления в таких транзисторах и малой добротности варакторов, что ограничивает частоту автоподстройки на высокой частоте. Также для данной архитектуры непросто добиться высокой добротности колебательного контура, высокой скорости перестройки, уменьшить фазовые шумы до приемлемого уровня, но зато сам ГУН можно сделать весьма небольшим по размеру из-за небольшого значения индуктивности в контуре (~50 пФ).

Б) Второй тип архитектуры использует ГУН по технологии N-push, на рис. 1 проиллюстрирован вариант N = 3. Первое преимущество этой архитектуры – то, что делителю не нужно работать на 96 ГГц, что уменьшит рассеивание мощности. Другое преимущество заключается в способности ГУН работать на более низкой частоте (48 или 32 ГГц), это позволяет выбирать транзисторы с большим коэффициентом усиления и варакторы с большей добротностью, по сравнению с предыдущим вариантом. Таким образом, разработка будет упрощаться в зависимости от величины N. Однако N-push ГУН имеет низкую выходную мощность, поскольку она зависит от нелинейности устройства. Если N = 2, легко получить две фазы из дифференциального сигнала, но при N равно 3 и более, требуется больше фаз или больше источников колебаний, что приводит к увеличенному потреблению и необходимости сложных разводок. Амплитудные и фазовые погрешности также понижают выходную мощность, поэтому требуется больше каскадов, чтобы выдать требуемую мощность.

В) Третий тип архитектуры использует ФАПЧ и ГУН на невысокую частоту и умножитель частоты. Здесь частотный умножитель не вносится внутрь петли ФАПЧ и используется для умножения поступающей с неё частоты на 2, 3 или, может быть, больше. На рис. 1 (в) множитель равен трём. С увеличением множителя усиление преобразование понижается, как и мощность на выходе, повышая требуемую входную мощность. Существует несколько типов частотных умножителей. Можно предположить, что генератор с внешним возбуждением также является частотным умножителем, но его отнесли в другую категорию из-за демонстрации отличных от умножителя характеристик. Обычно умножитель строится на генераторе гармоник, как и в предыдущем случае, и имеет те же проблемы больших потерь на преобразование. Чтобы получить высокую мощность на выходе, входная мощность (с ГУН) должна быть ещё выше. К тому же сильная основная гармоника ГУН может проникнуть сквозь умножитель и вылезти в виде нежелательных гармоник, которые требуется правильно отфильтровывать. Преимущество архитектуры в возможности конструировать ФАПЧ на низкой частоте.

Г) Последний тип архитектуры использует низкочастотную петлю ФАПЧ и генератор с внешним возбуждением. Как показано на рис. 1 (г), эта архитектура напоминает предыдущую, но здесь генератор работает на основной частоте 96 ГГц и используется технология внешней синхронизации, широко применяемая для понижения фазового шума. Генератор должен иметь широкую полосу перестройки, чтобы обеспечить синхронизацию, не зависящую от изменений напряжения и температуры. Варикап в общем случае не требуется, но некоторые переключаемые конденсаторы для компенсации сдвигов частоты могут потребоваться. В случае нарушения синхронизации с низкочастотным генератором спектр «загрязнится», что приведёт к неверному поведению всей системы. Таким образом, особое внимание разработчиков уделяется расширению полосы перестройки, требующему понижение добротности и усиление синхронизирующих колебаний, но это, в свою очередь, увеличивает фазовый шум и рассеивание мощности. Более того, необходимость сильных входных колебаний, генерируемых низкочастотным ГУН, приводит к тому, что мощность на выходе ГУН должна быть так же высока, как и в третьем типе архитектуры.

Д) Выбор схемы

В заключение к вышесказанному, выбор архитектуры синтезатора должен проводиться тщательно и с учётом требований к системе. Первым делом стоит определить назначение сгенерированного сигнала, желаемые мощность и фазовый шум для данного назначения, требуется ли несколько фаз, как в случае квадратурного модулятора. Разработчик также должен выбрать технологию производства (внутренние характеристики устройства, свойства линии передачи, и т. д.). Следующий этап – планировка микросхемы, включая размещение петли фазовой автоподстройки, расстояние между ГУН и миксерами/буферами и число линий связи. Конструктор не может знать и предвидеть каждый параметр в процессе разработки, но перечисленные данные необходимо определить, чтобы выбрать архитектуру.

