Cómo depurar un sintetizador de frecuencia de bucle bloqueado en fase
Las ventajas de PLL incluyen (1) Fácil integración en circuitos integrados. (2) Flexibilidad del espaciado de canales inalámbricos. (3) Se puede lograr un alto rendimiento. (4) El sintetizador de frecuencia tiene un tamaño total más pequeño.
Este artículo presentará a los lectores consideraciones y técnicas valiosas al utilizar aplicaciones PLL.
Descripción general del PLL Un PLL simple consta de una referencia de frecuencia, un detector de fase, una bomba de carga, un filtro de bucle y un oscilador controlado por voltaje (VCO). El sintetizador de frecuencia basado en tecnología PLL añade dos divisores de frecuencia: uno para reducir la frecuencia de referencia y otro para dividir la frecuencia VCO. Además, el detector de fase y la bomba de carga se pueden combinar fácilmente en un único bloque funcional para análisis (consulte la Figura 1). Agregar estos circuitos divisores digitales a un PLL simple permite un fácil ajuste de la frecuencia de operación. El procesador simplemente "escribe" un nuevo valor de división de frecuencia en el registro del PLL para actualizar la frecuencia operativa del VCO, cambiando así el canal operativo del dispositivo inalámbrico. El PLL opera como un sistema de control de circuito cerrado, comparando la fase de la señal de referencia con la fase del VCO. Un sintetizador de frecuencia con un divisor de referencia y retroalimentación adicional se encarga de comparar las dos fases ajustadas por la configuración del divisor. La comparación de fases se realiza mediante un detector de fase, que en la mayoría de los sistemas es un detector de fase y frecuencia. El voltaje de error producido por el detector de frecuencia de fase es aproximadamente lineal en un rango de error de fase de ±2π y permanece constante para errores mayores que ±2π. Esta operación de modo dual del comparador de frecuencia de fase acelera el tiempo de bloqueo del PLL cuando ocurren grandes errores de frecuencia (como cuando el PLL se inicia durante el encendido) y evita armónicos de bloqueo.
--- Un VCO utiliza un voltaje sintonizado para generar frecuencia y puede ser un módulo, un circuito integrado o estar hecho de componentes discretos. La Figura 2 muestra el VCO ubicado dentro del IC del transmisor MAX2361. El tanque resonante y el varactor son externos, lo que permite al ingeniero de diseño especificar de forma única la IF (frecuencia intermedia) LO (oscilador local) para admitir un esquema de radiofrecuencia específico. El filtro de bucle integra los pulsos de corriente generados por la bomba de carga del detector de frecuencia de fase para producir un voltaje de sintonización que se aplica al VCO. Tradicionalmente, el voltaje de sintonización producido por el filtro de bucle aumenta (se hace más grande), provocando el avance de fase del VCO y aumentando la frecuencia del VCO. Los filtros de bucle se pueden implementar utilizando componentes pasivos como resistencias y condensadores o amplificadores operacionales. La constante de tiempo del filtro de bucle y las ganancias del VCO, el detector de fase y el divisor de frecuencia establecen el ancho de banda del PLL.
El ancho de banda del PLL determina la respuesta transitoria, los niveles espurios de referencia y las características del ruido. Dentro del ancho de banda del PLL, el ruido de fase a la salida del sintetizador de frecuencia es el ruido de fase del detector de fase, mientras que fuera del ancho de banda del PLL, el ruido de fase a la salida es principalmente el ruido de fase del VCO. La entrada de referencia PLL al sintetizador de frecuencia es una señal de frecuencia constante estable y libre de interferencias. La mayoría de los equipos de radio utilizan algún tipo de oscilador de cristal porque generalmente tiene un ruido de fase bajo, es estable en frecuencia y tiene una amplia gama de especificaciones. Esta frecuencia más baja establece la tasa de comparación del detector y determina el paso de frecuencia mínimo factible incrementando la configuración del divisor de retroalimentación en "1". Esta es la resolución de frecuencia (es decir, el tamaño del paso de frecuencia) del sintetizador, que debe ser igual o menor que el espaciado de canales del sistema de radio que se está diseñando.
