4. Refetentgtiinfific:
Cercefiitorprincipal ing. Mihai ANGHEL
EDITURA TEI{NOPRESS
Str.Zimbruluinr.17
700047
Iagi
Tel/fax: 0232260092
E-mail: office@tehnopress.ro
http://www.tehnopress.ro
norrunA.lcnrorr.lrA cNcsrs
EDITATCU SpnrrnVUl
AUToRrrATrr NATToNALE
IENTRU cERcETAREgrnNlnIcA
ISBN97E-973-702445-9
5. Cuprins
Cuvdnt inainte ........7
Introducere ............9
1. Arhitectura interni a radioreceptoarelor...... ..............11
1 . 1G e n e r a l i t ; l i
. . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . 1 1
1.2Receptorul
superhetero dini
. . . . . . . . . , . . , . ,......1 1
1.2,1Mixajul
in radiorecept oar e. . . , . . . . . . . . . .,.,,,..t2
1.2.2 Problematica
receptoarelor
superheterodinE,
frecvenlaintermediarS,
selectivitatea
gi
sensibilitatea, ....,..,1 3
1.2.3Bilanlulamplific5rii
gi al zgomotului
intr-unreceptor........ ...............15
1.2,4Alegerea
planului
de fre cven! 5
. , , . , . , . ' ; , , , ; . , . . . . , .,...,....,.,.1 8
1 . 3 R e c e p t o a r e c u c o n v e r s i e d i r e c t 5 . . ' ' . , . . ; ' - ; . . . , , , , , ' ' , . ' . , , . .
1.3.1Receptoare
sincrodinbcu rejecliauneibenzilaterale.
,,..,.,,;,.,,.,,,,,,,..,,,...,,,.,,,,.,2
1,3.2Demodulatorul
cuadrifazic
in com ut at ie. , , , , . . . , . . . . . . . ....,........,.,..,...,,2
1.4 Receplia
emisiunilor
digitale ....................24
1,5 Receptorul
Software ....,.,.,.,,25
1.6Afigarea
frecventei
de acord...,,., ..,..,..,,..,.26
1.7 Facilititiuzualeale receptoarelor
performante., ..,.,,.,.....27
2. Circuitul de intrare in radioreceptoare......... ...............28
2.1 GeneralitEti
.............., . . .......2 8
2.2 Cerinte
generale .,.,,.,..,,..,,,.2 8
2.2.1Dimensionarea
element elor
L- C. . . . . . . . , . . . , . .......,.....,...,2 8
2.3 Bobine..., ........2 9
2.3.1Carcasa
bobinelor.,., . . .,..,.,3 0
2 . 3 . 2B o b i n e
p ea e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1
2.3.3Bobinerealizate
pe materiale
feritice......... .,,,..,...,...,.31
2.3.4Condensatorul
variabil. , . , , . , , , .................3 2
2.4 Proiectarea
gi construcliacircuitelorde intrare.,,,.. .,,,,,.,,32
2.4.1Circuite
acordabile ............3 2
2.4.2 Solutiipracticede circuitede intrare ...,.,34
2.4.3 Circuitede intrarecu acordautomat ,...,.35
2.4.4 Circuitede intrarepentru receptoarefunclion6nd in domeniulmicroundelor,.,.,,,,,37
2.5 Distorsiuni
cauzate
de circuitele
de intrare ,..,...,...,....,...37.
2.6 Circuite
de proteclie
a intrErii
,.,.... .,.,.,.,..
..39
2.7 Consideratii
finale ,...,......,,.,40
3. Amplificatorul de RF..........,.,.. .......,.........
42
i:ifHHEi#$#+-i-'.;::i
3.7 Consideralii
finale , . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...............5 7
4. proiectarea amptiricatoaretorde zsomot -i;:::.:::::::.:::.:::::::::::::::.....................
s8
4.1 Adaptareacircuitelorde intrare-iegire
in LNA-uri
. ......,,,..58
4.2 Teorematransferului
maximde outere.......... ,,.....,,,.,...58
4.3 Adaptarea
impedan!e1o r . . . , . . . . . . . , , . . : . . , . ......5 9
4.4 Pierderile
in circuitul
de intrare.,.,. .,.,..,,,,,.62.
4.5 Stabilitatea
amplificato ar elor
de RF: . . . . . . . . . . . . . . ....,..........6 3
4.6 Polarizarea
tranzistoarelor
GaAsFET.............. ,....,..,..,,.64
5, Mixere de receptie ........,.,....74
5.l Parametrii
principali..., . ........7 4
5.2Tipuride mixere..... ,,,,,,,,.,...7 4
5.3 Mixere
cu diode ..................7 5
5.4 Comportarea
mixerului
in comutatie
cu diode,la diferitesarcinide iegire................79
5.5 Mixerecu terminalienesenzitivS. ,...,,.,.,,,,80
5.6 Folosirea
unuicircuitdiplexor........ .,,..,.,,..80
3
6. 5,7 Amplificator
post-mixer .,..,.,.81
5.8 Filtrein structuriechilibratS, ,.,...............82
5.9 DouEmixere
in structur5
echilibr at 5. . . . . ....,,....,.............8
5,10Mixere
< exotice
> cu diode, . . , . .,.............8 3
5.11Mixere
cu FET-uri ...,...,,.....8 4
5.12 Mixerein comutatie
cu tranzistoare
FET.............. ,,,.,..,86
5.12.1Mixerul
"H-Mode" ...,,,,.8 6
5,13 Mixerecu tranzistoare
bioolare,.,,, ..........90
5.14Comparatii
Siconsideratii
finale ..............91
6 . B loculIF,.............. ,.....,...,,...9 3
6 . 1G e n e r a l i t ; t i . . . . . . . . . . . . . , , . , . , . . . . . 9 3
6.2 Etajede IF cu tranzisto ar e, , ,...,.,,,.,..,.......9
6,3 Etajede IF cu circuiteintegrate...... ..........94
6.4 Tipuride filtrefolositein IF gi utilizarea
acestora....... ...............,,.,.,.,97
6.4.1Realizarea
practic5
a filtrelorcu cuar!....
.... ,,.,,,.,.....
99
6.4.2 Filtrecu selectivitate
concentratirealizate
cu bobine,,,... ...........101
6,4.3 Distorsiuni
produsede filtre .............102
6.4.4Comutarea
filtrelor ......102
6.5 Stabilitatea
amplificatoarelor
de frecventd
intermediarE ......,.,...,,....,
104
6.6 Regimul
tranzitoriu
in etajele
de I F. . . . . . . . . . . ,,,.,.,..........
1 0 5
6.7 Alteamplificatoare
IF integrate ..............105
6.8 Zgomotul
in blocul
IF..... . . . , . . . . , . . .,..........
1 0 6
7. Osci1atoare.,....,.......... .........1O8
7.1 Cerintegenerale
impuseoscilatorului
|oca|............. .,,..108
7.2 Conditia
generald
de osc ilagie, . , ..............1 0 9
7.3 Proiectarea
oscilatoarelor,
structuride bazE ................109
7.4 Criterii
de selectie
pentruelementele
utilizate
in oscilatoare .............111
7.5 Consideralii
tehnologiceSiconstructive
pentruosci|atoare............................,,,...
113
7.6 Schemepractice
de oscilatoare
pentrufrecvenlesub 100MH2,,...,...................,,...
114
7.7 Schemepractice
de oscilatoare
pentrufrecvente
intre 100MHz
9i 1GH2.,...,,,.........117
7.9 Oscilatoare
cu cristalde cuart .....,,,,,,.,,..
119
7.10Scheme
de oscilatoare
c u cuat .,..,,,.,...1 2 0
7,11 Schemepractice
de oscilatoare
cu crlstal ..................
t22
7.12 Oscilatoare
cu cristal,de zgomotredus......,.,.. ..........L23
7.13 Standarde
de frecvenliatomice ...........L25
7.14 Bufferul. ......L26
8. Sinteza de frecventS ,.....,....134
8.1 Sinteza
digitald
directE. . , . , . . . . ....,..,....,.,..1 3
8,2 Sintezade frecvent5
cu circuitbPLL.....,........ .............
L37
8.3 Exemple
de circuitePLLintregi.,., .,.........
140
8.4 Filtrul
de buclS ...........,...,,.1 5
8.5 Comparatoare
de fazSlfrecventE .............152
8.6 Prescalere .....153
8.7 Sintetizoare
de frecven!5fraclionare. ......154
8.7.1Metodede compensare
a semnalelor
parazite
in FLL-uri
fractionare...,..,........,...15
8.7.2 Rezolutiasintetizoarelor
fraclionare ..... 158
8.7.3Calcularea
filtrului
de b uclS .................1 5
8.8 Exemplude folosirea unui PLLfraclionarpentru un receptorcu dublSconversie,.,.159
8.9 Comanda
sintezei
de frecven!5
cu microcontrolere.,,,..,.,,., ..............162
8.10 Arhitectura
modernS
a sintezelor
de frecventE ...........
163
9. Demodulatoare.......... ....,........,:..., .........L67
9.1 GeneralitEli,
parametrii
pr incipali. , , . , . . . . . . . . r.....,,,,..; .....1 6 7
9.2 Demodulatoare
AM .,,.........1 6 7
9.2.1 Demodulatoare
pentrusemnalecu purtStoare
suprimatE.. .............169
9.2.2Detectoare
de produ s
cu supr im ar ea
uneilat er al
, , , , . ,..................................
L 7 t
9.3 Demodulatoare
FM ,.,,,,,,,,,,
L 7 2
9,3,1 Detectorulde raoort ,,,, L72
9.3.2 Demodulatoare
in cuadratur5. ,..,,,,.,,I73
9,3.3Demodulatoare
FMc u cir cuit e
PLL. . . , . . . . . . . . . . .,,,,,,,,,I7 4
9.4 Demodulatoare
digitale ......I74
4
7. 1O.Circuitul AGC.,.......... .........L76
10.1Generalitdti
..........,.. . . .....1 7 6
10.2Constantele
de timpAGC. . . . . . . , . , . . . ........
L 7 7
10.3Scheme
practice
de circ uit e
AG C. . . . . . . . . . . . . .................L 7 7
10,4 Modalit6ti
de controla amplificErii. ........180
10.5BucleAGCmultiple ,........,183
10.6Circuitul
AGCla receptoarele
FM ......,.,.,
183
1 0 . 7A G Cd i g i t a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ; . . . . . . . . . . . . . .
1 8 3
10.8Stabilitatea
buclei
AGC . . , . . , . . . . , . . ....,......
1 8 4
10.9S-metrul ,....185
11. Etajul de A.F......... .............187
12, Blocul de alimentare ..,.,.,......... ............189
12.1Stabilizatoare
liniare .,...,.,189
12.2Sursein comutatie., ..,.,..,,1 9 1
12.3Alimentarea
echipamentelor
portabile ,,,,L92
13. Circuite auxiliare..... ,..,..,.,.195
1 3 . 1F i l t r e
N o t c h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 5
13.2Noise
Blanker .................1 9 6
13.3 Procesarea
digitalS
a semnalelor
(DSP)........... .......,..200
13.4Selectivitate
variabilS
(P.B.T,) ..............201
14, Teoria zgomotului ,............2O4
14,l Naturazgomotului
electric .,,..,.,,...,.,..,,2O4
t4.2 Cifrade zgomotgi factorulde zgomot,.... .,....,....,...,..
205
14.3Zgomotul
unuilantde am plif icat oar e, . . , . , . . . . . . . . . ,.......,2 0 6
14,4Temperatura
de zgomot ....,......,.....,,..,2 0
14.5Zgomotul
in retelepasi ve. , . , , . , , . . ..........2 0 8
14..6
Temperaturade zgomotin sistemede recep!ie... .,,,..,209
14,7Temperatura
de zgomot ,..,.,,,,,,,,,...,..,,2 L
14.7.1Calculultemperaturiide zgomotintr-un sistemde receplie ,.,.,.,.,.?-L2
14.8Cegtigul
antenei raportatla temperatura
de zgomota sistemu!ui
(Gff) ..........,...213
14.9 Raportulsemnal/zgomot
in sistemecriogenice. .,..,...,,2L3
15. Zgomotul in niixere ,....,.....216
15,1Surseinternede zgomotcareafecteazS
mixerele....... ....,.......,.,..,.216
15.2 Surseexternede zgomotcare afecteazE
mixerele ,,,,,,2t7
15.2.1Zgomotulcauzatde Frecvenla
Imagine. .,,,,.,,,,.,,2L7
15,2,2Zgomotulcauzatde Oscilatorul
Loca1............ ......2I7
15.2.3Zgomotulcauzatde mixareareciproci ,....,.,...,,..22t
16. M5surarea29omotu1ui...........,...... ........222
16,1sursade zgomot .........,.,.2 2 3
16.2MEsurarea
temperaturii
de zgomotprirrmetodacoeficientului
Y ,....................,,..224
16.4 M5surarea
cifreide zgomot cu ajutorulanalizorului
de spectru .,.,,.,,226
16.5Metoda
surselor
de zgo m otst elar e. . . . . . . . . ..................2 2 7
'17. Parametrii principali ai radioreceptoarelor ..........,...229
17,1Cifrade zgomot..... ..........2 2 9
17.2Distorsiuni
produse
de etajeleradioreceptoarelor,,....,..,., ..............
230
17.2.1Punctul
de compre sie
la ldB . . . . , . . . . . ...,..,.......,....2 3
17.2.2Punctul
de interce pt ie
I P29i iP3. . . . . . . . . . . . . . ..........2 3 2
'
L7,2,3Nivelul
semnalelo r
par azit e
int er ne ....................2 3
17.3 Sensibilitatea,gama dinamic5gi zgomotulde faz5 ....234
17.4Se|ectivitatea.......,. . . . , . . . . . . . . . . . . . . ' . . . . . .....2 3 6
17.5Impedanta
de intrare9i coeficientul
de reflexie .......,..236
17.6Altiparametri
ai receptoar elor . . . . . . . . . . . . . . . . ..,,,.,.,.,,.,,,,2 3 7
t7,7 Careestecifrade zgomotgi gamadinamicide careavem nevoie?.,.,.,,,,..,.,.,,,...238
18. Problematica EMI in radioreceptoare......... .........,.,..240
18.1Cuplaje
parazite ..............2 4 0
18.1.1
Teoria
g5urilor
de trecer e
- via. . . . . . . . , , . , , ,,,,,,,,,,.,,,,,,2 4 3
18.1.2Filtrarea
surseide alimentare ,,,,,,.,...,244
18.2Ecranarea
circuitelor
lucr6ndla frecvenlemari............. ,,,,,,,,...,,.,..245
18.3Materiale
absorbante
pentrumicrounde,............. .,.,..248
19, Scheme practice de radioreceptoare....,.,,. .......,.,....r,..,.....,.........24
(
8. 19,1Radioreceptoare
superheterodind..,,.,,,,,,.,.., ,..,.,..,,,,,249
19.2 Receptoare
sincrodin5 ,...,,254
19.3Receptor
pe 432MHz
cu circuitul
AD607 ....................262
19.4Receptor
sincrodind
pentru1295MH2..............,. ........267
2O.Software Defined Radio - SDR........... .....................271
2 0.1GeneralitEti
......,.,...., ......2 7 L
20.2 TeoremaegantionErii
2 0.3Conversia
analog
nume r ic5 ,,.,,.........,.,.2 7
20.4 Subegantionarea .............276
20.5Supraegantionarea.,,,,, ,,,.,276
2 0 ' 6 C i f r a d e z g o m o t a c o n V e r t o a r e | e A / D . ' . . ' . ' ' ' .
