Перейти к содержанию

Генератор, управляемый напряжением (ГУН)

В сердце каждой ФАПЧ стоит генератор, частоту которого можно двигать напряжением. От того, насколько круто он перестраивается и насколько чист его спектр, зависят шум, диапазон и скорость всего синтезатора.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Генератор, управляемый напряжением (ГУН, VCO — voltage-controlled oscillator) — генератор, частота которого зависит от управляющего напряжения. В радиодиапазоне это обычно генератор с LC-контуром, в который включён варикап: напряжение на варикапе меняет его ёмкость и резонансную частоту (TI SWRA029, с. 8). ГУН — исполнительный узел каждой ФАПЧ: петля подстраивает его напряжение так, чтобы частота, делённая на N, совпала с опорной.

Крутизна Kv

Главная характеристика ГУН — крутизна Kv: на сколько мегагерц меняется частота при изменении управляющего напряжения на 1 В (МГц/В). Она определяет диапазон перестройки при доступном управляющем напряжении и чувствительность к шуму: любой шум на управляющем входе модулирует частоту пропорционально Kv. TI делает вывод: меньшая крутизна даёт меньший фазовый шум, но и меньший диапазон. Нелинейность Kv по диапазону меняет полосу петли, а с ней шум и время перестройки (SWRA029, с. 9).

Для фазы ГУН — интегратор: частота пропорциональна напряжению, фаза — интеграл частоты, поэтому в уравнениях петли его передаточная функция Kv/s (SWRA029).

Добротность контура

Генерация начинается с собственного шума схемы, который контур фильтрует и усиливает до насыщения; спектр ГУН — шум в полосе контура, и чем выше добротность, тем он уже. Типичные значения в диапазоне 800–2000 МГц (SWRA029, табл. 1):

Элемент контураДобротность
Микрополосок на FR-46–12
Воздушная катушка20–50
Керамический резонатор50–200
Варикап 2–6 пФ40–100
ПАВ-резонатор400–2000

Варикап и катушка ограничивают добротность всего контура, поэтому ГУН шумит намного сильнее кварцевого генератора. Петля ФАПЧ подавляет шум ГУН внутри своей полосы, подтягивая его к чистой опоре.

ГУН в 74HC4046A

В классической микросхеме ФАПЧ 74HC4046A частоту ГУН задают внешние C1 и R1, а резистор R2 добавляет смещение, если нужен ненулевой минимум частоты. Выход — со скважностью 50 %, вход INH выключает ГУН ради экономии (TI SCHS204J, с. 3). Параметры из даташита:

  • R1 — от 3 до 300 кОм;
  • при C1 = 40 пФ, R1 = 3 кОм и управляющем напряжении VCC/2 центральная частота при 4,5 В — не меньше 12 МГц, типично 17 МГц;
  • нестабильность частоты — 0,11 %/°C, линейность — 0,4 % (при R1 = 100 кОм).

Как ГУН работает вместе с частотно-фазовым детектором и петлевым фильтром — в статье «ФАПЧ (PLL)».

Частые вопросы

Что такое крутизна ГУН Kv?

На сколько меняется частота при изменении управляющего напряжения на 1 В, обычно в МГц/В. От неё зависят диапазон перестройки и шум: любой шум на управляющем входе модулирует частоту пропорционально Kv. TI пишет, что меньшая крутизна даёт меньший фазовый шум, а нелинейность Kv по диапазону меняет полосу петли.

Почему ГУН шумит больше кварцевого генератора?

Из-за низкой добротности контура: у кварцевого резонатора она несравнимо выше, а у элементов контура ГУН — десятки или сотни. По таблице TI у варикапа 40–100, у микрополоска на FR-4 6–12, у керамики 50–200. Генерация начинается с шума, и спектр ГУН — это шум, отфильтрованный контуром: чем ниже добротность, тем шире юбка вокруг несущей. Поэтому ГУН и ставят в петлю ФАПЧ с кварцем.

Как задать частоту ГУН у 74HC4046A?

Конденсатором C1 между выводами C1A и C1B и резистором R1 на землю; резистор R2 сдвигает частоту, если нужен ненулевой минимум. При C1 = 40 пФ, R1 = 3 кОм и управляющем напряжении VCC/2 центральная частота — не меньше 12 МГц, типично 17 МГц при 4,5 В. R1 по даташиту — от 3 до 300 кОм.

Источники

  1. Texas Instruments. Barrett C. (ed.) Fractional/Integer-N PLL Basics (SWRA029, August 1999) — с. 8–11: ГУН — генератор, резонансный контур которого перестраивают напряжением на варикапе; в сотовых диапазонах обычно генераторы с отрицательным сопротивлением; табл. 1: типичная добротность в диапазоне 800–2000 МГц — микрополосок на FR-4 6–12, воздушная катушка 20–50, керамика 50–200, ПАВ-резонатор 400–2000, варикап 2–6 пФ 40–100; крутизна Kv — изменение частоты при изменении управляющего напряжения на 1 В, в МГц/В; меньшая Kv — меньший фазовый шум; повышение добротности контура улучшает фазовый шум; нелинейность Kv меняет передаточную функцию и полосу петли; в петле ГУН — интегратор фазы Kv/s; генерация начинается с шума, спектр — шум, отфильтрованный контуром (приближение Лисона)
  2. Texas Instruments. CD54/74HC4046A, CD54/74HCT4046A High-Speed CMOS Logic Phase-Locked Loop with VCO (SCHS204J, revised December 2003) — с. 1: ГУН до 18 МГц (типично) при 5 В, отличная линейность; с. 3: внешние C1 и R1 задают диапазон, R2 даёт смещение частоты; выход со скважностью 50 %; вход INH выключает ГУН; характеристики: R1 от 3 до 300 кОм; центральная частота при C1 = 40 пФ, R1 = 3 кОм, VCOIN = VCC/2 — не меньше 12 МГц, типично 17 МГц при 4,5 В; нестабильность 0,11 %/°C при R1 = 100 кОм; линейность 0,4 % при R1 = 100 кОм, C1 = 100 пФ

Нашли ошибку?

Смотрите также