El detector de fase y el filtro de bucle generan el voltaje de sintonización a partir de la salida VCO reducido por el divisor de retroalimentación. Según la situación anterior, la frecuencia de funcionamiento del VCO es: Por ejemplo, si la frecuencia de referencia es 20 MHz y el valor del divisor de referencia es 2000, entonces cuando el divisor de retroalimentación se establece en 88103, la frecuencia del VCO es (20 MHz/ 2000) × 88103 = 881,03 MHz. Dado que la frecuencia de comparación es de 10 kHz, aumentar la configuración del divisor de retroalimentación en 1 (es decir, a 8810) da como resultado una frecuencia VCO de (20 MHz/2000) × 88103 = 881,03 MHz. Dado que la frecuencia de comparación es de 10 kHz, aumentar la configuración del divisor de retroalimentación en 1 (a 88104) dará como resultado una frecuencia VCO de 881,04 MHz.
Este sintetizador de frecuencia multiplica la frecuencia de referencia en la banda UHF. Una consecuencia indeseable de este enfoque de duplicación de frecuencia PLL es el aumento del ruido de fase dentro del ancho de banda del bucle. Dentro del ancho de banda del bucle, el ruido PLL aumenta en 20 log(N). En el caso anterior, el ruido de fase aumenta en 20log(88103) = 98,89dB. Por eso el oscilador de referencia debe estar muy limpio. Por eso el oscilador de referencia debe estar muy limpio. Los efectos de bucle añaden unos 100 dB al ruido, por lo que es necesario un oscilador de cristal de alta Q si se quiere obtener una calidad de salida adecuada para las comunicaciones por radio actuales. Operación de la sección VCO del PLL Debido a que el VCO genera la salida de señal del sintetizador de frecuencia del PLL, determina gran parte del rendimiento del PLL.
Si el VCO no funciona correctamente, muchos parámetros de rendimiento se verán afectados. Los VCO deben probarse temprano en la fase de puesta en servicio para proporcionar el rango de frecuencia, ganancia y niveles de salida esperados. Si solo desea probar el VCO, se debe modificar el PLL para eliminar el control de circuito cerrado. Un método común para "romper el bucle" es desconectar R3 (ver Figura 2) y conectar la alimentación del laboratorio a través de C4 para que el voltaje de sintonización del VCO pueda variar dentro del rango deseado. La frecuencia de funcionamiento del VCO debe monitorearse en un medidor de frecuencia (o analizador de espectro) a medida que cambia el voltaje de sintonización. Registre la frecuencia de funcionamiento del VCO en varios ajustes de voltaje de sintonización.
● ¿Está el VCO en la frecuencia ''? Con base en los datos obtenidos de la prueba simple anterior, puede evaluar rápidamente si el VCO puede operar a la frecuencia requerida. Si el oscilador local de frecuencia intermedia (IF LO) generado por el VCO es superior a 183 MHz y la frecuencia más baja registrada en la prueba fue 187 MHz, el PLL no se bloqueará de fase correctamente. Para calibrar esta situación, se debe confirmar que todos los elementos resonantes en el circuito oscilador VCO tienen los valores de parámetros requeridos. Por ejemplo, si la inductancia L1 del circuito resonante (ver Figura 2) es demasiado pequeña, la frecuencia resonante aumentará. Siempre se debe tener en cuenta la ecuación utilizada para describir la frecuencia de resonancia de un circuito resonante LC simple: Fres es la frecuencia de resonancia en Hz. L es la inductancia (unidad H). C es la capacitancia (unidad F).
● ¿Están instalados los componentes correctos? Los componentes reactivos son demasiado pequeños para etiquetarse claramente. Esto significa que la forma más sencilla de probar componentes en un VCO es reemplazarlos con componentes de valor conocido. Dado que el montaje de la primera placa de circuito probablemente se realizó a mano, es muy probable que se soldaran en la placa componentes con diferentes valores de parámetros. Los componentes del tanque se pueden reemplazar según sea necesario para acercar la frecuencia del VCO al punto de funcionamiento deseado. Puede realizar correcciones al VCO como se describe en la Tabla 1, pero es posible que el PLL aún tenga problemas. Si la ganancia sintonizada del VCO difiere significativamente de los valores utilizados para parametrizar los componentes del filtro del bucle, el bucle puede oscilar. En la Figura 3, observe la pendiente de la curva trazada contra los datos de laboratorio obtenidos del diseño del prototipo. La estabilidad del bucle de retroalimentación requiere que la ganancia del bucle esté dentro de un rango específico. Si la frecuencia del VCO es superior a "s" pero el error de ganancia es grande, el bucle mismo oscilará, provocando que el VCO se module en múltiples frecuencias. Utilice datos de VCO en condiciones de bucle abierto para verificar que la ganancia del bucle sea cercana a la nominal. Si el VCO está sintonizado para una ganancia demasiado alta, el varactor estará demasiado acoplado al circuito resonante. Compruebe si el diodo varactor está instalado correctamente. Los condensadores que acoplan el varactor al circuito de oscilación (C2 y C3 en la Figura 2) pueden ser demasiado grandes. Por el contrario, si el VCO está sintonizado para una ganancia baja, es posible que deba aumentar los valores de C2 y C3. Divisor de frecuencia
● ¿Funcionará el divisor de frecuencia a la frecuencia requerida? Los diseños de PLL a menudo ignoran las especificaciones de los divisores digitales. El divisor suele estar en buen estado de funcionamiento, pero como no siempre está en buen estado de funcionamiento, el PLL a veces no logra el rendimiento deseado. Todos los crossovers tienen especificaciones para una frecuencia de entrada máxima (FMAX) y un nivel de entrada mínimo. En diseños que ignoran la especificación FMAX, el divisor "perderá pulsos". El circuito cerrado detectará entonces que la frecuencia del VCO es demasiado baja y ajustará el voltaje de sintonización a un nivel más alto. El crossover perderá más pulsos y el bucle intentará aumentar el VCO a una frecuencia más alta.