2 0.7Jitter-ul
Siconveftoarele
A/ D. . . . . . . . . . ..,..,..,..,,,;,.........2 7
20.8Amplificatoare
utilizate
in conjunclie
cu convertoarele
A/D ...,,..............,,..,.,.,..,.28
20,9 Parametriiesenlialiai amplificatoarelor
operationale
utilizatein receptoare,.,.....,.280
20,10Zgomotulamplificatoarelor
operaliona|e,,...,,.,... .,.,,,280
20.11Distorsiuni
in amplificatoarele
operationale.. ,...........283
20.12Procesarea
digitalS
a semnalelor
-DSP.........,. .,.,.....283
20.13Folosirea
unuicalculator
PCpentruaplica!ii
SoftwareDefinedRadio.....,............285
20.14Construqiipractice
pentruSDR ..,.,.,...286
20.l4.L Receptor
simplupentrubandade 7MH2........... ....................
287
20.14.2Receptor
simplupentrubandade L44MH2........ ....................
288
20.L4,3Receptor
cu demodulare
in cuadraturd
cu e5antionare....,,...,.,.,..,..,..,,.,.....2
21. Componente Si materiale utilizate in radiotehnici .............. ........293
2 1.1Tranzistoare..,......... . . .,..,2 9 3
2 1.2Diode.... ......2 9 4
2 1.3Rezisten!e..,.,......... . . ......2 9 5
21,4 Comportarea
condensatoarelor
la frecvenlemari ,,,,.....,.. .,.,...,,.,.,.295
21.5 Comportarea
inductantelor
SMDla frecventemari............. ............300
2 1.6Cablajul
imprimat....,. ......3 0 4
ANE XA1......."......., ..,,.,......,....3 0 6
ANE XA2,............,., ,..,.............3 0 7
ANEXA3 ..............., ,.,.,,..,......,.310
ANEXA3 ........,....... ...............,.311
ANEXA4 ................ .................312
ANE XA5....,...,....... ...........;.,.,.3 1 4
ANE XA6................ ...,...........,.3 1 5
ANEXA7 .....,.,........ ...,.,.....,...,.316
ANEXAI ................ .....,...........317
ANEXA9 ..........,...., ......,..........319
ANE XA10..........,,.. ....,............3 2 4
9. Cuvdnt inainte
Cartea de fat5 se adreseazE celor ce lucreaz5 in domeniul radiocomunicaliilor,
studenlilor electronigti,radioamatorilorexperimentali,precum Si tuturor celor pasionalide
acestfascinantdomeniu:radiocomunicaliile.
In septembrie1998^incheiamscriereaprimei mele c54i despre radioreceptoare.
Au
trecut de atunci nou6ani. In nou6 ani s-au intSmplatmulte in acestdomeniu,au apirut noi
tehnologii,noi componenteSievident noi instrumentede analizSgi proiectare.
Atunci c6nd am scris prima carte in 1998, am f6cut-o in buni misuri pornind de la
constatareatristi ci pe piata rom6neascEnu era disponibilEo carte dedicati in primul rSnd
aspectelor practicelegate de constructia radioreceptoarelor, De la teoria inv5lat5 in facultate
pind la practicanecesarE
realiz6riiunui receptoreste o cale lung5.At6t de lunga,inc6t prea
des incerc5rile se termini cu egecuri sau realiz6ri mediocre. Prea des reugite sau egecuriin
domeniuau fost pusepe seama"magieinegre".
Chiar dac5 punctul de plecare al acestei noi c6rti a fost cartea despre receptoare
scrisade mine in 1998, am rescrismulte din acelemateiialegi am ad5ugat i:apitolenoi. in
timp, interesulpentru frecventeledin domeniulmicroundelora crescutSi acest lucru a fost
reflectat in carte prin abordarea multor scheme pentru frecvenle p6nE la 2-3GHz.
Problematica zgomotului in receptoare, dat fiind importanta extremE a subiectului, a fost
tratat5 in trei capitole separate, Proiectarea amplificatoarelor de zgomot mic este o alt5
noutate in aceast5 carte, Unele scheme, ce conlineau componente a cEror fabricalie a fost
sistatS,au fost inlocuitecu altele ce contin componentemoderne, Noua cafte prezinti noi
tehnologii9i noi componente.Multe din componentelenoi prezentatesunt usor procurabile
din surse gen Digi-Key,Dezvoltareaexploziv5a componentelorpentru telefoniacelularEa
fEcut ca preturile cornponentelorce funclioneazi la frecvenle sub 3GHzsd scad5 drasiic AisE
devin6ugoraccesibile
pe piat5.
Lucrul cu frecvente mari s-a "bucurat" de renumelede greu abordabilsau rezervat
doar pentru specialisti.De fapt, este mai simplu dec6t pare la prima vedere. Esteaciev5ratcE
pentru performante deosebite se cere 91aparatur5 de misurE adec.rat6,ins5 in nnultecazuri
anr vdzut realiziri incredibileficute cu un minim de aparaturEgi aceeaveche, Exist5c6teva
lucruri ce nu se inva!5 din.cSrti: curajul de a incercalucruri noi 5i perseverenla.Personal,
cred cEf5rd acestedoud elemente,progresuleste imposlbil,
AstEzisunt mai putini radioamatoriconstructoriin lume dec6t acum 30 de ani, atat
din cauzaaparitieiechipamentelor
de serie pentru radioamatori,la preluri rezonabile,cat Si
din cauza performantelorcerute aparaturii,care sunt din ce mai greu de atins cu mijloace
amatoricesti. Cu toate astea, exist5 destui entuziasti care construiescaparaturi home made.
Existi in lume multe reviste gi c5rti de calitateexcelenti in domeniu gi in plus, internetul,
care reprezinti o excelenti surs6de informalii,Radioamatorii
din intreaga lume uimescprin
nivelul tehnic 5i realizdrilepracticedeosebite,prezentatecu ocaziadiferitelorsimpozioane
internationale,solulii care sunt apoi citate Tn cele mai prestigioasepublicalii profesionale,
Cum altfel pot fi catalogateechipamentele
realizatede radioamatorilucr6ndpe 411 GHz,sau
munca de pionerat desf6guratain domeniul Software Defined Radio? Aparilia receptoarelor
software a dat prilejul acelor radioamatoricu cunostinte de prog-ramare,s5-gi etalezedin plin
calitElilede programator dar gi de realizatorde hirdware.
-in
multe situalii, rezultaiele
deosebitesunt rodul unei munciin echipS,
Scriereac54ii mi-a luat circa un an de munca (nu intotdeaunafoarte eficient5,..,).
Evidentast5zipot spune cE gtiu mai ?nultedecet am Stiutcu B ani in urmE gi de aceeacred
cE aceastEcarte va fi mai buni decat precedenta,
Lucrareaeste redactatEintr-o manier5accesibilE,
solicit6ndins;, un nivel mediu de
cunostinte prealabile in domeniu, Pun6nd accent pe pr:oblemelede ordin practic ale
proiectdrii radioreceptoarelor,cartea de fatd poate reprezentaun instrument deosebit de util
tuturor specialigtilor
din acest domeniu de v6rf al electronicii:radiocomunicatiile,
Pentrucei
ce vor sE aprofundezemai mult unele aspectetehnice, am indicat principalelemateriale
bibliografice
folositela elaborareafiecdruicapitol.Si pentru cd cel mai usor se inlelege prin
exemple,am prezentatzeci de exemplede calculfolositein proiectareacurentE,ce necesiti
un bagaj matematicminimal.
I
10. Cartea se bazeazd pe experienla practic6 personalS,acumulat5 in cei peste 20 de ani de
munci in domeniul proiect6rii echipamentelorde radiocomunicatii.Este de asemenea,
rezultatul consult5rii a zeci de drti de specialitate,cursuri universitare, reviste profesionale,
note de aplicatiisau cataloage.
Cei care lucreazEin acest domeniu sau chiar Si radioamatorii care au avut pl5cerea9i
curajul sE realizezeo constru{ie practic5, gtiu cE rezultatele nu se obtin uSor gi ci deseori
egecurilesunt mai numeroase decdt rezultatele bune. De egecuri nu sunt ocoliti nici cei mai
buni, indiferent de num5rul anilor de experienlE.Esenlialeste sE se giseascE solulia
problemei!Cu totii invigam din gregeli(mai binedin celeficute de altii...hi,hi).
C6teva cuvinte despre schemele practice prezentate, Multe dintre acestea conlin
componente complexe, din generatiile recent apErute pe piat5. Complexitateaacestorcircuite
este evidentiat5gi de dimensiuniledin ce in ce mai mari ale datelor de catalog. 30-40 de
pagini pentru o sintezEde frecven!5 fractionarE este un fapt curent, chiar gi un banal GaAs
FETpoateajunge la 8-10 pagini.Oric6tde plictisitoare
gi aride ar fi, acestematerialetrebuie
citite Siinfelese, inainte de a folosi componenta respectivd.
in incheiere, un cuv6nt de mullumire pentru toli cei care m-au ajutat gi au crezut in aceasti
carte precumgi familiei,careinci o dati mi-a acordattimpul necesar,
Vancouver, Februarie 2OO7
Ing. Ftorin Cretu
voScRz
11. Introducere
Introducere
Putinesunt domeniiletehnice in care schimb5rilese produc cu o vitezi comparabilS
cu cea din domeniulechipamentelor
de telecomunicalii.Deseoris-a vorbit de o revoluliein
domeniulechipamentelor
de telecomunicatii
odatEcu apariliatelefonieicelulare. Trecereade
la comunicatiileanalogicela cele digitale pe suport radio, a dus la aparitiade componente
noi, cu performanle greu de imaginat cu doar 10-15 ani in urm6. Investitiileficute in
infrastructuratelefonieicelularela nivel planetarau fost uriage,apropiindu-se
cu pagirepezi
de cifra de 1000 miliarde USD. In 15 ani au apErut nu mai putin de trei generalii de
echipamentecu performantedin ce in ce mai ridicate.Num5rul tot mai mare de utilizatori,
precum gi cerintele crescute de vitez5 pentru transmiterea datelor, au dus la epuizarea
rapid5 a capacit6tiispectrelor de frecvenlE din domeniul 800-9B0MHzgi se apropie de
saturare benzilede 1800-1990MH2.
Benzilede 2100-2200MH2
au fost deja alocate pentru
noilesisteme3G in multe tari Sise vor extinderapidla nivel planetar.
Dar telefoniacelularanu este singura care a contribuit la acest progres, Banda de
2'4GHz,folosit5in specialpentru comunicatiidigitale,este aproapede limita de saturarein
multe regiuniurbane,motiv pentru care au apirut deja echipamentece lucreaz5pe 5.8GHz.
Utilizarea comunicatiilorcu spectru imprdgtiat, c6ndva folositE doar pentru comunicatii
militaresau guvernamentale,
a devenitun fapt curent chiargi in telefoanelecordless.SE mai
amintim de radiodifuziunea
digitalS prin satelit sau relele terestre precum gi televiziunea
digitalScare cunosco dezvoltareexplozivd.
Legat de comunicaliilemobile, sE mai menlionam c6teva sisteme ce opereazi in
banda L 5i S cu acoperireglobalS:telefoaneleportabileprin sateiit (sistemeleGlobalstarSi
Iridium), sistemul de comunicalii prin satelit INMARSAT,precum gi receptoareleutilizate
penti'u determinarea pozitiei (GPS-USA, GLONASS-Rusia
gi viitorul sistem Galileo-EU),
Comutticatiile
prin satelitau ajuns sa fie astizi un fapt banal,fie cE e vorba de transmisiide
date, programeradiosau TV.
Din cele de mai sus.rezult5 un lucru clar: suprasaturareabenzilor de comunicatii
clasiceCindomeniulundelorscufte a dus la deplasarea
frecventelorde interesdin domeniul
undelor scurte sau UUS in domeniul microundelor.Producitorii de componente au fost
nevoiti sd dezvolte componente pentru aceste benzi, la un nivel de performant5 fErE
precedent,la preluri din ce in ce mai mici. SE ne amintim cE un telefoncelularacum 15 ani
putea fi cumpSrat cu circa 1000USD,in timp ce ast5zi un model ieftin este in jur de
100USD,in conditiilein care performanlele gi dimensiunileaproape cE nu mai suportE
comparalie. Si recapitulamdeci: componentecu dimensiunitot mai mici, ce lucreaz6la
frecvente tot mai mari, cu tensiuni de alimentare tot mai mici, la care se adaug6
microprocesoare tot mai puternice. Acestea sunt ingredientele de bazd ale noilor
echipamentede comunicatii.
Nici echipamentelece lubrebzi in unde scufte nu au rEmas neatinse de noile
tehnologii.Parametriipe care le aveau,in urm5 cu 15 ani, doar echipamentele
profesionale,
sunt astEzidepSgitede echipamentece sunt destinateradioamatorilor.
Utilizareasintezeide
frecven!5, lucrul cu frecvente memorate, selectivitateavariabilE sau circuitele de prelucrare
digitali a semnalului de audiofrecvenlEsunt facilitEtiaproape comune la echipamentele
produsein prezent.Fireste,exist5o largi diversitatede echipamentede comunicalii. Exist6
astfel, echipamente de mare perform-anti, deosebit de sofisticate, care necesiti operatori
bine preg5titi pentru a le putea f6losi la performanle maxime, dupE cum exist5 9i
echipamentede o simplitateextremE(care au 1-2 butoane)ce pot fi folositede oricine. G5t
prive5te complexitateaSi performanteleechipamentelorde comunicatii, trebuie spus cd
peformanta inseamn5totdeauna un pre! de cost mai mare. Pentru a alege cea mai bun|
solu!ie la un sistem de comunicalie dat, totdeauna trebuie fEcut clasicul compromis
cost/performate. Se pot astfel, achiziliona echipamentece cost5 2OO-3OO$
sau echipamente
de 20.000$ce fac in principiuacelagilucru,dar la un nivelcalitativincomparabil,
Progresultehnologic,duce la inlocuireatreptat5 a unor tipuri de echipamentede
comunicatiecu altele noi. SE amintim aici de serviciile
telegrafice(Morse)care au fost rind
pe r6nd desfiintategi inlocuite cu tehnologiidigitale.Codul Morse, care a fost ani de zile
12. Introducere
principalulmijloc de codare a informaliei, este in curs de a fi eliminat gi din cadrul
radiocomunicatiilor maritime. Singurii utilizatori ai codului Morse (Si implicit ai
echipamentelorrespective)vor rEm6ne radioamatoriigi unele servicii de comunicagiidin
tErilesirace.
Tehnologia in domeniul radiocomunicatiilorse dezvolta rapid, permanent apar
componentenoi gi noi aplicatii. De multe ori, chiar 5i pentru profesionigti
este dificils; tin5
pasul cu ritmul schimbdrilor,Ne obignuisemca un tranzistor sau circuit integrat sa fie
disponibilpe piata20 de ani sau mai mult. Astizi unelecomponentesunt inlocuitela 4-5 ani
de la aparitie,cu altele mai evoluate,aga inc6t cel ce lucreazE
in domeniu trebuie sa fie in
permanen!5in contactcu noul, pentru a nu fi depSgitde vremuri....