Таблица 1. Сравнение архитектур синтезатора частот

Тип архитектуры	Требуемые блоки	Преимущества	Недостатки
(а) ГУН на основной частоте	ГУН, высокочастотный делитель	Низкая сложность, малая занимаемая площадь	Делитель на большую частоту, малая добротность варактора
(б) N-push ГУН	N-push генератор	Широкая полоса перестройки	Небольшая выходная мощность, много генераторов (N > 2)
(в) ГУН с умножителем частоты	ГУН на низкую частоту, частотный умножитель	Широкая полоса перестройки	Небольшая выходная мощность, побочные гармоники
(г) генератор с внешним возбуждением.	ГУН на низкую частоту, генератор с внешним возбуждением	Меньше фазовый шум	Наводки с ГУНа на оконечный генератор, узкая полоса перестройки

ГУН W-диапазона

На частотах от 30 ГГц широко используются две топологии (с перекрёстными связями и ёмкостная трёхточка). Однако, максимальная частота колебаний выше у ёмкостной трёхточки, поэтому данная схема позволяет получить относительно низкий фазовый шум и широкую полосу перестройки, именно ёмкостная трёхточка (генератор Колпитца) ляжет в основу синтезатора, рассмотренного в качестве примера. Схема ГУН представлена на рис. 2, его параметры сведены в таблицу 2.

Рисунок 2 ГУН W-диапазона по схеме ёмкостной трёхточки.

Таблица 2 Параметры ГУН

Устройства	Размер
Q1, Q2	LE = 5x1.6 мкм
Q3, Q4	LE = 5x2.4 мкм
M1, M2	2.25х0.13х10х3 мкм
M3, M4	3.40х0.13х10х1 мкм
R1, R2	150 Ом
C1, C2	50 фФ
C3, C4	80 фФ
L1, L2	Микрополосок 5х63 мкм
L3, L4	Микрополосок 3х84 мкм
L5, L6	Катушка 180 пГн
L7, L8	Микрополосок 3.6х99 мкм
L9, L10	Микрополосок 3.6х18 мкм
Iслед	24 мА

Рабочие точки транзистора задаются значениями усиления и потребления тока. Частота колебаний в общем виде получается из уравнения:

Где – ёмкость варакторов (М₁ и М₃). Чтобы получить широкую полосу перестройки

что приводит к

.

Пока ёмкость транзистора () соединена последовательно с варактором ) и параллельно с (или ), изменение размеров устройства не вызовут никаких существенных частотных сдвигов или уменьшения диапазона перестройки, таким образом, размеры ГУН не определяются размерами варактора. Ёмкости ( и ), выполненные по технологии металл-диэлектрик-металл, включаются между базой и эмиттером, чтобы уменьшить искажения фазы и расширить полосу, в режиме больших сигналов является одним из факторов, искажающих фазу.

Также, чтобы сохранить потребление тока постоянным, в верхней части генератора помещаются каскодные усилители (Q₃ и Q₄) таким образом, чтобы они имели общий ток с резонатором. Следовательно, дополнительные усилители для резонаторов не требуются из-за каскодоподобной изоляции LC-цепи. Импеданс эмиттера в Q₃ и Q₄ должен быть невелик, чтобы поддерживать колебания. На рис. 4 показана полсхемы ГУН и эквивалентная схема в режиме малых сигналов.

Рисунок 3 Влияние коллекторного импеданса (Zc). (a) Часть схемы Колпица. (b) Эквивалентная схема.

В случае Re{Z_o} >> 1 Ом и Z_c = 0 Ом, результат известен из этого уравнения

Однако, если Z_c незначительна, то величина отрицательной реальной части (Re{Z_o}) уменьшается, что демонстрируется в вычислениях

Итак, импеданс эмиттера стоит минимизировать, однако, он потенциально может принять отрицательные значения вблизи рабочей частоты, поэтому добавляются резисторы нагрузки (R₁ и R₂), удерживающие Z_c в области положительных значений на любой частоте. Выходная согласующая цепь (L₇ – L₁₀) согласует с 50-омной линией.

Добротность резонатора – один из важнейших параметров ГУН, она влияет на большинство параметров, таких как потери в резонаторе, рассеиваемая мощность, скорость перестройки, фазовый шум. На низких частотах (менее 10 ГГц) общая добротность большей частью зависит от добротности индуктивности. Однако, когда частота превышает 30 ГГц, характеристики варактора сильно ухудшаются, именно добротность варактора определяет общую добротность системы.

В то же время, полоса перестройки зависит от размера варактора, потому важно использовать высокодобротные варикапы с широким диапазоном перестройки(Cmax/Cmin), чтобы достичь лучших свойств ГУН. Но между добротностью и диапазоном необходимо выбирать компромиссное значение, как показано на рис. 4.

Рисунок 4. Добротность аккумулирующих МОП-варакторов, выполненных по 0.13-мкм техпроцессу.

Для МОП-варакторов, если длина канала выбрана минимальной, Q максимальна, но диапазон минимален, и наоборот. Таким образом, существует оптимальный набор параметров для каждой конкретной задачи.

