Einfachere Frequenzstabilisierung für Highspeed-5G- und -Datenwandlerdesigns

Die Frequenzquelle ist oft der versteckte Engpass bei Highspeed-Datenwandlern und 5G-Funkdesigns. Mit steigenden Datenraten und dem Vorstoß von 5G in höhere Frequenzbänder wird es immer schwieriger, die Performance-Anforderungen zu erfüllen. Die Liste der Anforderungen wird immer länger, oft in Richtungen, die im Widerspruch zu den Leistungszielen stehen.

Wie bei den Fundamenten eines Gebäudes führt eine Änderung der Frequenzquelle dazu, dass alles, was darauf errichtet wurde, in Mitleidenschaft gezogen wird. Der Taktgeber oder der lokale spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) ist diese Grundlage, und jede Instabilität an dieser Stelle überträgt sich auf das gesamte System, wo keine noch so sorgfältige Entwicklung an anderer Stelle das Problem beheben kann.

Das Herzstück eines jeden Frequenzsynthesizers ist ein Phasenregelkreis (Englisch: Phase-Locked-Loop oder PLL). Der Phasenregelkreis (PLL) ist der Mechanismus, der die Ausgangsfrequenz an eine präzise Referenz bindet und sie dort hält. Das unterscheidet eine stabile, steuerbare Frequenzquelle von einem Oszillator, der driftet.

Moderne Anwendungen wie Funkgeräte, Radar, phasengesteuerte Antennenarrays, Mehrband-Testgeräte und drahtlose Infrastruktur wechseln ständig zwischen verschiedenen Frequenzen, um Interferenzen zu vermeiden, mehrere Kanäle zu unterstützen oder Strahlen elektronisch zu lenken. Jedes Mal, wenn ein System seine Frequenz ändert, muss sein Phasenregelkreis neu synchronisiert werden. Solange das nicht geschieht, ist das Signal instabil und im Grunde unbrauchbar. Diese Wiederverriegelungszeit wirkt sich direkt darauf aus, wie schnell das Produkt insgesamt reagieren kann.

Ein Datenwandler misst ein eingehendes Signal in präzisen, regelmäßigen Abständen - oft Millionen Mal pro Sekunde. Der Takt bestimmt, wann die einzelnen Messungen durchgeführt werden. Jede zeitliche Ungenauigkeit in diesem Takt, bekannt als Jitter, bedeutet, dass die Messungen zum falschen Zeitpunkt durchgeführt werden, was zu Fehlern führt, die wie Rauschen am Ausgang aussehen. Je schneller das Signal, desto stärker der Effekt.

Bei 5G-Funkgeräten tritt das gleiche Problem in anderer Form auf. Der lokale Oszillator stellt das Signal des Funkgeräts genau auf die richtige Frequenz ein. Das Phasenrauschen der Taktquelle führt zu Abtastjitter, was das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Wandlers direkt beeinträchtigt und letztlich zu Metriken auf Systemebene wie der Fehlervektoramplitude (EVM) beiträgt.

In beiden Fällen ist das Ergebnis dasselbe: Die Unsicherheit in der Frequenzquelle führt zu Fehlern, die im folgenden nicht mehr korrigiert werden können. Ein Wandler, der für eine außergewöhnliche dynamische Leistung spezifiziert ist, kann seine Zielwerte nur dann erreichen, wenn die ihn antreibende Taktquelle ebenso präzise ist.

In der Praxis bestimmt das Phasenrauschen des Synthesizers, wie viel Timing-Unsicherheit sich im Taktsignal ansammelt - ausgedrückt als RMS-Jitter, eine einzelne Zahl, die die durchschnittliche Größe dieser Timing-Fehler darstellt - und wie viel des Rausch- und Verzerrungsbudgets des Konverters verbraucht wird, bevor das Signal überhaupt digitalisiert ist.