Ce ne rezerv6 viitorul in acest domeniu? Greu de fdcut preziceri, ins6 deja se
intrez5resc noile tehnologii legate de receptoarele software, precum gi deplasarea
frecventelor de operare actuale pe frecvente gi mai mari. Tehnologii care sunt inc5 in faza de
inceput, ca BlueTooth
, Zig}ee, WiFi, WiMax sau RFID se vor maturiza gi vor fi utilizate
curent.
La inceputul anilor 90 a fost lansatE ideea receptoarelor software SDR (Software
DefinedRadio),Aceastaeste indiscutabilcea mai profund5schimbarein tehnologiaradio de
la inventareasuperheterodinei
in anul 1918.Au trebuit sEtreacEun numdr de ani, p6nEc6nd
componentelecerute de acest nou tip de radio sE apari pe piata gi noul concept sa poatd fi
transpus in practicEin mod efectiv, Astizi exista pe piata un numir de realiz5ricomercialein
acest domeniu gi in viitor cu siguran!5 acest tip de receptor va inlocui in bun5 mEsurd
receptoarele
clasice. Si mai amintim de conceptul"CognitiveRadio",care duce SDRun pas
mai departe, e vorba de receptoare inteligente capabile sd se reconfigurezesingure functie
de tipul de emisiunesi conditiileconcretede trefic.
Proiectarea gi constructia unui receptor modern este o intreprindere dificilE, fiind
necesare informatii profunde despre componentele asigurate de producitori, o bund
informare asupra tehnicilor folosite de principalii producEtori de echipamente de
radiocomunicatii,
precumgi o buni pregdtireteoreticEgi practic6.Un sprijinimportant pentru
proiectantulde echipamentede radiocomunicaliiil reprezint6tehnica de calcul. Folosirea
programelorde analizEpe calculatora circuitelorelectronice(gen ADS, Eagleware,
Serenade
sau MicrowaveOffice)sau de realizarea cablajelorimprimate (Pads,Orcad, Pcad, Protel,
Eagle) a devenitastizi indispensabil6,
permitSndreducereaconsiderabilS
a timpului de lucru
de la proiect,la produsulfinal.
Produsele
performante,realizatede firme de marc5,sunt rezultatulmunciiin echip6,
iar experienla se acumuleaz5cu fiecare nou proiect,in prezent,de la incepereaunui nou
proiectse ajunge la fabricatiade seriein mai putin de un an, Receptoarele
modernecontin,
in afar6 de clasicelecircuite de RF, gi multe circuite digitale, precum gi microprocesoare
specializate.Inevitabil, din colectivele de proiectare fac parte at6t proiectanti RF, proiectanti
digitali,c5t gi programatoricare scriu firmware-ulspecificca gi aplicatiilenecesare,9i pentru
cE prelucrareasemnalelorcu circuite DSP nu este o intreprindere la indem6na oricSrui
programator,evidentcEexistagi programatorispecializati
in acestdomeniu.
Trecerea de la prototipul funclional, la fabricatia de serie este o munci poate mai
putin pasionantddec6t faza initialS de dezvoltare,ins5 nu e mai putin intensS. $i aici,
programelede analiza sunt de un ajutor nepretuit, de la clasiceleanalize MonteCarlo,la
programelede optimizarede yield, Proiectarea
pentruvolum mare de fabricalienecesit5ins6
tratarea din start a unor etaje delicate, intr-un mod specific, ca gi prevederea circuitelor
necesare
testErii,reglSriigi calibrErii
automate.
Pentru a avea o idee despre volumul de munca necesar oentru realizarea unui
transceiver nou, sa amintim aici ca una din marile firmele japoneze produc5toarede
echipamenteradio a consumat25000 de ore de oroiectareDentrurealizarea
celui mai nou si
performa
nt transceiverHF.
in cele ce urmeaz5 este prezentatdarhitectura principalelortipLri de receptoare,blocurile
functionale,parametriiesentialica Si un num5r de schemecomentate.
10
13. Sinteza de frecvent,
8. Sinteza de frecven!5
Folosit5initial numai de echipamentele profesionale,sinteza de frecvenlE a ajuns astlzi si
fie folositd chiar gi la radioreceptoare simple de radiodifuziune portjbile. Componentele
folosite au evoluat mult gi astfel s-a ajuns ca o sintez5 de frecven!5 sE poat5 fi realizatd,
pentruo aplicatiemai pulin pretenlioasE,
cu doar doud circuiteintegrate:circuitulpropriu-zis
pentru sintez5 9i un microcontroler pentru controlul frecvenlelor generate, Cu 20 de ani in
urmE, asemenea sinteze de frecven!5 se f5ceau cu 50-70 de circulte integrate gi c6ntireau,
cu tot cu ecraneSicarcasS,
mai mult de 10 Kg...
Utilizarea sintezei de frecven!5 nu este un simplu moft. Se poate obtine astfel o
stabilitate de frecvent5 egalS cu stabilitatea unui oscilator cu cristal, pe orice frecveng5intr-
un clomeniudat. In cazul unui radiotelefon,pentru a putea lucra pe toate canalelealocatear
trebui c6te un cristal de cuar! pentru fiecare frecvenld,
Agadar, sinteza de frecvenld rezolvi problema stabilitdlii de frecven!5, precum gi
problemaprecizieila citireafrecvenleigenerate,elimin6ndu-se
gieoiul sistemde sca15.
Existi c6teva criterii de selectiein alegereaschemei de sintez5 de frecvenld:
. functie de domeniul de frecven!5
. ecartul(pasul)frecvenlelorgenerate
o performantelela zgomot ce sunt necesarepentruo aplicaliedatE,
Actuaimentesunt utilizatedou5 tipuri de sintez5de frecvenlE,ce diferi fundamentaldin
punctde vedei'eal principiilor
folosite:
o SintezadigitalSdirectd(DDS-directdigitalsynthesizer)
. Sintetizatorcu PLL
8.1 Sinteza digitalS direct5
SintezadigitalEdirectE,este o aparilie de dati mai recentS,degi bazeleteoretice fuseserE
pusede mult. SintezadigitalSdirect5este un beneficiardirectal evolutieicircuitelor
integrate ce opereazSla frecvenle tot mai mari. .l
FdrEa intra in teoria acestuitip de circuit, trebuie spus cE acest gen de sintezSde
frecvenEise bazeazS
pe recompunerea
unei sinusoidedin egantioane
de mici dimensiuni,aga
cum este prezentati in fig.1.
Practic,un circuit specializatasiguri un semnal
digitalunui convertorD/A rapid,care furnizeaz6la iegire
un semnal ce incearci sE reconstituieo sinusoidS.Cu
c6t cregte insE frecvenla generat5, cu at6t este mai
dificili sarcinaat6t a circuituluide sintezd (digitalS)c6t
gi a convertorului D/A. Este motivul pentru care se
recurge la un compromis, la frecvenle ridicate fiind
redus numErul de egantioane utilizat pentru
reconstructia sinusoidei, Firegte, astfel rezultd o formE
de undi cu aspect distorsionatce va avea un puternic
continut armonic.Armonicilepot fi reduseintre anumite
Fig.l
limite la iegire, cu ajutorul
performante pot genera astSzi
unui filtru trece jos sau trece band5. Circuitele cele mai
frecventede 500MHz,celeuzualelucr6ndla 50-100MH2.
Principalele
avantajeale circuitelorDDSsunt:
a
a
Nivelul de zgomot generat de aceste circuite este redus, av6nd valori
comparabile
cu nivelulde zgomotal referinlei!
Frecventagenerat5 poate fi asigurat5in pagide I/I}Hz sau chiar LltO}Hz.
Nivelultensiuniigenerateeste constantin toati bandade frecven!5generatS.
Timp redus de calare: <20ns ceea ce le face pretabile la aplicaliile in
comunicatii
cu spectruimprSgtiat.
Componente
analogicepuline.
134
14. F8AttArSt
BEFOUT
ootp
AV'D
DVl'D
elP'a5t,
OGIID
rcLK
FEELFCT
.P8€LECT
Sintezade frecventE
. Imunitate foarte mare fa!5 de c6mpuriparazitesau vibratiimecanice.
Principalele
sursede zgomot la o sintez6DDSsunt:
. Zgomotul referinlei
. Zgomotultermic al componentelor
. Zgomotulsurselorde curentdin DAC
Analog Deviceseste probabilcel mai cunoscut produc5torde circuite DDS, la ora actuala
av6nd in fabricatie o gama de cca. 20 de circuite DDS diferite ce pot lucra cu frecvente de
F i g 2
clockde la 25MHzpSni la 1GHz.Preturile (la 1000 buc.) sunt
de la cca, 5USD pentru AD9B34 la 45USD pentru AD9B56
(lGHz).
AD9B34este un DDS ce lucreaz5cu un clock de max, 50MHz,
ceeace asigurdo frecvenld maxim6 de iegirede 25MHz,Este
realizatin tehnologieCMOS,tensiuneade alimentareeste 2.3
la 5.5V. Putereaconsumataeste de numai 20mW la 3V. in
bandi ingustESFDR(spuriusfree dynamicrange)este de mai
bun de ,72dBc. Controlulfrecvenlei se face pe o magistrali
serialE de 3 bili (SPi). Rezolutia este datE. de mErimea
registruluide acumulare de 28 de biti 5i frecvenla de clock
folositS, La Fclk=50MHz, rezolulia este de 0.2H2. Capsuia
FUNCTIONAL
BLOCKDIAGRAM
WM q.e$ EHT EIAIGT
Erc SS STA
folositaeste de tioul TSOP2O.
Fig3
Piniipentru circuitulDDSAD9834si schemabloceste prezentat5in fig,2 respectiv3.
AD9834 este un DDS ce conline un DAC pe'10 bi!i. Consider6ndarmonicilesi produsele
paraziteraportulfata de purtdtoare(SFDR)estede cel pugin55dB in bandalarga.
Fig.4aratd semnalulla iegireanOg8f+ c6nd F.;*=$g1r4Hz:
a) I6.667MH2,b) 4.8MHz.
Aga cum se observ5din fig.4 semnalulutil este insotit la iegireaDDS-uluide semndle
parazite. Compozitia spectralE a semnalelor parazite se schimba odat6 cu modificarea
frecventeide iegiresau a clock-ului.Uneorichiargi modificarea
cu numai 100 Hz a frecvenlei
de ieSirepoate duce la modificiri importantein conlinutulspectral.Utilizareaunui filtru trece
jos la iegireeste esenlialEin eliminareacomponentelorarmonicesau a reziduuluide clock,
Eliminareacomponentelorfoarte aproape de purt5toare este mai dificili gi uneori este
necesarsd se utilizezein aplicatiipretentioaseun filtru cu cristalcu bandade trecerede 10-
IOUYB
touT
lcitD
v|ll
8tcta 8lt ouT
FgYIC
6CLK
ADATI
SLTEP
FESET
lm tm ExD
EMCT SLEP Effi
135
15. Sintezade frecventd
L2KHz. Fig.5 reprezintd o aplicalie tipicE pentru un circuit DDS. Semnalul de clock este
0
o 25tl
mtK vW3D smsEc
Fr€ouExcY(Hr)
(.) Fig.4
generat de un oscilatorcu cristal,ce asigurE
0
RWB
rK Vm3m
FECSTilCY (Hr)
{b)
2S
smo aEc
at6t stabilitateac6t gi un nivel de zgomot de
t. a
fi-:i rtlu=
+t-i- +
faza redus. Daci semnalul de clock provine de la un oscilatorsinusoidal,este necesari
formarea dreptunghiularda semnalului cu circuitul invertor U2 (NC7SZ04 Fairchildsau
simiiar),A nu se confundasemnalulMCLK(max 50MHz)cu semnalulCLK ce apartine bus-
uluiSPI.
Programarea se face de citre
frecventei este:
un microcontroler,Formula utilizata pentru programarea
Frrr*
*,
228
' OUr
unde: FyqLx
este frecvenla oscilatoruluicu cristal, iar F6u1
este frecvenla doritd la iegire.
Circuitul contine doui registre de frecven!5, aga inc6t odat6 programate se poate comuta
rapidde pe o frecventape alta (FSK),In mod normal se folosegte.un
singur registru.
La iegire este prevdzut un filtru, pentru atenuarea componentelorspectrale parazite cu
frecventi mare. Nivelulsemnaluluide iegiregenerat de DDS este de cca. 200mVoo,
ceea ce
este insuficientpentru unele circuite PLL.Ca artificiu, s-a recurs la m5rirea impedanteide
iegirepentru filtrul fl gi multiplicareain acestfel a tensiuniide iegire.MultecircuitePLLau o
impedant6de intrarede c6tevasute de ohmi pe intrarea REF.
Recapitul6nd,
se poatespunedesprecircuiteleDDSca reprezinti un competitorseriospentru
PLL-urileclasicein multe aplicafii,in care puritatea spectralSpe band5 largE nu este o
l.to
16. Sintezade frecventE
problema,Rezoluliade frecven!6, care este mai buna de !Hz, este suficientEpentru cele mai
multe aplicatii, iar zgomotul de faza este foarte bun, fiind dat practic de zgomotul referintei
utilizatepentru clock, la care se adaugd zgomotul cauzat de DAC,
DDS-urilesunt folosite gi in circuite mai complexe de sinteza de frecventa, pentru a genera
semnalecu o rezolutieridicata,mai buna de 10H2,in conjuncliecu un PLLclasicla frecvente
foarte mari.
8.2 Sinteza de frecvenld cu circuite PLL
Sintezade frecventi cu circuite PLL(PhaseLocked Loop) este relativ simpli, bazeleteoretice
alecircuitelorPLLfiind puseincd din anul 1932 de Bellescize,
pentru un procedeude receplie
sincron5 a emisiunilor AM. De atunci, numeroase tipuri de circuite PLL au fost create,
incep6nddin anii '70 impun6ndu-secircuitelePLLintegrate,Inilial au fost realizatecircuite
PLLpentru frewenle joase, actualmenterealiz6ndu-se
circuitePLLmonochipce funcgioneazE
la peste8000MH2,destinateaplicatiilor
comerciale.
SchemaprincipialS
a unui circuitPLLeste prezentati in Fig.1:
ASacum se observS,schemacontineun circuit comparatorde faza, un oscilatorcomandatin
tensiune(VCO) gi un filtru de bucl5. Comparatorul defazd compar5 faza (9i frecvenla uneori)
semnaluluifurnizat de un oscilatorde referin!; (cu cuat daci e vorba de un PLLde inaltE
frecvenlE),cu faza semnaluluifurnizat de VCO. VCO-ul este agadar un oscilatora cdrui
frecventE
poatefi controlati extern, prin aplicareaunei tensiunide comandS.
La iegireacomparatoruluiapare un semnal de eroare, propo(ional cu diferenta de faz5
(frecventi) intre referintE gl VCO.Semnalul de eroare este trecut printr.un filtru tr€ce jos, cu
scopulde a elimina reziduurilesemnalelorincidentela comparatorulde faz5, deci in mod
evident frecvenla de tEiere a filtrului trece jos va fi mai mic5 dec6t frecvenla de referin!6,
Filtrulde buclSare o mare important5 9i dintr-un alt punct de vedere: bucla PLLeste un
sistem cu reactie, ce poate oscila pe o frecvenli proprie (destul de joasE) ce se suprapune
peste frecventa VCO-ului. Daci filtrul de buclS este incorect executat, vor-exista implicatii
asuprastabilit;tii bucleiPLLSia puritatiispectrale.