Рисунок 5. Схема (a) и топология (b) ГУН.

Петля ФАПЧ

В рассматриваемом примере в петле автоподстройки применяется фильтр третьего порядка и делитель на целое число N. Обычно в качестве опорного входа используется кварц, но в данном случае его заменит синтезатор на чипе, работающий на частоте 3 ГГц, это позволит обойтись меньшим количеством делителей. Опорная частота равна 1.5 ГГц, коэффициент деления – 64. Во входном делителе стоят биполярные устройства для уменьшения фазового шума. Входной делитель размещён перед фазовым детектором (PD) и частотным детектором (FD) для сохранения чёткости тактов. ГУН разделён на две части, каждая из которых управляется своим напряжением V_ccoarse и V_cfine. V_cfine подаётся с фильтра, а V_ccoarse снаружи для каждой частоты. В этом случае работу ГУН можно измерить, используя один чип, включением фазового и частотного детекторов и управлением напряжением извне.

А) Цепь деления

Выбранная архитектура с ГУН на основной частоте требует, чтобы первый каскад деления работал на частоте ГУН. Довольно сложно собрать эффективно работающий и недорогой делитель на такие высокие частоты. Три топологии делителя миллиметрового диапазона наиболее популярны: делитель с внешней синхронизацией, делитель Миллера и делитель на основе статического токового логического элемента (CML). Среди этих топологий делитель с внешней синхронизацией способен работать на самой высокой частоте, но его диапазон перестройки совсем узкий, и полоса частот зависит от исполнения. Статический делитель, напротив, работает в широком диапазоне, но его потребление на 96 ГГц крайне велико. Методом исключения выбираем топологию Миллера.

Схема делителя Миллера изображена на рис 6. Для пяти последующих этапов используется CML делители.

Рисунок 6. Делитель Миллера (a) Схема. (b) Выходная амплитуда при входной мощности в 1 дБм.

Б) PD и FD.

Аналоговый фазовый детектор на основе ячейки Гилберта выбран для решения проблемы «мёртвой зоны». Его коэффициент передачи велик и линеен в рабочей полосе. Выходной ток конвертера напряжения в ток продолжителен и без скачков. Таким образом, «мёртвой зоны» нет, кроме того, во включенном состоянии он идеально дублирует лишь опорную частоту. Эта частота может быть выделена фильтром, тем самым подавив скачки опорного сигнала. Для сравнения, стандартный фазовый детектор производит ложные импульсы из-за жёсткой привязки к опорной частоте, которые проникают в ГУН в качестве управляющих напряжений. Чтобы отрезать эти импульсы, следует сузить полосу фильтра, но тем самым мы усилим шумовые выбросы ГУН. Схема фазового детектора на основе умножителя частоты показана на рис 7(a), конвертер напряжения в ток на рис 7(b).

Рисунок 7. Фазовый детектор (a) Схема детектора. (b) Схема элемента фазового детектора, преобразующего напряжения в ток.

Следует заметить, что преобразователь продолжает работать, даже когда петля заблокирована, что приводит к ещё более высокому вкладу шума в общий шум. Чтобы нивелировать сей вклад, используют p-МОП с удлинённым каналом и n-p-n биполярные транзисторы. В целях повышения выходного сопротивления и снизить уровень шума обеднённый резистор ставят на p-МОП участке. Коэффициент выхода детектора номинально равен 2 мА/рад и может быть подстроен ключами преобразователя в целях изменения общей передачи петли и запаса по фазе, как показано на рис. 8. Пять масштабирующих блоков соединены параллельно, а переключатели выборочно включают некоторые из них, варьируя ток конвертера от 4 до 19 мА. На рис. 8(b) видно, что входная фаза и выход делителя отличаются на 90^о.

Рисунок 8. Фазовый детектор (a) Структура преобразователя напряжения в ток. (b) Зависимость выхода детектора от разницы фаз.

Частотный детектор нужен для расширения полосы захвата петли. Если частота деления совпадает с опорной, частотный детектор следует выключить, исключив его влияние на систему. Пример FD показан на рис. 9(a), соответствующий ему преобразователь на рис. 9(b).

Рисунок 8. Частотный детектор (a) Схема детектора. (b) Схема преобразователя напряжения в ток.

В) Параметры петли.

Рисунок 9. Блок-схема петли ФАПЧ.

Пусть опорный сигнал имеет фазу θ_i(t), выход ГУН θ₀(t), тогда, если фазовый детектор работает в линейном режиме, выходной напряжение детектора есть разница между входами,

где K_d – коэффициент передачи фазового детектора и выражается в вольтах на радиан.

Напряжение ошибки проходит через фильтр для подавления шумовых и высокочастотных составляющих, передаточная функция фильтра задаётся как F(s).

