Ansteuern des VCO eines PLL-Synthesizers mit erhöhter Steuerspannung

| Autor / Redakteur: Thomas Brand * / Kristin Rinortner

Ansteuerung VCO: Um eine hohe Steuerspannung zu erzeugen, gibt es mehrere Möglichkeiten (aktiver Schleifenfilter, PLL-Synthesizer mit integrierter Ladungspumpe).
Ansteuerung VCO: Um eine hohe Steuerspannung zu erzeugen, gibt es mehrere Möglichkeiten (aktiver Schleifenfilter, PLL-Synthesizer mit integrierter Ladungspumpe). (Bild: VCG)

In diesem Analogtipp zeigen wir, wie Sie einen Synthesizer mit Phasenregelschleife für breite Frequenzbereiche diskret aufbauen. Die im Gegensatz zur integrierten Lösung vorhandene physikalische Trennung der Komponenten minimiert Störungen.

Phasenregelschleifen, besser bekannt unter dem englischen Begriff „Phase Locked Loop“ (PLL), sind rückgekoppelte Systeme, die einen spannungsgesteuerten Oszillator (engl. Voltage Controlled Oscillator, VCO) und einen Phasenkomparator so kombinieren, dass das Oszillatorsignal frequenz- und phasenrichtig einem angelegten frequenz- oder phasenmodulierten Signal nachgeführt wird.

Verwendet werden sie, wenn aus festen niederfrequenten Signalen stabile, höhere Ausgangsfrequenzen erzeugt werden müssen oder wenn schnelle Frequenzwechsel erforderlich sind. Anwendungsbeispiele finden sich in der Hochfrequenz-, Nachrichten-, und Messtechnik bei Realisierung von Filtern, bei der Modulation und Demodulation sowie der Frequenzsynthese.

In Bild 1 ist das Blockschaltbild eines Frequenzsynthesizers zu sehen, der auf einer Phasenregelschleife basiert. Dabei erzeugt der VCO das Ausgangssignal. Er wird durch die PLL auf Sollfrequenz gehalten und mit der Referenzfrequenz quasi phasenstarr verbunden. Die Referenzfrequenz wird i.d.R. von einem sehr genauen Quarzoszillator bereitgestellt. Im Rückführungszweig der PLL ist ein Frequenzteiler vorgesehen, der die VCO-Frequenz vor dem Phasendetektor um einen einstellbaren Faktor herunterteilt.

VCOs enthalten ein einstellbares Abstimmelement, beispielsweise eine Kapazitätsdiode, deren Kapazität sich abhängig von der Eingangsspannung ändert. Die Phasenregelschleife ist damit eine Art Regelsystem für den VCO. Als Eingangs- bzw. Steuerspannung des VCOs ist oft eine höhere Spannung erforderlich als die zur Verfügung stehende Versorgungsspannung der PLL-Schaltung. Diese beträgt in der Regel 3,3 oder 5 V, wohingegen VCOs je nach gewünschter Frequenz Spannungen von mehr als 20 V benötigen. Um breitbandigere Frequenzen zu erzeugen, können VCOs genutzt werden, die sich über einen größeren Bereich abstimmen lassen.

In Bild 2 ist eine vereinfachte Beispielschaltung dargestellt, welche VCOs im Gigahertz-Bereich unterstützt. Als VCO kann der DCYS100200-12 von Synergy Microwave Corporation eingesetzt werden. Hiermit lässt sich eine Frequenz von 2 GHz bei 28 V (Utune) erreichen, wie im Diagramm in Bild 3 zu sehen ist.

Drei Möglichkeiten eine hohe VCO-Steuerspannung zu erzeugen

Um eine hohe Steuerspannung zu erzeugen gibt es mehrere Möglichkeiten. Zum einen mittels aktivem Schleifenfilter (engl. Active Loop Filter), der im Wesentlichen aus einem High-Speed-Verstärker und einem Tiefpassfilter besteht, der die Ausgangsimpulse vom Phasendetektor (CPout) in eine saubere Gleichspannung formt.

Alternativ hierzu kann auch ein PLL-Synthesizer mit integrierter Ladungspumpe, wie der ADF4150HV von Analog Devices, eingesetzt werden, der keinen zusätzlichen aktiven Schleifenfilter benötigt. Obwohl beide Lösungen eine Hochspannung zur Versorgung benötigen, kann mit dem ADF4150 die Komponentenanzahl geringer gehalten werden. Ebenso lassen sich die durch den Verstärker des aktiven Filters verursachten Verzerrungen und Phasenrauschen vermeiden.