Semnalulde eroaredat de comparatorulde fazi este aplicatapoi intrEriiVCO-ului,ce
va determinamodificareafazei (frecventei)semnaluluifurnizat de VCO, in sensul reducerii
diferenteide faz5 intre VCO gi semnalul de referin!5. in acest mod se obline un semnal de la
VCO,cu stabilitateain frecventEegald cu cea a referinlei cu cristal,
Comparatoarelede frecventd nu functioneazi corect la frecvenle prea mari.gi de aceea se
recurge frecvent la divizarea frecvenlei VCO-ului pSni la valoarea frecventei de referinli.
Schemadin fig.2 prezint6acestprocedeu.
Relatia
ce dE frecvenlade lucrua VCO-uluieste:
f = .f,'N
Din relatia de mai sus, re4.ult5cE frecvenla f poate fi modificatSvariind factorul de divizare
N, Se oblin astfel, uF num5r de frecvenle, decalate intre ele cu valoarea frecvenlei de
referinti f,. Divizorul prin N poate fi programat sE divizeze cu diverse valori intregi (de
regulE)gi se numegtedivizorprogrambbil.
r37
17. Sintezade frecventd
Existi aplicatii c6nd nu este necesardec6t un num6r redus de frecvenle generate; in acest
caz, un simplu circuit bazat pe schema din fig.2, poate satisfaceusor cerintele,
ExistaastEzidoua tipuri de PLL-uri:
. PLL-uriintregi, la care factorul de divizare este un num5r intreg
. PLL-urifractionare, la care factorul de divizare este un numEr fraclionar.
Pll-urile fractionare reprezintEo inovalie in evolutia circuitelor PLLin general si vor fi tratate
intr-un paragrafseparat,in continuarediscut6ndu-se
exclusivde PLL-urile
intregi.
CAnd ecartul intre frecventele generate
scade, scade gi valoarea frecventei de
referin!5, ceea ce duce insd la probleme
legate de valoarea frecvenlei de t5iere la
filtrul de bucl5.Se ajunge practicla valori
foarte mici pentru frecventa filtrului trece
jos, cu consecinte nefavorabile asupra
timpilor de r6spuns ai buclei gi asupra
comportdriila regimuritranzitorii.
Timpul de stabilizare al frecvenlei la
comutarea unei noi valori, este o m5rime important5 pentru un sintetizor de frecvenlE, de
aceast5valoare depinz6nd daci se poate face sau nu un acord rapid in frecvenld. Pentru un
sintetizorbun, aceast6valoareeste de cca. 1-2ms, pentru un salt de frecvenli de 1/10 din
valoareafrecvengeide operare. Pentruaplicalii de genul comunicaliicu spectru impr6Stiat
(spreadspectrum),sunt necesariuneoritimpi de comutaliede ordinula 100ussau mai putin
Este posibilaatinge!'eaunor timpi de comutatie de ordinul a 100us sau mai buni, folosind
sintezafraclionara de frecventa ce permite utilizarea unor frecvente de comparare mari, sau
circuiteleDDS.
Cu cet factorul de divizarein buclSeste mai mare, se ajunge insd la timpi mai mari de
stabilizarea frecvenlei, bucla fiind mult mai lent5. DacEfactorul de divizare in buclSeste mai
mare de 1000, de regulEeste necesarun amplificatorpe semnalulde eroare,intruc6t la o
asemenea valoare de divizare tensiunea de eroare datE de comparatorul de fazd este foarte
redusi. Din nefericire, orice amplificator are un anumit factor de zgomot, care se va
suprapune peste semnalul de comand6 al VCO-ului gi va duce la cresterea nivelului de
zgomot generat de VCO. O posibilEsolulie o poate constitui un tip de comparator de faz5 cu
cdgtig mare, care sE genereze o
tensiune de eroare mare la o
diferentd de fazl (frecventE)
redusS. Un comparator digital
normal are un c6gtig de cca,
lOV/radian, fa!5 de peste
1000v/radian la un comparator
de fazdcu esantionare.
DacE num6rul de frecvenge
generate este redus 9i ecartul
intre frecvenlele generate este
mare (>100KHz), o sintezd de
frecven!5 cu o singurE buclE
poate satisface ugor cerintele de
lucru,Situaliase complicEatunci
c6nd este necesar un ecart in
frecvenlE mai mic de 1KHz, tn
acest caz, de regulS,singura
138
18. Sintezade frecventE
10-100ori mai bunE dec6t buclele PLL simple, DupE cum se observEdin fig.3, circuitul
cuprinde
de fapt dou6 buclePLL ce interactioneaziprin intermediulunui mixer,
PrimabuclE,numiti gi bucla principalS,
asigur5banda de frecven!5necesa16,
ln pa5i mari
(p6ni la 10KHz).
Ceade a doua buclSasigur6in principiuaceeag!rezolulie,dar printr-o divizarecu ajutorul
unui divizor fix (cu M), se asigur5 practic o rezolutie de M ori mai bunE. Practic, cea de a
douabuclSasigurEtoate frecvenlele necesareintre doi pagiai buclei principale.
Ceade a douE buclSfurnizeaz5un semnal unui mixer aflat in prima bucl6, semnal care,
mixatcu semnalulbucleiprincipale
ajunge la divizorulprogramabil.
in mod practic, la ie5ireamixeruluise amplaseaz5un filtru trece band5, pentru selectarea
componentei
de mixaj dorite, precum gi un formator de semnalfiL (dat fiind nivelul redus
desemnalcu care opereaz5de regulSmixerele).
Relatiade frecvent5 la iegireasintetizoruluide frecvenlE din fig.3 este:
l r f
f = N , . 1 - , a . t Y z - r r z
"
M , dac5se selecteaz5
componentade mixaj oblinuti prin aditie,
Rezulti la prima vedere c5, prin utilizareaadecvat5 a coeficienlilorN1 gi N2, se poate obline
oricefrecvenlEdln domeniulacoperitde VCO,cu pagiin frecven!5de 100H2sau chiar 10H2,
Acest gen de schemi are dezavantajul cH produr:eun numir mare de semnale parazite ca
urmarea mix5rii, Filtrulutilizat la ie5irearnixeruluitrebuie sd atenuezecelelalteprodusede
mixaj cu peste 60-100d8 , pentru cE produsele parazite de mixaj se vor reg5si ?nfrecvenla
finalSgeneratS.
Analiz6nd cu date concrete o sintezi de frecvenli cu doui bucle PLL, ce folosegte
1O.510.6iitL
schema bloc din fig,3, se
constatE c5 dacl
frecvenla furnizatd de
cea de a doua bucl; este
prea rnic5 (ex.500-
600KHz), este imposibif
de separat cu ajutorul
filtrului trece bandd, ce
este plasat dup5 mixer,
componenta utilE a
semnalului de mixaj
(frecventa imagine va fi
la lMHz distant5 de
semnalul util). Din cauza
acestor dificultdti, se
recurgela un artificiu: se
mixeaz5 frecvenla
generatE de cea de a
doua buclE (ex. 500KHz)
cu un oscilator cu cristal
pe o frecventE de cca.
10MHz.
Schema bloc din fi9.4 prezintd aceast5 metodE, separarea componentei parazite ce
apare la lMHz distantd, se face ugor cu un filtru trece sus, componenta nedorit5 fiind
'atenuatd
cu min. 60d8. Schema prezintSdatele concrete Dentru o sintezd de frecvent5 ce
acoperddomeniulde frecven!5de la 70 la 100MHz,cu pa5ide 100H2.
DupE cum se remarc5, bucla principalSasigur5 pasul de 100KHz,cea de a doua
bucl5,asigur6nddup5 divizareacu 100, un pas de 100H2(cu acoperireadomdniului500-
600KHz).Factorulde divizareal celeide a doua bucleeste destulde mare (5000-6000),ceea
ce asigurdperformanlemodestedin punctde vedereal zgomotului,dar prin divizareacu 100
LS9.6[et lfr;
Dlircr cu N
80t1105
139
19. Sintezade frecvenfd
se asigura reducerea zgomotului generat cu 20d8. Se asigur5in acest fel un nivel de zgomot
acceptabil,
factorulde divizareal bucleiprincipale
fiind de max. 1100.
C6teva cuvinte despre circuitul trece sus aflat la iesirea mixerului din bucla
principalS.
Aga cum sunt prezentatedatele schemei,pentru intreiga bandi de frecvenlEde
la 70 la 100MHz se va recurge la comutarea a douE filtre ce au frecvenle de trecere de
85MHz, respectiv 95MHz.Trecerea la al doilea filtru se face c6nd frecvenla VCO-uluitrece de
BSMHz.
Atenu5rilefrecventelorde mixaj imaginetrebuiesEfie de cel pulin 60d8, pentrua nu
producesemnale parazite deranjante la iegireasintetizoruluide frecven!5,
Controluldivizoarelorprogramabilela buclelemultiplese face de obicei cu ajutorul
unui microcontroler, ce rezolv5 gi problema afigajului frecvenlei (de obicei se afigeazi nu
frecventa de lucru a sintetizorului, ci frecventa receptorului, prin raportare la frecvenla
intermediarS.
Rezolutiimai bune de 100H2se obtin numai cu utilizareaa trei bucle PLLsau cu
ajutorul divizoarelorprogramabilefradionare. O alt5 posibilitate, larg folosit6in aparatura
modernS,este de a se utiliza pentru una din bucle, o sintez5digitald direct5 DDS, ce va
generade exempluin domeniul10.5-10.6MH2,
cu pas de p6ni la 0,1H2.
Trebuie mentionat faptul cE majorarea num5rului de bucle PLL intr-o sintez6 de
frecven!5 duce la cregterea numirului de frecvenle mixate gi implicit, la cregterea numirului
de frecvenle parazite generate, ceea ce produce mari dificull63ide filtrare.
De regulE, sintetizorul de frecvenlE dintr-un receptor este astfel conceput inc6t
asigurE,
in afarEde semnalulnecesarprimuluimixer al receptorului,
Sialte semnaleauxiliare
ce sunt necesarepentru alte eventualeschimbdride frecvenldsau pentru BFO,Eventualprin
corelareafrecventeigeneratepentru BFOcu frecvenlasemnaluluinecesarprimului mixer, se
asigur5aga numitul IF SHIFT.Ia
receplie.
8.3 Exemple de circuite PLL intregi
Agacu rezult5din fig.2 principalele
elementeale unei buclePLLsunt:
o Divizorulprogramabil
. Comparatorulde fazSlfrecventE
. VCO-ul
. Filtrulde buclS
Divizorul programabil. Pentru realizarea<iivizoruluiprogramabil prin anii '7O erau folosite
aproape exclusiv circuite discrete ce inglobau un mare numir de circuite integrate.
Except6nd situalia unor bucle PLL simple, cu un factor de divizare redus, divizorul
programabil nu se mai face ast5zi cu circuite discrete, ci cu circuite specializate,ce contin tot
lantulde divizoare intr-un singurcip.
Un circuitmai complexeste MC145106(contine880 FET-uriSi 220 poti echivalente),
care continein afarEde divizorulprogramabilgi divizorulpentru referin!5gi comparatorulde
fazilfrecven!5, Circuitul a fost produs de Motorola Semiconductors (actualmente Freescale
Semiconductors).
Degifabricatiacircuituluia fost oprita, dat fiind popularitateade care s-a
bucuratsi a faptuluica inci mai poatefi procuratdin diversestocuri,am consideratutil sa-l
mentin in aceastacarte ca un exemplude circuitversatil,
Divizorul referinlei permite operarea cu un cuar!, cu frecvenia de LO.24MHz(valoare
uzualEla radiotelefoane).
Circuitulconline Si un oscilatorde referinli ce permite montarea
directi a unui cristal de cuar! sau se poate injecta din exterior o frecven!5 de la un alt
oscilator.Valoarea maximi aplicabili la intrarea oscilatoruluide referint6 este de cca, 25MHz
Osc oLJt
la 5V (33MHz la 10V). Divizorul
programabil cu 2e are accesul
paralel, ceea ce permite
comutarea factorilor de divizare
gi cu ajutorul unor switch-uri
(intririle au rezistenle la masE
integrate). Frecvenla maximE
aplicabilSla intrarea divizorului
programabileste de cca. 10MHz
daci circuitul este alimentat la
5V (17.5MH2
la 10V).
140
20. Tab. I
Pini selectie Divizare
Drrn:
P8 P7 P6 P5 P4 P3 PZ p 1
PO
0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 1 0 z
0 0 0 0 0 0 0 I 3
0 0 0 0 0 0 0 0 4
0 I I 255
I 5 1 1
Sintezade frecventd
CircuitulMC154106contine
gi un indicator de calare
care supravegheazi com-
paratorul de fazd/frec-
vent5. Acest circuit furni-
zeazE un nivel "0" logic,
pentru bucla necalatd.
Schema internE bloc este
prezentatdin fig.5
ln tabela 1 sunt
prezentate diagramele de
seleclie a factorilor de
divizare pentru divizorul
programabil.
doar cele ce dau factori de
PrimeledouE combinalii nu se utilizeazE,fiind folosite
divizaremai mari dec6t 2.
Circuitul
este realizat?ndouEvariantede capsule:DIP cu 18 pini gi SOGcu 20 pini.
in fig, 5 este prezentat5capsulaDIP cu semnificagia
piniloi.
In fig,7 este prezentat5 o aplicalie a circuitului
[/C 145106
Vss
PO
P 1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
.t)
MC145106intr-o sintezdde frecvenlEce acoperddomeniul
L44-L46MHz
in pagide 12.5KH2.
Dat fiind faptul cE circuitul nu accept6 la intiare semnale cu
frecvenla mai mare de 10 MHz, se recurge la o schemi de
mixare ce producein final un semnalin banda 0.5-2.5MH2,
Oscilatorulcu cuarl pe B.B5333MHz
este multiplicatcu 3 in
colectorulprimului tranzistor (26.56MH2)9i apoi cu 5 in
colectorulcelui de al doilea tranzistor (132.8MH2).Mixerul
ce urmeazE eite realizat cu o tetrodi MOS gi asiguri prin
mixareacu semnalulde la VCO,un semnal cu frecventade
la 0,5 la 2,5MHz,Semnaluleste amplificatapoi gi aplicatla
intrareade semnala circuituluide sintezi. VCO-uloscileaz5
in gama 133.3-135.3MH2,
specific6pentru radiotelefoanele
ce folosescfiltru cu cristal pe
10.7MH2.