Designüberlegungen

Bei der Entwicklung von Highspeed-Datenwandlern und 5G-Anwendungen ist es wichtig, die Kompromisse zu berücksichtigen, die sich auf die Leistung auswirken können:

• Das Phasenrauschen bestimmt das Grundrauschen und legt die Obergrenze des Dynamikbereichs für die bestmögliche Signalklarheit fest, unabhängig davon, wie gut alles andere ist. In einem 5G-Funkgerät bestimmt sie, ob das Modulationsschema am Empfänger überhaupt dekodierbar ist.
• Der Frequenzbereich bestimmt die Flexibilität. Ein Synthesizer, der das Zielband ohne externe Multiplikation oder Division abdeckt, vereinfacht das Design, reduziert die Anzahl der Komponenten und eliminiert das Rauschen und die Komplexität, die durch diese zusätzlichen Stufen entstehen.
• Die Sperrzeit bestimmt, wie schnell das System den Kanal wechseln oder auf dynamische Bedingungen reagieren kann, was bei Frequenzsprung- und Strahlsteuerungsanwendungen entscheidend ist.

Ein Phasenregelkreis stellt eine Frequenz ein, indem er seinen Ausgang kontinuierlich mit einer Referenz vergleicht und Korrekturen vornimmt. Dieser Korrekturprozess wird durch eine Rückkopplungsschleife gesteuert, und wie jede Rückkopplungsschleife braucht sie Zeit, um sich einzupendeln, da die Schleife den Fehler erkennen, darauf reagieren und sich stabilisieren muss, bevor die Ausgabe nutzbar ist.

Bei herkömmlichen Designs wirkt sich dieselbe Schleifenbandbreite, die bestimmt, wie schnell der Phasenregelkreis reagieren kann, auch direkt auf die Phasenrauschleistung aus. Wenn man die Schleife verbreitert, um schneller zu synchronisieren, verschlechtert sich das Phasenrauschen. Die Verengung der Schleife zur Verbesserung des Phasenrauschens wirkt sich negativ auf die Verriegelungszeit aus. Dieser grundlegende Kompromiss bedeutete, dass die Entwickler sich entscheiden mussten, was für ihre Anwendung wichtiger war - und mit den Konsequenzen dieser Entscheidung leben mussten.

Die neueste Generation integrierter Fractional-N-Synthesizer geht diese Kompromisse direkt an. Während frühere Lösungen die Entwickler zwangen, sich zwischen Phasenrauschleistung und Integrationsgrad zu entscheiden, kombinieren neuere Bausteine ein extrem niedriges Phasenrauschen mit einer breiten Frequenzabdeckung, schnellen Verriegelungszeiten und einem kompakten Footprint, wodurch das, was früher mehrere diskrete Komponenten erforderte, in einer einzigen Lösung zusammengefasst wird.

Für die Taktung von Datenwandlern bedeutet dies, dass das Grundrauschen der Frequenzquelle nicht mehr der begrenzende Faktor für den Dynamikbereich des Systems ist. Für 5G-Funkdesigns bedeutet dies, dass das Erreichen anspruchsvoller Größenvorgaben für Fehlervektoren zu einem bereits gelösten Frequenzquellenproblem wird und nicht zu einem, das umgangen werden muss.

Moderne HF-Systeme erzeugen Abtasttakte und lokale Oszillatoren in der Regel mit Fractional-N-PLL-Synthesizern. Während diese Architekturen eine extrem feine Frequenzauflösung ermöglichen, führt die Modulation des Teilerverhältnisses zu Quantisierungsrauschen und Ausschlägen, die zum gesamten Phasenrauschprofil beitragen. Das Rauschen eines Verstärkers oder Filters beeinträchtigt das Signal, aber das Rauschen der Frequenzquelle verfälscht die Referenz, und eine schlechte Referenz untergräbt jeden Block, der sich auf sie stützt.