El bucle entrará en un estado "bloqueado" donde el voltaje de sintonización del VCO permanece en el voltaje de fuente. El problema operativo engañoso aquí es que el divisor de retroalimentación no solo debe dividir la salida prevista del VCO, sino que también debe dividir correctamente la frecuencia más alta que el VCO puede producir en condiciones de bloqueo. Para un funcionamiento confiable del bucle, las condiciones transitorias encontradas durante el inicio o los cambios de canal no deben provocar que se invierta la polaridad de retroalimentación.
● ¿Es la amplitud del VCO suficiente para impulsar el crossover? Los divisores de retroalimentación también tienen requisitos mínimos de amplitud de señal cuando están en funcionamiento. Asegúrese de que el nivel de señal VCO del crossover esté muy por encima del mínimo indicado en la hoja de datos en todo el rango de frecuencia del VCO. Cuando el nivel de la señal es demasiado bajo, el divisor de frecuencia a menudo perderá pulsos, lo que provocará que el PLL no funcione de manera estable en estado estable.
● ¿Están los divisores programados para corregir valores? Si el registro de control del divisor se carga con un valor incorrecto, el PLL no podrá generar la frecuencia correcta. Los divisores fijos de uno a dos son comunes en muchos PLL integrados en receptores (especialmente aplicaciones que utilizan circuitos generadores de señales), pero a menudo se pasan por alto. Finalmente, los registros de control PLL pueden cargarse con datos incorrectos debido a transferencias de datos erróneas en el bus serie. Configurar una red RC en una línea de bus serie ayuda a controlar el ruido y las interferencias que pueden provocar transferencias de datos erróneas. Se requiere un oscilador para garantizar que se cumplan los requisitos de sincronización del bus y que los datos proporcionados a los pines del IC del PLL sean válidos. Filtro de bucle El filtro de bucle establece el ancho de banda del PLL, la respuesta transitoria y da forma al espectro de ruido.
● ¿Están instalados los componentes correctos en el filtro de circuito? Si se instalan los componentes incorrectos, el ancho de banda puede ser demasiado amplio, lo que provoca que aparezcan bandas laterales espurias de la frecuencia de referencia en la salida PLL. El ancho de banda también puede ser demasiado estrecho, lo que hace que el ruido de fase del VCO excluya el espectro de salida y tarde demasiado en estabilizarse. Si el coeficiente de amortiguación es demasiado bajo, el bucle oscilará. Los condensadores de filtro de polarización tienen altas corrientes de fuga, lo que hace que el circuito requiera una calibración continua con grandes pulsos de bomba de carga. Esta calibración continua puede dar como resultado bandas laterales espurias en la frecuencia de referencia mayores de lo esperado. Se deben instalar condensadores de baja corriente de fuga (condensadores de cerámica, mica, película de polímero) para mejorar este rendimiento. ¿Están saturados los amplificadores operacionales en filtros activos? Un PLL sin una bomba de carga en chip tendrá una salida de detector de fase utilizada para controlar las condiciones de "impulso y reducción". Estos PLL suelen utilizar filtros de bucle activos. En el caso de un filtro de bucle activo, la etapa de entrada del amplificador operacional puede saturarse con cada pulsación del detector de frecuencia de fase. Dado que la salida de esta condición de saturación no se especifica ni se controla con precisión, la dinámica del bucle no cumplirá con las especificaciones de diseño. La solución es "dividir" la resistencia de entrada del amplificador operacional y poner un polo en la respuesta. Esto evita que los flancos rápidos del pulso lleguen a la entrada del amplificador operacional, evitando así la saturación del pulso. Es importante examinar el efecto de este polo adicional sobre la estabilidad del bucle, ya que reduce el margen de fase. Del mismo modo, algunas etapas de entrada del amplificador operacional "cambiarán de polaridad" en condiciones de encendido, lo que provocará que el bucle se sature debido a una gran alimentación. La solución es elegir un amplificador operacional que sea inmune a los transitorios de encendido. Detector de frecuencia de fase y bomba de carga Los detectores de frecuencia de fase y las bombas de carga a menudo están integrados con otros circuitos PLL, lo que hace que sea menos probable que causen problemas si el diseño es demasiado compacto. Por lo tanto, debemos esperar cierto margen de error. Los detectores de frecuencia de fase en la mayoría de los circuitos integrados funcionan de alguna manera a través de valores de registro. La polaridad del detector se puede configurar mediante control de software y la magnitud de la corriente de la bomba de carga puede tener múltiples valores definidos por el usuario.