CristalulreferinleicircuituluiMC145106este pe 6.4MHz,Pentrusitualiacu pinul FS
la +9V, factorul de divizare al referintei va fi de 512, deci valoarea referinlei sintezeiva fi de
L2.SKHz
(egal5cu pbsulsintezei)
Programarea
divizoruluiprogramabilse facecu ajutorul unor comutatoaredecadiceminiaturi
(BCD).Intruc6t se asigura,dincomutatoareo acoperirede numai 1MHz,trecereala cel de al
doileaMHzal benziise face prin aplicareaunei tensiuni de 9 V pe intrareaShift lMHz. Este
posibil59i obtinerea unui shift de 600KHz, specificEpentru lucrul pe repetoare(decalaju
emisie-receptiela lucrul cu statii radio prin repetoare). Diodele 1N4148 realizeazl limitarea
acopeririibenzii la 2MHz. Schemaeste relativ simplSsi permite realizareaunei sintezede
frecvenli pe doui plScide circuitimprimat de 75x35mm. Valorilemari ale condensatoarelor
din filtrul de buclSasiguri o reducereimportantEa zgomotuluigenerat de VCO dar cregte
destulde mult timpul de stabilirea frecvenleila comutare,
Un alt circuit Motorola destinatsintezeide frecven!5este MC145170.Diferenlafa!5
de precedenteleconsti in utilizlrea pentru comanda divizoruluiproqramabila unui bus
serial numit "MICROWIRE".
ln aceasiSsitualie, comanda se face nJmai cu ajuto"rulunui
microcontroler care rezolvi gi problema afigajului fr.ecvengei.Utilizarea circuitelor pentru
sintezEcomandatede microcontrolere
duce la reducereacomplexitSlii"hard"
a circuitului,
determin6nd miniaturizarea sintezei de frecventE odatE cu asigurarea unor facilitSli
deosebiteprivitoare la afigajulfrecvenlei sau lucrul cu shift de frecvent5. Schema prezentatS
utilizeazEun artificiu pentru alimentareaoperalionaluluiOPA 27, din filtrul de bucl5, cu
tensiunenegativ5.CircuitulMC145170admite la intrare un semnal de maxim 150MHz,Cel
mai evoluat circuit Motoroladin seria MCl45xxx este MC 145190. Acest circuit admite la
intrareo frecventi maximSde 1.1GHzgi nu necesit5deci,prescalerextern. Comanda
r4l
21. Sintezade frecvenld
+
=
=
o
N
I
Y
. r O
- E
<No
ra
Y
, o ;
t o
: o
@
I
I
Y
: >
; o
o
t r
N
F
.9
L
I
@ N
t s o
u s -
I
z
o 6
@
Y ^ z
t r
TT.
t r
r1..-.
q l
oI
x
Y
N
q
L
E
I
@
ltt
-I
o / /
@
:
L
r
; 0 o d I r I d d
| - r o
I ; i o -
; - E s o l o 6 3 .
> u x x : : L o r d
r42
22. Sintezade frecventE
divizoruluiprogramabil se face tot cu ajutorul unei magistrale seriale ce este compatibilSat6t
MICROWIRE_c6t
gi SPL Aceste magistrale au avantajul unei viteze mai mari fa!5 de
magistralaI'C, permi!6ndcontrolulmai rapidal frecvenleigenerate.
Fin Lod
, PDO
od
. Fig..8
Unuldintre cele mai cunoscutecircuitece conlineun divizorprogramabileste circuitul
integrat HEF475A(Philips),circuit care contine gi doui comparatoarede faz6, dintre care
unul cu egantionaregi cSgtigmare, Primul comparator de faz5 fr-ecven!6asigurEcalarea
inilial5a bucleiintr-un timp scurt, Controiulbucleieste apoi preluat de al doileBcomparator
de fazE, care asigur5 un c6gtig mare Si permite oblinerea unui zgornot recluschiar Si pentru
factori de divizare mari in bucl5. Sinteza de frecven!5 este folositi la ore actualSchiar Si de
radioreceptoarele
ieftine,ca bunuri de larg consum.Doudexemplede circuitelarg integrate,
realizatede Philipssunt elocventein acest sens, CircuiteleT546057 5i TSA 6060 contin:
divizoru! programabil,divizorul programabil al referintei, dou5 comparatoare de faz5 gi
prescalere interne ce funclioneazE p6nE [a 15OMHz, respectiv 200MHz (T5A6060),
constituind o solutie de cost redus pentru o sintezE de frecventS "one
chip". Programarea
frecv_entelor
5i a moduluide lucruse face prin intermediulunei magistraleserialepe 2 biti de
tip I'C. Aceasta permite reducerea drastici a-€umErului de pini ai circuitului integrat,
simplificarea
cablajuluigi reducereaperturbatiilorgenerate.
In cele ce urmeaz5 este descris circuitul integrat T5A6060. Acest circuit asigur5 urniStoarele
facilit;ti:
. intrEri separate de MA gi MF pentru VCO
o un multiplexorpentru selectareMAsau MF
. un divizorprogramabilpentrucontrolulfrecvenleiin gama receplionat5
. un comparator de fazi frecventi
o pompd de curent,cu dou6 nivelede curent programabileprin soft (pentru acord rapid
sau zgomot minim)
. iesire de referin!5 cu frecvenla de 40 KHz, pentru funcliuni auxiliare.
. douEiesiripentrutensiunea de comandEpe diodelevaricap.
. O iesire este conectati la un fiftru de buclEextern MA, iar cealalt5 la un filtru MF. Sub
control soft, iegirea MA este trecutS pe impedanti ridicat5 de comutatorul MA/MFin
pozitiaMF, iar iegireaMF este trecutE pe impedant5ridicat5prin comutarein pozitia
MA.
. o interfat5 cu magistrala I2C pentru registre gi controlul logic. Magistrala I2C este
utilizatSpentru comunicatiiintre microcontroler
gi diverseblocuriale sintetizorului.
. Frecventamaximi a semnalelorce se poate aplicala intrareade MA este de 30MHz,
in timp ce la intrareaMFse poateaplicaun semnalcu frecvenlamaximd de 200MHz.
Circuituleste realizatin douEvaria.nte
de capsulS:DIL16si 5016.
143
23. Sintezade frecvenl1
Semnificatiapinilor circuitului integrat rsA6o60 este prezentati in tabela de mai jos:
Pin
nr.
Simb, Descriere
fr rnr
Pin Simb. Descriere
frrnctionalS
1 INLK Detector
calarebuclS
Fref Iegire 40KHz
2 XTAL Cristal
cuat 10 SDA Date seriale
(I2C)
J Vccl +5V I ] scL Clockserial
(I2C)
4 GND MasE T2 AS Selectie
adresE
J FMi Intrare VCO
FM
13 FMo IeSirefiltru
buclSFM
b DEC Decuplare t4 Loop Intrare filtre
buclS
7 AMi Intrare VCO
AM
1 5 AMo Iegire filtru
buclSAM
B BS Selectie
bandd lucru
16 Vcc2 + 12V
Princontrolsoft se poatealegeo frecvenlEde referin!5dintre urmitoarele valori: 1,5,10sau
50 KHz.
Tot prin control soft se mai poate asigura alegerearegimuluipompei de curent: 25mA sau
500mA.
Pinul BS (band select) permite selecliaintre doui benzi de lucru, ca urmare a unei
comenzi primite prin soft,
Cristalul pentru frecvenla de referint6 poate fi de 4MHz sau BMHz,alegerea fEc6ndu-
se tot prin soft.
. Pinul AS (address select) servegte, prin pozilionarea la VCC sau GND, la modificare
adresei interne de identificare, fiind deci posibilS comanda pe aceeagi magistralS a doud
circuiteTSA 6060,
Programareafrecvenlei si fun4iunilor circuitului TSA 6060 se face cu o secvenlE de date
transmise serial conform protocolului I2c, secvengaincepe cu un bit de start, uimeazi un
octet ce contine identificatorul circuitului comandat, un bit acknowledge, dupE care urmeazi
patru octeti de date, separati prin bit de acknowledge,Secventa se incheie cu un bit de stop.
Secventade programare este prezentatSmai jos.
ADD. A DATA
o
A DATA
1
DATA
2
DATA A P
47...4
0
D 7 . . . .
DO
D7... . D
0
D7. . . D7. . . . D
D 0 0
Continutuloctetuluide adres; (ADRESS)
este:
MSB
t44
0
1 0 A S
24. de al doilea octet de date:
Sintezade frecventE
MSB LSB
regimulpompelor'
de curent:
cel de al treilea octet de date:
ul referinlei:
pentruvaricap:
Bitul/FM-lrMcontroleazE de
/FM-AM SWITCH
FM/AM A M / F M
I Inchis Deschis
0 Deschis Inchis
Bitii T1..T3 sunt bili pentru moduri de test. Dintre combinatiileposibile,probabilcea mai
interesanti este aceea cAnd iegirea BS poate fi transformatE in iegire a divizorului
programabil
(pentru utilizareaunui comparatorde fazEexternT1=1,T2=1,T3=0).
al treilea octet de date:
REF1 REF
2
FM-
/AM
/FM-
AM
Op
a m n
8-
/4MH
z
BS s16 s 1 5
BitulBS (comand6
BS Stare
I Saturat
Blocat
REF1si REF2sun
REF1 REF2 Frecventi referinti
0 1
1 10
1 0 25
1 50
r45
25. Sinteza de frecvenl1
Schemade utilizarepentru circuitulTSA 6060 este prezentat5in fig.12.
Yel
DoRF
osQa
vcc2
le2
IF
Valorileelementelordin filtrele de buclEdepind de frecventade
referin!5, caracteristicileVCO-uluigi viteza de acord.
Iegirea de la pinul 9 (Fref) nu trebuie confundat6 cu
valoarea frecventei de referintE internE ce este folositi de
comparatorul de fazd/frecven!5, aceasta provenind din frecvenla
"
cristalului de referinti Si poate fi folosit5 pentru diverse scopuri,
-
Faptul cE se pot comanda pe aceeagi magistralE dou5
circuite T546060 permite crearea unei sinteze de frecven!5 cu
mai multe bucle PLL, cu scopul de a obtine o rezolulie
imbunEtSlitE
(10 Hz sau 100H2).
Faptul cE circuitul nu asigurS,conform specificaliilor
de
catalog gi un pas de 1J.5KHz, specific pentru radiotelefoane,se
poate rezolva inlocuind cristalul de 4MHz cu unul de 5MHz
(evidentnu vom mai avea pas de lKHz ci de 1.25KHzin aceast5
rrt RF
L- nr
fiil tr
ii rr
situatie),
PLL realizat cu circuitul integrat LMX2B7OL
LMX2330Lprodusde NationalSemiconductor
este un PLLdublu, ce conline un pLLce poate
lu93 !a frecvente de p6n5 la 2.5GHzsi altul de frecventa mai joasa ce pbate f folosit p6n5 la
510MHz.Cjrcuitulpoate fi folosit intr-un transceivercu dubla,.conversie,
furniz6ndsemnalul
necesaratSt pentru prima cit si pentru a doua coneversie..LMX2330
face parte dintr-o familie
de trei PLL-uriduble, compatibilepin la pin si care au limite de operareih frecventadiferite
pentru sectiuneade inalt; frecventa (RF):
LMX2330L0.5- 2.5GHz
LMX2331L0.2- 2GHz
LMX2332L
0,1-1.2GHz
Pentrusectiuneade joasa frecventa(IF) limitelede operaresunt acelea5ipentru toate cele
trei PLL-uri.
45-510MH2.
De remarcat ca exista o oarecare interacliune intre cele doua PLL-urirealizate pe acelasichip
de siliciu,izolareanefiindperfectaagaincit pentru aplicaliipretenlioasese poaie folosinumji
unul dintre PLL-uri(de regulacel de RF).
curentul consumateste de la 3mA la 6mA, iar tensiuneade lucru de la 2.7v la 5.5V.
Intrare
VCOFM
Busl2C
flgf
lss;rs4gKl,
lesire
tensiune
acordVCOAM
lesiretensiune
acordVCOFM
Fig.1.2
Intrare
VCOAM
Comutare
benzi
Pentru
FM:VCO=5MH/V;
R2=8K2,C4=6BnF,C&4.7nF
PentruAtil
: VCO=0.75MHZV;
R1=47KC3=zt40nF.C5=047nF
5
TSA6060
12
6 1 1
7 1 0
A O
rO zo
2 i 9
5 l 8
1 1 7
5 lop Viqw 16
7 1 1
E ! 3
9 1 2
t 0 l l
r46
26. Sintezade frecventE
Frecventamaximi cu care poate lucra comparatorul de faza este de 10MHz.
Laintrarea OSCin
se poate aplica semnale cu frecvente intre 5 si 4OMHz,
Pompade curent poate lucra cu 4mA sau 1mA, controlabileprin software,
Polaritatea detectorului de faza este de asemenea programabila, in marea majoritate a
cazurilorse folosegteinsa polaritatea pozitiva pentru a controla VCO-ul
PLL-ul poseda un circuit Lock Deteit, ce permite controlul funclionarii corecte a PLL-ului.
Iegirea Lock Detesct poate insa fi programata sa execute si alte functiuni, cum ar fi
comutareaconstanteide timp in filtrul de bucla,ceeace duce la accelerarea
calSrii
PLL-ului.
Capsula
folositaestede tip TSOP2O,
Este un circuit ieftin, pretul de cost (la nivelul lui 2005) este de ordinul a 1.5USD pentru
volumede 1K.
Programarea
frecventei,ca si activareaPLL-uluidorit, sau alegereacurentuluiin pompa de
curentse face prin intermediulunui bus SPI clasic.
Filtrul de bucla realizat cu componenteleCL, C2, C3, R1, R2 a fost calculat pentru o
frecventa de referintE da 10KHz (comparator), BW=0.BKHz,marginea de faza 450, raportul
polilorT3lTi=35olo.
Programareafrecventei se face tinend cont de urm5toarea formula:
r,.-,,
=l(pxs+.tkf^'
, R
Unde: P este coeficientulde divizare a Drescalerului.Pentru sectiunea RF, la circuitul
LMX233O
, P poate fi 32 sau 64. Pentru LMX233L/?-332P poate fi 64 iau 128.
R este coeficientulde divizare pentru divizorul fl'ecventeide referihla. Poatelua valori
de la 3 la 32767 (I5 bii)
Schema
blocLMX2330L
Fo."este frecventa referintei externe
A divizorde 7 bi!i. Valorilevalidesunt de la 1 la 127 pentru PLL-ulRFsi 1-15 pentru
cel de IF. Existarestricliaca A< B
B divizorprogramabil de 11 biti 3la 2047
DupE cum se observ5 divizorul principalde 18 bili pentru secliunea RF, este alcEtuitdin
divizoarele
A si B.
(rrrtr
CLOCX
DATA
t t
ts-BtTtt
I{ COUIITER
6;
Lccl
Doi.d
F.dlek
|iUX
I8-BIT RF
l{ cout{TER
t47
27. Sintezade frecven[d
Seria LMX233Xa apErutla sf5rgitulanilor'90. Un circuitPLLmai nou realizattot de National,
apErut in 2003, este LMX2430.Este un circuitcu consum si tensiunede alimentareredusa
destinat in primul rSnd aplicaliilorportabile,Zgomotul propriu si nivelulsemnalelorparazite
este mai redus decSt la seria LMX233X
Circuitullucreazdcu tensiuni de alimentarede la 2.25 la 2,75V si consuma intre 2.8mA si
c2 vcc
2 D
_1 flN_
4.8mA. Pretulde cost (la nivelullui 2005) estede ordinula 1.7USDpentru volumede 1K
Frecventade operareeste de la 250MHzla 3GHz.
VersiunileLMX2433are frecventa maxima de operare p6n5 la 3.6GHz iar LMX2434ooereazE
p6nEla 5GHz.
