Design-Praxis Schneller Frequenzwechsel mit PLL

LTC6946 - Integer-N Synthesizer mit integrierter VCO.
LTC6946 - Integer-N Synthesizer mit integrierter VCO.

Die Parametrierung einer Synthesizer-Phasenregelschleife mit dem IC-Baustein LTC6946 und der PLLWizard-Umgebung wird diskutiert.

Nicht nur in Funkapplikationen bewältigt eine Synthesizer-Phasenregelschleife (PLL) sehr schnelle Ausgangsfrequenzänderungen in einigen Mikrosekunden.
Der rausch- und störarme Integer-N PLL Syntheziser IC LTC6946, mit integriertem Voltage-Controlled-Oszillator (VCO), schaltet Ausgangsfrequenzen im Bereich von 0,37 GHz bis 6,39 GHz.

In Folgendem wird LTC6946-3 derart parametriert, dass seine Ausgangsfrequenz schnellstmöglich in 20 MHz-Schritten das 10 kHz Intervall um die Endfrequenz erreicht. Damit wird die Vergleichsfrequenz (Phase-Frequency Detector Frequency, fPFD) auf 20 MHz gesetzt. 100 MHz Eingangsreferenzfrequenz (fREF) bedeuten somit einen Referenzteilerfaktor von 5.
Nach Faustregel setzt eine stabile PLL-Schleife eine um mindestens den Faktor 10 kleinere Schleifenbandbreite (LBW) als die Vergleichsfrequenz vorraus. Im Beispiel wird die LBW auf 2 MHz gesetzt: Dies optimiert das Gesamtrauschen, da in diesem Frequenzbereich, im Gegensatz zur Festlegung der LBW am Frequenzoffset, das In-Band Phasenrauschen der PLL dem Phasenrauschen des VCO entgegen wirkt. 
Mit der PLLWizard-Software werden die Filterkomponenten für den LTC6946-3 zur Generierung eines 4 GHz Ausgangssignals bestimmt: Nach Eingabe von fPFD und LBW werden die Bauteilparameter für die Regelschleife in wenigen Mausklicks berechnet.
Bild 1 zeigt die PLLWizard-Umgebung im Designprozess:

Zur Verifizierung wird noch das erwartete Phasenrauschen simuliert.
Bild 1 zeigt ebenso die mit der PLLWizard erzeugten Prognosen.
Im nächsten Schritt wird die Schaltung in Betrieb genommen und das Phasenrauschen mit einem Keysight E5052A Signal Source Analyzer untersucht.

Die Messung (Bild 2) liegt in guter Übereinstimmung zur Simulation. Nun wird die Einschwingzeit am Ausgang des LTC6946-3 für den Frequenzwechsel mit 20 MHz Schritten und 10 kHz Korridor von 3,98 GHz auf 4,00 GHz gemessen.

Bild 3 zeigt die mit dem Signal-Source-Analyzer E5052A erfasste Sprungantwort.
Zur Präzisionsmesswung der Einschwingzeit wird die Bandbreite des E5052A Detektors verringert:

Bild 4 verfiziert eine Einschwingzeit <15 µs des LTC6946-3-Ausgangs.

Moderne Synthesizer ICs mit integriertem VCO nutzen mehrere interne VCO Sub-Bänder zur Abdeckung des gesamten Ausgangsfrequenz-Bereiches.
Mit jeder Änderung der Ausgangsfrequenz muss der Synthesizer-IC zur Bestimmung des richtigen VCO-Subbands, eine interne Kalibrationsroutine durchführen. Bei großer LBW, wie in diesem Beispiel, nimmt diese einen großen Teil der Einschwingzeit in Anspruch.
Da bei LTC6946-3 der Kalibrationsprozess typischerweise nur wenig mehr als 10 µs ausmacht, kann die Einschwingzeit von 15 µs erreicht werden.
Bild 3 und 4 zeigen die in der Praxis unerwünschte Variation der LTC6946-3-Ausgangsfrequenz während der VCO-Kalibration.
Mit Setzen des MTCAL-Registers auf 1 wird die Ausgangsfrequenz während der Kalibration gesperrt.

Mit obigen Schritten können die Bauteilparameter applikationsabhängig bestimmt werden.

Das DC1705 (LTC6946) Demo Board ist eine umfassende Entwicklungsplattform zur Evaluierung der PLL-Leistung bei unterschiedlicher Filter- und Frequenzkonfiguration. Das DC2026 Linduino USB Controller Board sichert die Kommunikation zwischen PLL Demoboard und dem PC mit der PLLWizard-Umgebung.
Die PLLWizard GUI ermöglicht die vollständige Steuerung des DC1705. Zur zeiteffizienten Programmierung schneller Frequenzwechsel sollten einige Zeilen Linduino Code geschrieben, (z. B. mit der Arduino IDE) und das DC2026 Board bei maximaler SPI-Interface-Geschwindigkeit betrieben werden.

Mit der, bei obiger Phasenrauschevaluation, groß gewählten LBW stellt sich die Frage nach dem Störverhalten bei kleineren LBWs: Bei herkömmlichen Synthesizer-ICs sollte es sich verschlechtern. Nicht so bei LTC6946: Mit 2 MHz LBW und 20 MHz fPFD werden beachtliche −90 dBc Störunterdrückung erreicht (Bild 5).

Der LTC6946 zeichnet sich durch geringes Phasenrauschen und Störsignalgeneration aus.
Mit schnellem Frequenzwechsel ohne Einbußen in der Störanfälligkeit ist er zur Erzeugung rauscharmer Signale in Frequenzsprung- Kommunikationsapplikationen eine gute Wahl.