On-Chip-VCO vereinfacht das Board-Design

Die Breitband-Frequenzsynthese bedeutete bisher den Aufbau einer Signalkette aus diskreten Komponenten - externer VCO, Phasenregelkreis, Puffer und die damit verbundenen Layout-Probleme. Analog Devices, Inc. (ADI) vereinfacht das Leiterplattendesign mit Lösungen, die den VCO auf dem Chip integrieren und diese Kette in einen einzigen Baustein mit schneller Kalibrierung für Frequenzsprünge zusammenfassen, ohne die Phasenrausch- und Jitter-Leistung zu beeinträchtigen, die für 5G-Funk- und Highspeed-Datenwandler-Designs erforderlich ist.

Die Änderung der Frequenz erfolgt nicht sofort. Wenn ein Phasenregelkreis angewiesen wird, auf eine neue Frequenz umzuschalten, durchläuft er drei verschiedene Phasen, bevor der Ausgang nutzbar wird. Zunächst erhält er den Befehl zum Wechsel. Anschließend sucht er intern nach den geeigneten Einstellungen, um die gewünschte Frequenz zu erzeugen; diese Suchphase ist der langsamste Teil und dauert bei einem modernen Breitbandgerät in der Regel zwischen 100 und 250 Mikrosekunden. Schließlich stabilisiert er sich und stellt sicher, dass das Ergebnis sauber genug für die Verwendung ist.

Die Familie ADF4382 von ADI setzt direkt an der langsamen mittleren Stufe an. Anstatt jedes Mal, wenn eine Frequenzänderung angefordert wird, eine neue Suche durchzuführen, verwendet es für eine schnelle Kalibrierung eine auf dem Chip befindliche Nachschlagetabelle mit 32 vorberechneten Einstellungen an bekannten Punkten über den Frequenzbereich. Wenn eine neue Frequenz angefordert wird, findet es die beiden nächstgelegenen gespeicherten Punkte und interpoliert zwischen ihnen, um fast sofort die richtigen Einstellungen zu erhalten. Dadurch verkürzt sich die gesamte Sperrzeit auf weniger als 10 Mikrosekunden und sogar auf bis zu 2 Mikrosekunden.

Drei Komponenten verfügen über einen VCO mit zwei Kernen und 512 überlappenden Bändern. Sie bieten auch den gleichen Gütefaktor (-239 dBc/Hz), die gleiche extrem niedrige Jitter-Leistung und die gleiche schnelle Kalibrierungsfähigkeit. Was sie unterscheidet, ist die Frequenzabdeckung:

• Der ADF4382 (Abbildung 1) deckt am Ausgang 687,5 MHz bis 22 GHz ab. Damit ist er das reichweitenstärkste Mitglied der Familie und der natürliche Ausgangspunkt für mmWave-5G-Funkdesigns und andere Anwendungen wie Breitbandradar und Testinstrumente, die am oberen Ende des Frequenzbereichs arbeiten müssen.

Abbildung 1: Schaltbild zur Veranschaulichung der Funktionsarchitektur des ADF4382 mit einem integrierten Hochfrequenz-VCO, der von 11 GHz bis 22 GHz arbeitet. Ein interner HF-Ausgangsteiler liefert wählbare Ausgangsfrequenzen (÷1/2/4/8/16), während differenzielle HF-Ausgangspuffer das Endsignal liefern. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

• Der ADF4382A (Abbildung 2) wird für die Hochleistungs-Taktung von Datenwandlern empfohlen, die 2,87 GHz bis 21 GHz am Ausgang abdecken und eine automatische Anpassung ihres Ausgangs an die Eingangsreferenzflanke über mehrere Ausgänge ermöglichen. Dies ermöglicht Entwürfe mit mehreren Wandlern, die von derselben Quelle mit konsistenten Timing-Beziehungen getaktet werden.

Abbildung 2: Der ADF4382A ist für anspruchsvolle Taktanwendungen in Highspeed-Datenwandlersystemen optimiert. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

• Der ADF4383 (Abbildung 3) erweitert den Abdeckungsbereich im Vergleich zum ADF4382 nach unten, wodurch die Anwendbarkeit auf Designs, die in niedrigeren Frequenzbändern arbeiten, erweitert wird, während die volle Leistungsarchitektur der Familie beibehalten wird, einschließlich der schnellen Kalibrierung und des gleichen Gütefaktors. Er verschiebt den VCO-Bereich leicht nach unten auf 10 GHz bis 20 GHz und ermöglicht mit internen Teilern Ausgangsfrequenzen bis 625 MHz. Er bietet eine verbesserte Phasenrauschleistung und eignet sich daher gut für Systeme, die besonders saubere Mikrowellentakte und lokale Oszillatoren erfordern.