5- 5.5 MHr
0 1 1 1 0 O 0 1 0 0 0 s S l t i H z
= + ' + t 0 10 11I t 10 o = s . 5 M H z
MC145151-2este un PLLcu programareparalelaprodus de FreescaleSmemiconductor(ex
Motorola). Este unul din pulinele PLL-uriramase in fabricatie ast5zi care nu necesiti un
microcontroler sau un computer pentru programarea frecventei. Circuitul va fi scos din
fabricaliein cursul anului 2006, insi in cantit5ti mici va mai continua sa fie disponibilun
numEr de ani. Aplicaliile acestui circuit PLL sunt variate, de la receptoare TV, la
I
e.048MHr
MC145t5t_2 PDour
Fr13il12Ni1N10
N0 n8 N7 N6 N5 N4 Ng NS N.t NO
r48
28. {;-=4
Its nn
il. of,
+ *F
ry ..f
F A F
q ' 2 P
F . ' f
F EOF
qto tn
F
nlr rBn
+. .',F
lr" r.F
E--gF
MC't45151-2
f5
vgs
V6
PDrr
BAO
RAl
RAZ
h
tv
fy
NO
N1
ila
N3
Sintezade frecvenlE
radiotelefoane sau construqii de radioamator, Este un circuit ce
conline 8000 de tranzistoriechivalenti,cu o tensiunede alimentarede
la 3 la 9V. Curentul consumat este de cca. 7mAl5V, ceea ce face
circuitul util pentru aplicalii portabile, Frecventamaximd de
operare este de 20MHz la 5V, aga incdt pentru a fi folosit la
Rr
frecvente mai mari e necesara folosirea unui orescaler cu
coeficient fix de divizare. In acest caz frecventa maxima de
Er{ operare se extinde p6nE la limita dat5 de prescaler (evident,
mentionendiegireaprescalerului
sub 20MHz)..
DA Versiunea MC145152-2 Dermite folosirea unui orescaler cu
doud rate de divizare,in rest fiind compatibilcu MC145151-2.
CLK
uro Pinii NO-N1Oau rezistente interne pull-up. Pinul 21 (T/R)
asigura un offset int!'e frecventa de emisie si cea de receptie.
Practicla numirul setat pe divizorulN se aduna 855 c6nd pinul
este conectat la masa si zero c6nd pinul este conectat la Vdd. Dat fiind fretventa de
compararede 1KHz, filtrul de buclatrebuiesa fie mai ingust de 100H2.
CircuitulPLLPMB2341este produs de .Infineon.Contineun singur PLLce poate lucra de la
250MHzla 2.5GHz. Utilizeazio referintaexterna ce poate fi de la 1 la 100MHz.Divizorul
internal referinteiR poatelua valoride la 3 al 4095.
Divizorulsemnalului de intrare este alcEtuit dintr-un prescaler patru rate-de divizare (22/33
si 64/65), divizorulA (0-63) si divizorulN(3-4095),
Tensiunea
de alimentareeste de la 2.7V la 4.5V. Capsulafolositeeste de tip M-SOOP1o.
Programarea
se facecu ajutorulunui bus pe 3 biti, cu ajutorulunui microcontroler.
LD
oSQn
oscs
Ntl
Nt0
Nl3
Nt2
T/R
N9
N8
N7
N6
N5
N'[
fv
ti
tv
t 0
I
PltB 234{ I
7
r49
29. Sintezade frecventd
O aplicalie tipica pentru acest PLL este data in figur.a de mai jos. Filtrul de bucla este
calculat pentru o frecventa de comparare de 200KHz, marginea de faza este 470 si banda
filtrului de 20KHz. In situatia c6nd controlul bus-ului pe 3 biti se face de c6tre un
microcontroleralimentat la 5V e necesara divizarea semnalelor de control la o valoare sub
3.3V. Pentru reducereazgomotului care poate fi generat de microcontroler sau computer se
pot adEugasi condensatoare
de p6n5 la 100pFin paralelcu rezistentelede 10K. Transferul
de date se face c6nd pinul EN este "low", PinulMFOeste un pin multifun4ional ce poate fi
programat ca indicator de calare (Lock Detect) sau pentru a furniza frecventa comparatorului
de frecventa Programarease face folosind formula precum si restri{iile de mai jos:
F,". =ftPxN)+
AlxIs-
. R
Unde fp1este frecventa de referita externa
N divizorulN
A divizorulA
. P prescalerul
vcc
T O U T
G N D
J90pF
I
)F/16
10K
n ^ !
""-l-
6nE
I
.::i
Rdivizorul
referintei
Urm5toarele
restrictii
trebuiesatisfdcute
simultan
:
(rur+t)>e(e-r)
A < P
A < N
Existamulte alte circuitePLLprodusede companiica: Analog Devices,Fujitsusau Maxim,
de multe ori cu performanlefoarte apropiate(rareoriins5 gi compatibilepin la pin), alegerea
acestoraf5cindu-se practicnumai in baza pretuluisi a disponibilititiipe pia!; la un moment
150
30. Sintezade frecvengd
8.4 Filtrul de buclS
Semnalulla iegireacomparatoruluide faz5 se prezint; ca un semnal digitalcu coeficientde
umplere variabil. Acest semnal integrat, asigur5 o tensiune continu6 de comandd pentru
VCO. Cu cet frecvenla de referin!5 este mai mic5 , cu atet mai dificilS va fi filtrarea
semnalului de iegire. Reducereazgomotului in bucl6 se poate face in oarecare m5surE prin
reducereafrecveniei de trecere a filtrului buclei, ins5 cu pretul cre5terii timpului de cala.real
buclei. Din acest punct de vedere, alegerea elementelorfiltrului de buclS reprezint5 un
compromis:zgomot-vitezi de calare.De modul cum este calculatfiltrul de buclSdepinde9i
stabilitatea buclei, lucru esenlial in orice sistem cu reactie'
Cel mai simplufiltru de buclEeste prezentatin fig.13.
Filtrele de buclS cu amplificatoareoperationale
c6stigi din ce in ce mai mult teren, odat5 cu aparilia
unor noi generatii de amplificatoare operationale,
capabile sE asigure un nivel de zgomot deosebit de
redus,cum ar fi ICL7611sau OPA27.
Principial,se utilizeazd de fapt, un integrator ca
in fig.14,
Circuitul realizeaz5 o caracteristicE ca cea din
figurS, avdnd o pantE initiald de 21dB/decadl'
Amplificareacircuituluieste dat6 practic de raportul rezistentelorR2 9i R1.
Frecventa de tiiere este dat:i de relalia:
, _ I
t -
2oR2cl
Valorilefiltruluisunt pentruo frecven!5
De fapt este a5a numitul loc al unui
"zero".
tn practicE mai exist; 5i rezistenta serie prin care
este comandat; dioda varicap, care impreunE cu
capacitSlile
din circuit mai formeaz5un pol parazit.
Un alt pol ce apare in 0 Hz este datorat intregii
bucle.
Un filtru mai complex, este prezentat in
fig.15. Acestautilizeaz; un amplificatoroperalional,
pretandu-se foarte bine la sinteza de frecvenlE
realizatE
cu MMC382/381.
- Estefolosit un operational cu ]FET de zgomot
redus,de tipul 1F356.
de referin3S
de 12.5KH2.
calculrrl
elementelorfiltrulurse fac dupAurmEtoareie
formule: RrC,
=?+!K;'; RrCr= I
Na' a)
Unde: Ky estecestigulVCO-uluiinY/Hz
Koeste cEgtigulcomparatoruluiin V/ciclu
De la @trp t@ wiep
D--f----.f--D
T . , f r
I l l n
I H
m /77
Fig.13
fr0..
10K 1K R2
1 5 1
31. Sintezade frecventd
Pentruun comparatordigitalclasic,cSgtigul
este de cca.5-lov/ciclu, in timp ce pentru un
comparator cu egantionare,poate trece de 1000V/ciclu,
N este factorul total de divizare al divizorului programabil
<o
este banda buclein radlsec.
In fi9.16 este prezentatun filtru de buclSrealizatcu operalionalulOP07ce are un zgomot
redus.
8.5 Comparatoare de fazSlfrecventi
Comparatorul de fazd asigurS compararea semnalului de la referin!5 cu cel sosit de la
divizorulprogramabil.Existi dou5 tipuri de comparatoare:
. Comparator de fazSlfrecventE
. Comparatorde faz6
Un parametru impoftant al comparatoareloreste cEgtigul.De regul6,este o valoaredati in
V/radiani.
Comparatoarelede faz6/ frecven!5 sunt sensibileat6t la diferenla de fazE c6t gi la diferenla
de frecventS.
Comparatorul de faza este sensibil numai la diferenla de fazE. Comparatorul de faz5 se
folose5te de obicei buclele PLL in conjunclie cu un comparator sensibil la devialia de
frecven!5.
..Comparatorul
de faz/frecventEasigurEla iegireun semnal propotional cu diferenla
de fazSlfrecvenlSintre cele douE semnale aplicate la intrare, Caracteristicatensiune de
iegire-deviatie de frecvengi este prezentat5 in fig.17.
In fig.18 este prezentatcel mai simplu comparatorde faz5 frecvenlE,realizatcu un
circuitlogicde tip SAU-exclusiv.
IeSirea circuitului se
conecteaz5
prin intermediulunui
filtru de buclS la intrarea de
comand6 a VCO-ului. Acest
comparator simplu are
dezavantajulcE necesit5,pentru
a functiona corect, semnale cu
coeficient de umplere de 500/0.
Solutia nu se folosegte dec6t in
situatia in carg frecvenlele ce se
compari sunt prea mari pentru
comparatoarele de fazd
/frecvent5 (>30MHz),
Un comparator de fazi
/frecventE performant este
prezentatin fig.19 Sunt folosite
circuitde tip 7400 (porli NAND).
Fig.17.
Fig.19
74OO a
un circuitintegratde tip 7474 (doui bistabiletip D) gi un
L ) t
32. Sintezade frecventE
Aceste gen de circuit functioneaz6 foarte bine cu semnalele de la intrare av6nd un
coeficientredus de umplere. Trebuie subliniat faptul cE de obicei, la iegirea divizorului
programabil, semnalulare un coeficientde umplere foarte redus (sub 1%), motiv pentru
care pentru a fi vdzut, este necesar un osciloscopperformant, dotat eventual gi cu lup6 de
timD.
De un numEr de ani insE, au apErut circuite integrare specializatecare realizeaz6
funclia de comparator de fazi /frecvenl6, cum ar fi circuitul Motorola MC4O44sau MC4344,
Un circuit larg utilizat, ce este de fapt un PLL gi care contine un comparator de faz5
performant este CD4046. O schem5 de comparator de fazd/ frecvenlE ce folosegtecircuitul
CD4046este prezentat5in fi9.20.
Comparatorul de faz5 funclioneaz5 corect p6ni la cca, 1.4MHz, dace la intrare se
aplic5semnale cu coeficient de umplere de 50o/o(situatie practic neint6lnit5). O solulie la
aceastbproblemEpoate fi utilizareaunui monostabil,care s; asigureprelungireaimpulsului
pAnEla cel putin 0.6ps. VersiuneaHC sau HCT a acestuicircuit integrat funclioneazi bine
p6ndla cca. 10 MHz,
Comparatoarelede fazElfrecvenld prezentateau un ciigtig de 5-10 V/ radian.
Din punct de vedere al c6gtigului, cele mai
performante sunt comparatoarele de fazd cu
egantionare.Aceste comparatoare nu sunt sensibile
decdt la diferenla de fazd Si de aceea se folosescin
circuitele de sintezd de frecventE in conjunctie cu
un comparator de frecvenlE clasic, Aceste
comparatoare pot atinge c6gtiguri de p6ni la 3KV/
radian(HEF4750).
Circuitele moderne pentru sinteza de
frecvent6 au, de reguld incorporat un comparator de
fazElfrecventS,aga incet utilizarea unui comparator
de fazSlfrecven!5 extern se justifice numai in unele
cazuri (ex, c6nd se doreste un nivel de zgomot cu
5-10d8 mai mic decdt poate asigura comparatorul
de fazEinternal circuituluiMMC3B2),
8.6 Prescatere I
Prescalerele
fac parte din divizorul programabil si pot fundiona la frecvente foarte mari. Din
tot lantul de divizare,aceastaeste componentacea mai "delicatS"din punct de vedere al
frecventei de lucru. Odat5 cu perfeclionareatehnologiiior semiconductorilor, prescalereleau
fost integfate pe aceeagipastilade siliciucu restulelementelorunui PLL,insacontinuasa fie
folosite ca elemente discrete la frecvente de peste 4-5GHz. Exista astizi prescdlere ce pot
functionala peste20GHz
In cele ce urmeaz5 iatS un exemplu de prescaierrealizatin anii '90 si care inc5 mai este
popurar.
Prescalerul U813BSE a fost conceput pentru
tunerele TV, CATV gi tunerele SAT TV. Este produs de
firma TEMIC (TelefunkenSemiconductors),
Este realizat
in doui variante : U813BScu iegire compatibilSECLgi
U813 BSEcu iegirepe repetor.
Are trei rate de divizare:.64/L28/256 ce se
selecteazE
pe un singur pin (pinul 5).
' Frecvenla minimE la intrare nu trebuie sA coboare
sub 70MHz, iar maxima este de 1.lGHz, Tensiuneade
alimentareeste de 5V. Nivelulminim al semnaluluice se
aplicEla intrareeste de 10 mV.
Schemade aplicatieeste dat5 in fi9.23.
Se realizeazE
astfel prescalerele:
SPB910- divizorcu
10 la 5.5GHz(zgomot -l4OdBc/Hz la lKHz), SPB833-
r53
33. Sinteza de frecvenld
divizor cu 32 la 3.5GHz(-150dBc/Hzla 10KHz), SP8B30 divizor cu 10 ta 1.SGHz,Un alt
prescalereste SP8782ce permite divizareacu L6/L7 gi32/33 la 1GHz.
Un alt producdtor major de prescalere(gi la un cost mai redus) este NEC(filiala din SUA
CEL)care produceprescalerepentru tensiunide alimentarede 3V sau 5V. Cele mai uzuale
sunt: UPB1502(:64/65/LZB|L29) la max, 2GHz, UPB1505(:64/LZB/256) la max. 3GHz,
UPB588(6a/L28) la max. 2.5GHz
8.7 Sintetizoare de frecven!5 fractionare
A9a cum am vEzut in paragrafuldestinat Pll-urilor intregi, limit6rilecauzate de mirimea
coeficientuluide divizare fac imposibili oblinerea unei rezolulii mari ta frecvenle ridicate.
Limitareafundamentald provine din proprietateaunei bucle PLL de a multiplica zgomotul
referinlei de frecvenli cu factorul de divizare a VCO-ului. La o frecvenla de lGHz Si o
referint5 de 10KHz (egal6 cu rezolutia) factorul de divizare in bucla este de 100000. Pentru
oriceaplicatieobisnuita,zgomotulrezultateste mult prea mare.
$i lucrurilese complic5gi mai mult dac5 rezolutianecesardeste de ordinula lOHz la aceeagi
frecvent6,
in afari de coeficientulde divizare enorm, mai apare gi problemafiltrului de buclE
care are un impact puternic asupra timpului de comutalie a buclei PLL.De regulSbanda
filtrului de bucla PLLeste de ordinul a 1/10 din frecvenla de referin!5 (rezolulia buclei), ceea
ce inseamnaca la o rezoluliede 10Hz o bandafiltrului de buclSeste de 1Hz. Rezultatuleste
cE la comutarea frecvenlei, in special atunci c6nd ecartul este mare, se ajunge la timpi de
stabilizarea frecventeiinacceptabil
de lungi.