Bild 2: Vereinfachte Schaltung für die Versorgung von Hochspannungs-Ladepumpen für den ADF4150HV.
Bild 2: Vereinfachte Schaltung für die Versorgung von Hochspannungs-Ladepumpen für den ADF4150HV. (Bild: Analog Devices)

Der ADF4150HV erlaubt ferner die Implementierung von Fraktional-N- oder Integer-N-Phase-Locked -Loop Frequenz-Synthesizern. Damit kann die VCO-Frequenz durch 1, 2, 4, 8 oder 16 geteilt werden, so dass auch Ausgangsfrequenzen bis minimal 31,25 MHz möglich sind.

Die benötigte hohe Spannung für die integrierte Ladungspumpe des ADF4150HV lässt sich mit dem DC/DC-Boost-Wandler ADP1613 erzeugen, ohne die PLL-Leistung zu beeinträchtigen. Beim ADP1613 handelt es sich um einen Schaltregler mit integriertem Leistungstransistor, mit dem sich Ausgangsspannungen bis 20 V erzeugen lassen. Höhere Ausgangsspannungen sind durch zusätzliche externe Komponenten möglich, in erster Linie durch einen externen Leistungstransistor.

Bild 3: Steuerspannung in Abhängigkeit von der Frequenz beim DCYS100200-12 (Quelle: Datenblatt Synergy Microwave).
Bild 3: Steuerspannung in Abhängigkeit von der Frequenz beim DCYS100200-12 (Quelle: Datenblatt Synergy Microwave). (Bild: Analog Devices)

Die Schaltfrequenz des ADP1613 lässt sich zwischen 650 kHz und 1,3 MHz einstellen. Dies führt zu einem besseren Einschwingverhalten und einer einfachen Rauschfilterung. Generell ist es ratsam, die Schaltfrequenz größer als 1 MHz zu wählen, um die beim Schalten durch den Schleifenfilter der PLL entstehenden Störpeaks zu reduzieren.

Die dargestellte PLL-Synthesizer-Schaltung offeriert bei Verwendung der integrierten HF-Teiler eine Ultrabreitband-PLL. Sie deckt Frequenzen von 62,5 MHz bis zu 2 GHz ab. Es lassen sich mit der gleichen PLL-Hardware unterschiedliche Frequenzen für zahlreiche Hardwareplattformen im System erzeugen.

Schaltung für verschiedene VCO-Typen

Wird allerdings eine Schaltung für verschiedene VCO-Typen benötigt, ist es sinnvoll, einen entsprechenden Schleifenfilter mit einzudesignen. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Phasenregelkreis zuverlässig funktioniert. Für die relativ breitbandige Anpassung der Ausgangsfrequenz, bzw. der damit verbundenen höheren Ausgangsleistung, sind kleine Filter an den HF-Ausgängen des ADF4150HV notwendig. Eine Spule mit einer Induktivität von 27 nH parallel zu einem 50-Ω-Widerstand bietet eine gute Anpassung für Frequenzen bis 3 GHz. Der Widerstand sorgt dabei für eine definierte Ausgangsimpedanz. Geringere Induktivitäten würden zur Erweiterung des Frequenzbandes in niedrigere Bereiche führen.

Fazit: Zwar sind heutzutage auch integrierte Lösungen für größere Frequenzbereiche erhältlich, d.h. PLL, Filter und VCO in einem Gehäuse, allerdings kann es dabei durch die unmittelbare Nähe der verschiedenen Komponenten zueinander zu unerwünschten Kopplungen kommen. Ein diskreter Aufbau und die damit vorhandene physikalische Trennung minimiert dieses Risiko.

Hilfreiche Unterstützung bei der Entwicklung von HF-Funktionsblöcken und modellierter HF-Signalketten bietet auch das PLL-Synthesizer Simulationswerkzeug „ADIsimPLL“. Entwickler können damit auf relativ einfache Art alle wichtigen nichtlinearen Effekte simulieren, welche die Leistung der PLL beeinträchtigen können. Dazu gehören neben dem Phasenrauschen auch unerwünschte Nebenwellen aus der Frequenzsynthese (Störfrequenzen).

* Thomas Brand arbeitet als Field Applications Engineer bei Analog Devices in München.

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