Abbildung 3: Der ADF4383 erweitert die Abdeckung auf niedrigere Mikrowellenbänder und bietet gleichzeitig eine noch sauberere Takterzeugung für hochleistungsfähige HF- und Datenwandleranwendungen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Alle drei Varianten verwenden eine Ausgangsteilerarchitektur. Die Teiler ADF4382 und ADF4383 unterstützen Teilungsverhältnisse von 1, 2, 4, 8 und 16. Der ADF4382A verfügt über Divide-by-2- und Divide-by-4-Ausgangsteiler, die Frequenzen in zwei spezifischen Teilbereichen erzeugen, nämlich 5,75 GHz bis 10,5 GHz und 2,875 GHz bis 5,25 GHz.

Diese Architektur ermöglicht es Entwicklern, die hohe VCO-Grundfrequenz jeder Komponente auf eine geeignete Takt- oder Lokaloszillatorfrequenz für spezifische Designanforderungen herunterzurechnen. Da sich der Ausgangsteiler innerhalb der Rückkopplungsschleife des Phasenregelkreises befindet, kann der Ausgang automatisch an der Eingangsreferenzflanke ausgerichtet werden, was die Synchronisierung mehrerer Chips erheblich vereinfacht.

Behebung von Hardware-Problemen mit Software

Die programmierbare Verzögerung von der Referenz zum Ausgang der Familie ADF4382 mit einer Auflösung im Sub-Pikosekundenbereich bedeutet, dass die Timing-Beziehungen zwischen den Bausteinen per Software eingestellt werden können und nicht vollständig vom präzisen Platinenlayout abhängen. Auf diese Weise wird ein historisch schwieriges Hardware-Problem zu einem überschaubaren, programmierbaren Problem.

Bei Verwendung der Schnellkalibrierung sollte die Lookup-Tabelle neu erstellt werden, wenn die Betriebstemperatur um mehr als ±20 °C von der Temperatur abweicht, bei der sie erstellt wurde. Bei Anwendungen, die einen breiten Temperaturbereich mit schnellen Frequenzänderungen kombinieren, wie beispielsweise im Automobilbereich oder bei industriellen Außenanwendungen, wird dies zu einer einfachen Frage der Firmware-Gestaltung und stellt keine grundlegende Einschränkung dar.

Für einen Produktentwickler ist der Auswahlprozess einfach. Er ermittelt die gewünschte Ausgangsfrequenz, prüft, welcher Frequenzbereich der jeweiligen Variante diese ohne externe Multiplikation oder Division sauber abdeckt, und trifft seine Auswahl entsprechend. In den meisten Fällen übernehmen die internen Ausgangsteiler der Komponenten die Übersetzung von der VCO-Grundfrequenz auf die für das jeweilige Design erforderliche Takt- oder Lokaloszillatorfrequenz. Unabhängig davon, welche Variante für die jeweilige Anwendung geeignet ist, ist die zugrunde liegende Leistungsarchitektur dieselbe - derselbe Gütefaktor, dieselbe schnelle Kalibrierungsfähigkeit und dieselben Integrationsvorteile.

Fazit

Die Fractional-N-PLLs ADF4382, ADF4382A und ADF4383 von ADI verkürzen die Zeit für die Frequenzumschaltung und sorgen so für schnellere, reaktionsschnellere und effizientere Frequenzsprung-Designs ohne zusätzliches Timing-Risiko. Wenn sich die Anforderungen ändern, lassen sich die Entwürfe aufgrund ihrer gemeinsamen Architektur problemlos von einer Variante auf die andere übertragen.