Si menlionam ca rezolulianecesarSla acord, depinde de tipul de emisiunefolosit:
100KHz poate fi suficientpentru o emisiune FM de radiodifuziune
insa oentru o emisiune
5SB de band5ingustE,100H2va fi minimum acceptabil.
in alte cazuriceringele
ajung la lOHz
sau chiar mai putin,
Existacel putin trei metode prin care se poate obtine o rezoluliede ordinul a 10Hzsau mai
buna la frecventede ordinula 1-6GHz,
e Folosirea de bucle multiple, in care frecvenla de referinla pentru o bucla este
furnizat5 de alta bucla PLL.Metoda necesitade reguld gi un num6r de mix5ri, ceea ce
sporegtecomplexitatea.
o Folosireaunui circujt DDS pentru generarea referintei unui PLL. Practicse folosegteo
referint6variabili. Intruc6t rezoluliaunui circuitDDS este mai bun5 de 1mHz,in final
se pot atinge rezolutiide ordinul a 10Hz sau mai bune, pdstr6nd un coeficientde
divizarein buclaPLLrezonabil(<1000)
. Folosiref Pll-urilor fraclionare, In uitimii 6-7 ani au apErut circuite ce folosesc un
principiuneconventional
pentru obtinereade rezoluliimari la frecvenleridicate.
Toate
-60"0
-65-O
-78.8
A -so-s
fr -es.o
e -go.o
-s5,0
-180"0
-105-O
10 1{X} 1000 10000
ChEnnelSpaeing(KHz|
PLL-u
rile
moderne necesiti un
microcontroler pentru a
putea fi programate,
precum Si pentru
afisarea frecventei. In
cele ce urmeaz6 sunt
Drezentate ceteva
detalii desore modul
cum lucreazE circuitele
PLL fradionare. Cit. de
bune pot fi PlL-urile
fractionare? Figura
alSturatd orezint5 o
comparatie intre patru
PLL-uri intregi si trei
fractionare
(LMX2354/64 si 2470) in ceea ce priveste zgomotul de fazE pentru Pll-urile produse de
NationalSemiconductor.
Chiardacafigura de mai jos reprezintE
performantece se pot atinge
rs4
34. Sintezade frecventA
doar in conditii teoretice, diferenta calitativ6 este evident6. Agadar: zgomot mai mic aproape
de purt6toare si rezolulie net superioara.
Principiulfolosit in sinteza de frecvenlE fradionarE nu este nou. incS din anii'60 se f;ceau
incerc5ri cu astfel de circuite, insE abia recent progreseleficute au fEcut posibilafabricarea
unor circuite cu adevErat performante. Se poate spune fdrE greg cE PLL-ulfractionar actual
reprezint5 un pas evolutiv major al vechilor PLL-uri intregi, Ideea este c6t se poate de
simplS: presupunind cE avem nevoiede un circuit care sa divizezecu 100.1, va trebui ca
divizorulsE dividdde nou ori cu 100 si a zeceaoara cu 101,
vco
Divizor
Fig.1
Figura1 ilustreazi o divizarecu 2,25
Ecualiafundamentalade funclionarea unui PLLclasiceste:
Fvco=N*Fner
Ecuatiade functionarea unui PLLfradionar devine:
Fy66=(N+0,
F)*Fqee
Unde0.F este parteafraclionar5,pentru cazuldin fig.1 N.F=2.25
Construclia unui astfel de,divizor este relativ simplS,ins5 problema majora este cE din cauza
acestuimod de lucru,buclaPLLva genera foarte multe semnaleparazite.
Degi frecventa rezultatE este corectE, apar distorsiuni mari de fazd gi care genereazE
semnaleparaziteeu amplitudinemare.
8.7.1 Metode de compensare a semnalelor parazite in PLL-uri fraclionare
Au trebuit sa fie imaginatediverse metode pentru compensareaproduselorparazite.Inilial
au fost folositecircuiteanalogice
care erau sensibilela variatiilegi tolerantelecomponentelor
insi ulteriors-au impus metodeledigitalede compensare.
Trei metodeau fost folositein constructiasintetizoarelor
fraclionarede-a lungultimpului:
1. Folosireaunui circuit de int6rziere.tntruc6t erorile de fazS sunt cel-ecare cauzeazi
semnaleleparazite,in mod logic, prin adiugarea unor circuitede int6rzierese poate
compensaeroareade fazd gi implicitimbunititi rejectiasemnalelorparazite.Metoda
duce ?ns5 la cregterea ugoarE a nivelului de zgomot in bucla PLL. Aceasta a fost
metoda utilizatd initial in circuitele integrate de acest gen, de cdtre National
(LMX23s0/51/s2/ s3/ s4/ 64) sau Fujitsu
2. Injectarea unui curent controlat in pomoa de curent pentru crearea unui ofset in
frecven!6, Metoda nu producecregtereazgomotului in bucla PLLins6 necesitduneori o
calibrare manualE a curenfului injectat (de obicei o rezisten!5 variabila externa).
Probabilcel mai cunoscut PLLfraclionar de acest gen este 5A8026 produs de Philips
3. Utilizareaunui modulator AZ. Este cea mai moderni metod5 Si se pare ca se va
impune ca solutie universalSin construcliade PLL-urifractionare. Exemple ar fi:
LMX2470, LMX247t de la National, CX74038 (sau varianta mai noua SKY7403B-13)
de la Skyworks (fost Connexant),MAX2150(care conline si un modulator I/e pe
acela5icircuit)de la Maxim
r55
35. Sintezade frecvente
Metoda 2
Liniede iniziere
+
Metoda3
ModulatorA,
in PLL-urifractionare
Metode de Fig.2
Figura 2 ilustreazd cele trei moduri de compensare a semnalelor parazite intr-un PLL
fractionar.
Fiec-are
metoda de compensareduce la reducereasemnalelorparaziteinsS nu Si la anularea
lor completS. Din aceasti cauz5 se pot observa diferenle destul de importanie in ceea ce
priveSte amplitudinea semnalelor parazite generate functie de produc5torul circuitului
integrat.
Fig.3
Figura3 prezintd schema bloc simplificatEa unui PLLfractionar cu modulator A:
Teoria care st5 in sp-atelemodulatorului A: este legata de transformata.Z (transformatele
Laplacesau Fouriersunt ceva mai cunoscute).
FdrEa intra in detalii matematice (care par dificile la prima vedere insi care sunt de fapt
genialde simple),sE menlionamcE ordinul modulatoruluiare o rnere important6in eficienla
acestuia.Ordinulmodulatoruluiin principiupoatefi de la 1 la n.
. Un modulatorde ordinul 1 alterneazE
factorulde divizareintre doua valori. Practicnu
se asigurEnici un fel de compensarea semnalelorparazite. Este cazul unui banal
divizorfraclionar,(0 si 1)
. Un modulatorde ordinul2 alterneazE
factorulde divizareintre 4 valori (22).Se produc
de patru ori mai multe semnale parazite insa amolitudineaacestoraeste mult mai
micSdec6t in primul caz.(-2,-I,O,L)
156
36. Sintezade frecvenld
. Un modulatorde ordinul 3 alterneazdintre 8 valori, vor apare de opt ori mai multe
semnaleparaziteins5 cu amplitudinigi mai mici, (-4,-3,-2,-1,O,L,2,3)
. Un modulatorde ordinul n alterneazE
intre 2nstari,
Ideea de bazi aici este sa se reduc5 cit mai mult amplitudinea acestor semnale parazite
(chiardacasunt mai multe) pentru a puteafi filtrate mai ugorde filtrul de bucl5.In principiu,
puterea de zgomot (care inglobeazi si semnalele parazite) rdmdne aceeagiins6 energia
semnalelor parazite este imprSgtiat5 pe un spectru de frecvenla mai mare, Filtrul de bucla
are un rol esenlialaici in atenuareasemnalelorparazitediscretecare cad in afara benziide
trecere,
PLl-urile fraclionare realizate pen6 acum, folosind tehnica A:, folosesc modulatoare de
ordinul2, 3 sau4.
Utilizareamodulatoarelorde ordinul 3 sau 4 duce la aparilia de semnale parazite
subfraclionare, de multe ori impredictibile datorita faptului ca degi secventa de lucru a
modulatorului
A: este periodica,punctulde start se schimbacontinuu,
Practicla un modulatorde ordinul 2, dacadorim un factor de divizarede 1000,2, divizorul
va alternaintre 998, 999, 1000, 1001
Datoritd principiuluide fundionare insE, vor apare 9i semnale parazitecare cad in
interiorul benzii de trecere a filtrului de bucla gi care nu pot fi eliminate. Este cazul aga
numitelor "integer boundary spurs" care apar in vecin;tatea multiplilor frecventei de
comparare. De exemplu, dac6 frecvenla comparatorului este de 20MHz Si se sintetizeaza
440.005MH2,iar banda filtrului de bucla este 20KHz, vor putea fi vEzute doua semnale
parazitela distanti de +/-5KHz de semnalulgenerat.Acesteapot fi de ordinula -35, :
-50dBc si practic fac imposibil5 folosirea acestui gen de sintetizor intr-o banda de frewenta
de cEtevazecide KHzde ambelepSrtiale nxFREF.
Existac6teva metode ce pot fi folosite pentru a "sc5pa" de aceastaproblemS:
1. Alegerea unei frecvente de referinta mai mare dec6t-banda de frecvenlE ce t"rebuie
acoperit5gi trebuie avut in vedereca nici un multiplu al frecvenleide referinti si nu
cad5in interiorulbenziiacooerite.
2. Utilizareaa doui referinte. Metoda necesiti fie doua oscilatoarecu cristal fie utilizarea
unei DDS pentru a genera douS frecvenle. FolosireaDDS ca referint5 de frecven!5
duce la o ugoaradegradarea perfcrmanlelorla zgomot
Frecventamaxima de compararepentru PLL-urile
fraclionareeste de ordinul a 30MHz,degi
recent National a realizat LMX247L ce poate opera cu p6nd la 50MHz. In consecinla este
posibilsa se obtinE o banda de frecventade 30MHzsau chiar 50MHzfdrd semnaleparazite
si fdri a se comuta frecventa de referinga.
O alta limitare, care este ins5 specifica tuturor Pll-urilor, deci nu numai celor
fraclionare,rezulti din num6rul minim de divizare cu care poate lucra divizorul PLL-ului.
Acestgen de limitiri nu sunt uneorivizibilela prima lectura a datelorde catalog.
Ca exemplu,pentru PLL-ulLMX247l numErulminim de divizarevalabileste 55, Asta
inseamn5 ca la frecvenla de I.2GHz valoarea maxim6 a referinlei poate fi
1200/65=18,45MH2,O alt; limitare la acela5lcircuitintegrateste circuitulLock Detectcare
nu functioneaz5la frecvenle mai mari de 20MHz(limitareaeste mentionatain pag. 19 a foii
de catalog....),Altfel spus, poli incerca sa lucrezi cu frecvenla de comparare de 50MHzins6
firi semnalul lock detect nu poti gti dac6 bucla este calatS(eventualse poate monitoriza
tensiuneade acorda VCO)! Estesingurulcaz de acestgen pe care l-am int6lnit 9i care va fi
corectatprobabilin viitoarelemodelede la National.
Un alt PLLfraclionar produs de Maxim, MAX2150,are num;rul minim de divizare
N=35, ceeace permitefolosireafrecvenleide compararemaxime (care e de 30MHzpentru
acest integrat) pentru a genera frecvenle mai joase,
CX74038produs de Skyworksare factorulde divizareminim de 64 iar frecvenlade
comDarare
maxima de 15MHz.
r57
37. Sintezade frecvenld
8.7.2 Rezolutia sintetizoarelor fradionare
Rezolutia sintetizoarelor fra$ionare este data de num5rul de bili ai divizorului
fradionar 5i de frecvenla de comparare. Divizoarelefraclionare au de regula valori de la 216
la 2'o biti. Cu cati mai multi bi!i, cu atat rezolutiain frecventa va fi mai bun5. Calculul
coeficienlilor
de divizarese facesimplu:
Exemplu: sa presupunem ca utilizam MAX2150 care are un divizor fractionar de 28
biti, o frecventa de referinla de 20MHz si dorim sa generam 1721.125MH2.
Evident, factorul de divizare va conline o parte intreaga si una fraclionara:
D=N.F=N+F/22e
Pentruexemplulnostru: D=L72L.L25/20=
86.05625
Rezultd: N=86, F=0.05625/228=15099494
Rezolutia maximi este datS de frecvenla de comparare divizat5 cu valoarea num5rEtorului
fraqionar. Pentru30MHzfrecven!5de compararegi un numdrEtorde 28 bili rezulti
3OXIO6/228=
O.111Hz
in mod similar pentru circuitul LMX247Lce utilizeazE
un num5r5torfraclionarde 22 de bi!i,
rezolutiamaximaeste de cca,THzla aceeagi
frecven!5de compararede 30MHz,
'
A.7.3 Calcularea filtrului de buclS
Calcululfiltrului de bucl6 pentru un PLLfractionar se face dupi aceeagimetod5 ca gi in
cazul PLL-urilorintregi, In acest caz banda filtrului nu mai este limitatd de frecvenla de
comparare. Datorit5 frecventei de comparare reduse folosite la Pll-urile intregi, banda de
frecventd folosit5 de filtrul de buclS nu putea fi mai mare de, 1/10 din frecvenla de
comparare pentru a putea asigura o rejectie eficienta a referinlei. In cazul PlL-urilor
fractionare frecventa de comparare .este de ordinul MHz-ilor aga inc6t banda filtrului PLL
poate fi foarte larga, 20-50KHz sau mai mult. O bandE de frecven!5 largE asigura timpi de
comutare fdarte redusi, de ordinul zecilor de ;rs p6nE la 200ps pe intregul ecart de frecven!5.
Proprietatea
esteesentialdpentru aplicaliigen: comunicaliicu spectruimprdgtiatsau radar.
Un alt bonusal utilizirii unei benzide trecerelargi pentrufiltrul de buclSeste imunitatea
ridicat5la efectede microfonie.Pentruaplicaliimobile,este cunoscutfaptul ca vibratiilepot
afecta grav puritatea spectralSa unui PLL.Daca banda de trecere a filtrului este suficient de
larga, bucla PLLpoate corectaerorile instantaneede fazEin timp real Si mentine puritatea
spectralE,
Revenindla calcululin sine, in'mod normal trebuie avuti in vedere o serie de parametrii
precummargineade faza sau raportulintre polii filtrului de bucl5.Asemeneacalculese fac
simplugi rapid cu ajutorul unor programede calcul (fie ele chiar gi tabele de calcul Excel),
Unul dintre cele mai accesibilegi eficiente programe este disponibil pe site-ul National
(http://webench.
national.com/appinfo/webenchlEasypLL)
In cele ce urmeaz5iati o metodi simplificatdde calculce asumd o maroinede fazade cca.
520.
Pentrucalculeste necesarsEse cunoascS:
- KV: c6StigulVCO in HzlV (daci nu se cunoa9te KV, trebuie m5suratE varialia de frecven!5
pentruo varitiea tensiuniide acordde un volt);
- Ip curentulin pompade curent in A/2n radian
- UGBW bandafiltruluide buclSin Hz
- Nint=Frecventa
VCO/Frecvenlacomp (se folosegtenumai partea intreagE)
158
38. Sinteza de frecventA
N=ryVP-*7.2e6,
PLL*-r-
"'l-t
"'l
.t I I Fie.4
0 55R
C l =
- ' - - -
. R 2 = 1 . 9 M * R l
UGBW
* '
CI CI
u z = - , u J =
9. 118' 4 1 3 .3 4
Multe din circuitele PLL fraclionare contin
douE PLL-uri:unul fraqionar gi unul intreg.