● ¿Está configurada correctamente la polaridad del detector de fase? El control del detector de fase permite que el PLL IC funcione con ganancia VCO positiva o negativa, o compensar la inversión de señal en el filtro de bucle activo. Se debe verificar que el detector de fase tenga la polaridad correcta para que funcione con el VCO y el filtro de bucle especificados. Si utiliza un voltaje de control referenciado a tierra o un riel eléctrico para romper el bucle, solo necesita realizar una simple inversión de bits para que el PLL funcione. ¿La bomba de carga tiene la corriente esperada? La bomba de carga también (normalmente) la controla el usuario. Esto es conveniente porque permite que el sintetizador de frecuencia funcione en un amplio rango de sintonización y calibre los cambios de ganancia del PLL dentro de las bandas de frecuencia relevantes, logrando así una dinámica de bucle y características de ruido similares en frecuencias VCO bajas, medias y altas.
Si el sintetizador de frecuencia no cambia la corriente de la bomba de carga mientras sintoniza dentro de su banda de frecuencia, tanto la banda de ruido como el tiempo de sintonización cambiarán. Si un PLL en funcionamiento presenta cualquiera de los síntomas anteriores, la corriente de la bomba de carga puede estar configurada demasiado baja, demasiado alta o cambiarse de una manera inapropiada para la aplicación. Placa de circuito impreso El último aspecto que normalmente debe considerarse con un PLL es el impacto de la placa de circuito impreso (PCB). Como saben muchos ingenieros de RF, la placa de circuito impreso es una parte crítica del sistema y, por lo tanto, debe cumplir con las pautas de diseño. Normalmente, el área del filtro se "limpia" mediante un proceso para eliminar impurezas y mejorar el rendimiento del PLL.
Tenga en cuenta también: ● ¿Están blindados los cables de sintonización del VCO? Pequeños cambios en el voltaje de sintonización pueden provocar grandes cambios de frecuencia en los VCO de alta ganancia. La línea de sintonización VCO tiene una alta impedancia y el ruido puede acoplarse fácilmente a la línea y modular el VCO. Las líneas de señal digital no deben ubicarse cerca de las líneas de sintonización VCO. Los ingenieros experimentados evitarán colocar líneas de señal cerca de las líneas de sintonización del VCO para evitar cualquier impacto en el rendimiento del sintetizador.
El PLL ayuda un poco con este acoplamiento de ruido; el ruido de baja frecuencia dentro del ancho de banda del bucle se puede calibrar mediante el exceso de ganancia del bucle. El VCO es un filtro de paso de banda de banda estrecha con ganancia. Cualquier ruido con una frecuencia cercana al punto de resonancia del VCO puede acoplarse fácilmente al VCO y modularlo. Si el VCO está sintonizado con los armónicos de un oscilador de cristal de "estado sólido", se producirán salidas espurias cuando la energía armónica se acople en el bucle del oscilador VCO. Al evaluar los componentes individuales del PLL, los ingenieros de diseño pueden poner rápidamente en funcionamiento un sintetizador de frecuencia. Las técnicas y la información presentadas en este artículo le permiten depurar rápidamente un sintetizador de frecuencia y luego realizar una evaluación detallada del rendimiento de su sistema de radio.