Частота гуна регулируеся контрольным напряжением . Отклонение от центральной частоты равняется , где K₀ передаточный коэффициент ГУН и имеет размерность рад/сек*В. Так как частота – это производная от фазы, уравнение записывается как . Выполнив преобразование Лапласа, получим:

откуда,

Другими словами, фаза на выходе ГУН линейно имеет линейную зависимость от интеграла управляющего напряжения. В таком случае справедливы следующие тождества:

Комбинация этих тождеств образует основные уравнения петли ФАПЧ.

Номиналы компонентов пассивного фильтра получим из этих уравнений:

R₁ = 500 Ohm, C₁ = 150 pF, C₂ = 7.2 pF, R₃ = 1 kOhm, C₃ = 100 pF.

Линии передачи

При миллиметровой длине волны разводка платы может в значительной степени влиять на производительность каждого из блоков. Подводящие линии опорного сигнала проводят в последнюю очередь, когда остальные элементы уже размещены, потому что их реализация зависит от выходной мощности ГУН, требуемой мощности для приёмника или передатчика, количества блоков, потребляющих сигнал с генератора. Иногда элементы проводки сигнала могут потреблять больше питания, чем разрешено для удовлетворения требований по выходной мощности. Потому так важно расчитать характеристики следующих элементов:

1. Линия передачи: типы линий, обычно выполняемых на кремниевых подложках – это микрополоски, копланарные волновыоды и копланарные полосковые линии. Каэжый тип характеризуется четырьмя параметрами (Z, λ, Q_L, Q_c), которые зависят от геометрии линии, но в высокоуровневом проектировании важно знать характеристическое сопротивление (Z) и потери в линии [dB/(100 um)]. Длину линии оценивают при разводке, соответственно расчитываются потери.

2. Делитель мощности: сигнал с генератора часто разбивается для доставки его в разные блоки. Используют, например, делитель Уилкинсона для разбиения без набега фазы чтобы изолировать выходы фазированной антенной решётки.

3. Пассивный симметрирующий трансформатор (балун): Применяется часто для перехода от несимметричного сигнала в дифференциальный или наоборот. Трансформатор следует правильно согласовать и нагрузить, чтобы избежать синфазного выхода.

4. Активный балун: используется для усиления сигнала и преобразование в диффпару. В нём нет потерь, но от него нужно добиться линейности и необходима подводка питания.

5. Квадратурный преобразователь: используется для работы с квадратурным сигналом, заменяет в совокупности с обычным ГУН квадратурный генератор, управляемый напряжением (QVCO).

Пример синтезатора

Как упоминалось ранее, в качестве примера рассматривается синтезатор частот на 96 ГГц для медицинских систем. Сигнал с синтезатора поступает на усилитель в приёмнике и I/Q умножитель частоты в передатчике, эти блоки требут низкий уровень фазового шума и высокую мощность (> 0 дБ). Микросхема выполняется по технологии 0.13-мкм SiGe БмКМОП. Фотографию чипа можно увидеть на рис 10.

Рисунок 10. Фотография топологии микросхемы синтезатора частот.

Так как второй и третий типы архитектуры сравнительно малую выходную мощность, несколько предварительных усилителей, потребляющих больше тока и занимающих большую площадь, потребовались бы. Хотя первая и четвёртая архитектуры обе требуют 96-ГГц основной генератор, четвёртая предполагает дополнительный ГУН на низкую частоту, а высокочастотный делитель для первой реализуется в довольно широкой полосе и малом занимаемом пространстве. На основании этого выбирается архитектура с ГУН на основной частоте.

Рисунок 11. Стенд для измерения спектра и фазового шума выходного сигнала.

Сравнение с синтезаторами из статей [5], [6] и [7] приведены в таблицах 3 и 4.

Таблица 3 Сравнение характеристик ГУН

	Наш пример	[5]	[6]	[7]
Технология	0.13 мкм SiGe	0.18 мкм SiGe	0.13 мкм SiGe	0.35 мкм SiGe
Частота (ГГц)	92.5-100	95.2-98.4	104-108	69-92
Диапазон перестройки (%)	8.3	3.3	4	29
Управляющее напряжение (В)	0-2.5	-5-0	0-2.5	1-9
Плотность фазовых шумов на 1 МГц (дБ/Гц)	-102	-85	-101.3	-97
Плотность фазовых шумов на 10 МГц (дБ/Гц)	-124.5	-	-	-
Выходная мощность (дБ)	6	-5.6	2.5	12
Потребление (мВт)	90	61	133	244
Напряжение питания (В)	3.3	-5	2.5	5
Площадь (мм2)	0.16х0.3	0.55х0.45	0.1х0.1	-