Aceasta asigur5 o rezolvare eleganta
pentru generarea frecvenlelor necesare
intr-un receptorcu dublEconversiesau un
emit5tor, De regulS, PLL-ul fractionar
asiguri functionareala frecvenle mari (2-5GHz) in timp ce PLL-ulintreg fundioneaz5 la
frecventede o6nEla 1.BGHz.
PLL-ulintreg este folosit intr-o dubla conversie doar pentru generarea unei frecvente fixe,
ceeace simplificacerinlelede realizarea filtruluide buclE(se poatefolosigi o band5a buclei
de 10Hzsau mai putin) in timp ce PLL-ulfractionarse folose5tein prima conversiegi asigurS
gi rezolutiamaxima la acord.
Tabela1
PLL Dual
RF/IF
Frecventa
Max.
l"r
Max
Divizor
intreg
Divizor
fraclionar
cx74038 Da 2.6GHz 15MHz 64-2 Skyworks
MAX215O Nu 2.3GHz 30MHz 35-251 2_'o Maxim
LMX247t Da 3.6GHz 50MHz 65-2O45 2" National
cx72302 va 6GHz Skyurorks
Tabela 1 prezintd c6teva dintre cele meripopulare PLL-urifracfionare. Lista ar putea fi extinsa
cu PLL-uri produse de Philips, Analog Devices 6au Fujitsu. Except6nd 5A8026 care poate
atingeo rezolutiemai buna de 100H2la lGHz, celelaltePLL-uriprodusede AD sau Fujitsuau
un divizorfraclionarde ordinula 212sau 216biti, ceea ce nJ permite oblinerea-uneirezolulii
foarte fine.
8.8 Exemptu de folosire a unui PLL fractiohar pentru un receptor cu dublE conversie
Exemplulde mai jos arati cum se poatefolosiun'PLLfractionardublu, pentru un receptorcu
dubl5conversiepentru banda 1250-1300MH2.
Frecvenla generat5 pentru prima conversie este de 1050 -1100MH2 gi pentru aceasta se
utilizeaz5 partea fraclionarE a PLL-ului CX74038. Pentru cea de a doua conversie de
frecvenld se foloseste secliunea intreagd a PLL-ului gi care va genera o frecventa fix5.
Valoareaacesteiadepinde de valogrea primei frecvente intermediare gi pentru exemplul de
fa!5 este in zona 200-300MH2. Alegerea frecvenlei intermediare se face tinind cont de
eventualeleinterferenteprovenitede la emititoarele TV ce opereazEpe canalele10-12. Un
filtru SAW pentru telefoanecelularE(din generatiilemai vechi) pe 210.38MH2sau apropiat,
este ideal pentru o asemeneaaplicalie.La nevoiechiar Si un filtru cu 3 inductantevariabile
poatefi folosit.Parteaintreagda'PLL-uluipoatefi programat6in pagide 25KHzsau 100KHz
(pentru acest PLL valoarea maxim5 a frecventei de comparare nu trebuie sa dep;geasc5
2MHz)
Celedou5 VCO-uri trebuie ecranatepentru a se evita degradareapraguluide zgomot sau a
purititii spectrale.
Rezolulia
la acordeste de ordinula 10H2,suficientde buni pentru oriceaplicatieuzualS.
r59
39. Sintezade frecvenld
Programareafrecventei pentru PLL-ul dublu se face pe un bus serial SPL Programarea se
face cu ajutorul a 32 biti (patru cuvinte a 8 bi!i). in afari de programarea frecventei
utilizatorul poate programa gi curentul in pompa de curent pentru ambele PLL-uri,
polaritateacomparatorului de fazE, precum Sifunctionarea pinului Lock Detect.
Pentru un receptor dubld conversie mai este necesar5 generarea unei frecvente
pentrudemodulator.Aceastapoate fi de 9MHz (sau 10.7-21,4MH2)
functiede valoareacelei
de a doua frecvenle intermediare. Se poate folosi un cristal sau daca sunt cerinle speciale
1050-1100MHz ps-6u1
+
,"'+ zu2
I T
) a a
i i
i J
-i-
', 22pr:
i ' i
T
..
2DAMiz
F L o o p F i t e r
de stabilitate se poatefolosiun PLLseparatpentru a generaaceasti frecven!5sincronizatcu
aceeagireferintEde frecven!5 ca si PLL-uldublu fraclionar.
Programarea PLL-uluifra{ionar necesit5 evident utilizarea unui microcontroler,care rezolvE
gi problema afigirii frecvenlei, Pentru testele initiale, se poate folosi softul de control pentru
pldcile de evaluare ale acestor PLL-uri.At6t Skyworks cAt gi National sau Maxim ofer6 acest
soft gratuit pe website-urilelor gi necesiti utilizareainterfeteiparalelea unui calculatorPC,
(National utilizeazi CodeLoader 2 pentru toate Pll-urile produse de ei),
In continuare sunt prezentatecateva imagini produse cu un analizor de spectru gi care
ilustreazi peformantele ce se pot obline cu aceste sintetizoare de frecventa av6nd o
rezolutiede 10H2,
Pentrufigura 6 Span=300KHz
RBW=3KHZ.Pentrufi9.7 si B Span=25KHzsi RBW=300H2
Fig.8arati semnaleleparazitecare apar in vecin5tateamultiplilorfrecvenleide referint5
t
10(|
I
t :
I
D2
160
40. Sintezade frecvent,
PhaseNoise=
-65dBc/300H2
@10KHz=
-B9.77dBclHz@10KHz
Imaginileau fost iuate pentru un sintetizorlucr6nd pe 1700MH2.La frecventade 1!0Q["1H2
zgomotul de faz* este cq cca. 3-4dB mai bun daca VCO-ul este corect realizat. Cregterea
ugoar5a zgomotuluila cca. 7.5KHz de purtitoare ift fig.7 este cauzatd de filtrul de buclS
pr oiectatpentruomarginede f aza
de460, inideeadeaasigur atimp i
d e co mu ta re min imig i
imunitateia vibralii maxima. Cu o margine de fazi de ordinul a'560 zgomotulde faza este
aproapeplat in bondafiltrului de bucid,Oricunrperformanleleoferite sunt suficientde bune
pentrucele mai multe aplicatii.
Mai toate componentele de acest fel nu sunt din clasa <<
5V tolerant >>,leea ce
inseamnd ca dacE pentru control se folosegteun microcontroler din generatiile mai vechi cu
alimentare la 5V sau interfata paralelE de la un PC, este necesara folosirea unui buffer
corespunzdtorpe toate liniilede control.
Evident,inainte de a utiliza o astfel de componentastudiereacu atentie a foii de
catalogeste esenlial5,atet pentru a inlelege care sunt limitele de functionarecat Si pentru
detalii complete de programare, Din punct de vedere al realiz5rii practice, deosebit de
important este acuratetea reeliz;rii cablajului imprimat. Se aplicd precautiile clasice:
decupl5rila masa scurte, conectareala planul de masE se face prin via plasate cit mai
aproapede pinul de masa, minimizarealungimiitraseelor,utilizareatraseelorcu impedan!5
controlatS. La aceste frecvenle se folosesc numai componente SMD gi realizarea cablajului
trebuie f5cutEcu gr'1j5,
Exemplulde mai sus este elocventin ceea ce privegte simplitatea la care s-a a3unsin
generareaunor frecvenlede ordinula cAtorvaGHzcu rezolutiide 10Hzsau mai bune. Sigur,
c6nd vorbim de simplitateo facem din punct de vedere al utilizatorului,pentru ca circuitul
integratin sine este deosebitde complexgi inglobeazi atet circuitedigitalecet Si analogice.
Tehnologia
de realizareeste de reguldBiCMOS,
9i conlin peste 12000 de tranzistoare(16321
tranzistoripentru MAX2150,care continesi un modulatorI/Q l!!).
Ttr
Fig 6
I
ll q - i
qf
'-Thtr
Fig.7
V IUDI
'*f
-'liJ
*.
Flg8
161
41. Sintezade frecventE
8.9 Comanda sintezei de frecventi cu microcontrolere
Primele sinteze de frecven!5 comandate de microprocesor au ap5rut in echipamentele
profesionale
la sf6rSitulanilor'70. La inceputau fost folositemicroprocesoare
clasicede tioul
8080 sau 280. Un asemeneasintetizorconsuma cca, 3-5A gi produceaprobleme mari de
interferent5 in radioreceptorul in care trebuia si fie inclus. Actualmente se folosesc noile
generatii de circuite CMOScare permit consumuri de ordinul a catorva mA (dacd se foloseste
un afigaj cu cristale lichide- chiar gi cu sursE proprie de iluminare back light), ceea ce a
permis realizareade echipamenteportabileminiaturale,ce pot funqiona timp indelungatpe
baterie.Odati ce consumul a scEzut mult, au scizut 5i perturbatiilegenerate, problemele
dificile de ecranare fiind eliminate in oarecare m6surS. Pe de aita parte, cregterea
frecventelor de lucru pentru microcontrolere, la valori de sute de MHz sau chiar L-ZGHz,
genereaz5probleme legate de zgomot la frecvente mari, ce se pot intinde pe spectre intinse
de frecventS.
Toate sintezele de frecven!5 moderne sunt comandate de microcontroler. Se asigurE
in acest fel reducereasubstanlialEa num5rului de circuite externe, put6ndu-se asigura
facilitSli deosebitede operare, cum ar fi:
. Comanda gi controlulafigajuluide frecventE
. Memorareagi lucrul cu frecvenle preselectate
. Posibilitatede scanare a benzii de frecvenlE
o Permiteoperarea cu shift de frecvenlE emisie /receplie
. Facilit5ti
multiplede automatizare.
Circuitele complexe de sintezd de frecven!5 destinate receptoarelor de performan!5
genereazi practictoate semnalelenecesaremixerelordin receptoi, inclusivsemnalulpentru
detectorul de produs, sau pentru facilitatea cunoscuti sub denumirea de "IF
shift" (care
permite decalareacaracteristiciide selectivitate a receptorului fa!5 de semnalul receptionat,
cu scopul de a elimina o perturbatie care se afli la limita superioar5sau inferioarSa
spectruluide JFa semnaluluireceplionatin SSB).
Cel mai adesea se folosesc astdzi microcontroleredin seria.Intel C51 in diferite
variante,functiede necesit5tile
hard ale aplicatiei.
Celemai versatilecircuitepar a fi cele realizatede ATMELcare conlin memoria de program
sub forma de EEPRoM, ce poate fi ugor gtearsE sau modificatS, 89c2051 este un
microcontroler
ce contine 2K de EEPROM
intr-o capsulS
"cu20 pini. La aceastase adaugSgi
avantajulcostului(..-3$).O aplicatiepentru o sintez5de frecvenlE,destinatSsi comandeun
circuit cu interfa!5 I2Ceste prezentat5 in continuare. Schema se preteaz5foarte bine pentru
comandacircuituluide sintez5PhiliosT546060.
Schema nu utilizeaz5 un circuit de memorie MM pentru memorarea oosturilor
(frecventelor) preselectate, aceasta fic6ndu-se in RAM-ul microcontrolerului. DacE este
necesari memorarea unui num6r mai mare de frecvente,atunci devine necesar5folosirea
unei memorii.detip EEPROM
de tip 24C01sau 24C02 (PCFBSB1-8582)
cu interfa!5I2C,care
se conecteazEpe aceeagimagistrald ca 5i circuitul de sintezi T5A6060. La clderea sursei de
alimentarecircuitul89C2051trece in mod "power down" cu consum redus (c6teva zeci de
pA) 9i se alimenteaz5din baterii.Semnalulde PTTpermite realizareadiferenleide frecvengd
emisie-receptie
de 600KHz.SemnalulMUTpermite blocareain caz de avarie,sau (funcliede
soft) prin supraveghereasquelch-ului,se poate realiza funclia de c5utarea automit5 a
frecvenlelor, cu oprirea pe posturile gisite.
Pentrua se economisibitii disponibilide comandi ai procesorului,
s-a ales o variant5
de scrierea datelor pe display-ulLCD, pe 4 biti. Procesorul
furnizeazEafigoruluigi semnalul
RS precum9i E (ENABLE)pentruvalidareascrierii,NivelulluminozitSliiafigajuluise regleazS
cu ajutorul potentiometrului
de 5K.
Modificarea frecventei se face cu tastele UP gi DOWN, rezultatul fiind urm;rit pe
afigajulcu cristalelichideLTN114(sau oricealt tip echivalent: un r6nd x 16 caractere).
Comutatorul de functii permite selectareamai multor moduri de lucru duoi cum
urmeazS:
r62
42. Sinteza de frecventA
RST VCC
P3.0 P1.7
P 3 . 1 P 1 . 6
xlal2 P1.5
xlall P1.4
P3.2 P1.3
P3_3 P1.2
P 3 . 4 P 1 . 1
P 3 . 5 P 1 . 0
GND P3,7
aK2 MUE
FREQ-tastele UP Si DOWN permit trecerea din canal in canal cu pas cie.12.5KHz
(corelet cu referinta sintezei)- Tasta MEM permite schimbarea modului de funclfonare;
direct/repetor sau invers, asigur'6ndsau nu shiftul de 600KHz ernisie/receptie.
MEM- Permite citirea frecventelor gi modurilor stabilite anterior pentru o anurne
frecvenlS,.Introducerea in memorie, modificarea frecvenlei sau a modului de lucru se pot
face cu comutatorul functii pe pozitia :
MEMMODIFY
DUAI-WATCH permite supraveghereaat6t a frecvenlei de iucru (selectate in modul
FREQ)cet gi unei alte frecvenle din memorie.
MEMSCANpermite baleiereafrecvenlelor din memorie
SCANpermite baleiereaintregului spectru de frecven!5.
Memorareaunei frecvenle se face trec6nd comutatorul de moduri de-lucru pe pozitia MEMgi
apds6ndtasta MEMse memoreazdfrecvenla afi5at5.
EEPROM-ulmicrocontrolerului 89C2051 trebuie s5 fie incircat cu un soft
corespunz6tor
pentru a se putea realizafuncliunileenunlate mai sus.
Exemplulde mai sus este unulclasicpentru comandaunei sintezede frecven!5pentru
radiotelefon.
Evident pentru functiuni extinse (intrdducereafrecventei prin tastaturE numericS,
funcliimultiple)se complic; corespunz5tor
atat hardulutilizatc5t gi softul.
8.10 Arhitectura moderni a sintezelor de frecven!5
Cele mai moderne sinteze de frecventE care necesitS rezolutii sub 10Hz sunt realizate"in
structuri hibridS: DDS+PLL. O exemplificare in acest sens este sintetizorul de frecven!5
realizatde firma ICOMla transceiverul
1C765,a cirei schemi bloceste prezentat;in fig,25,
Se remarci faptul ci se utilizeaz; o sintez5 digitalSdirect3 (DDS), pentru a se obtine
o bune rezoluliede frecven!5.Circuitulasiguri un semnal cu frecventa cuprins5intre cca.
500KHzgi 1MHz. Este posibilEoblinerea la aceste frecvenle a unor peformanle foarte bune
in ceea ce privegte puritatea spectral5. Se ugureazi mult gi sarcina DAC-ului, putand fi
163
