51

£¹cznoœæ

Świat Radio Marzec 2005

£¥CZNOŒÆ

Uk³ady radiowe

Jak poprawiæ stabilnoœæ czêstotliwoœci sygna³u w

Jak poprawiæ stabilnoœæ czêstotliwoœci sygna³u w

Jak poprawiæ stabilnoœæ czêstotliwoœci sygna³u w

Jak poprawiæ stabilnoœæ czêstotliwoœci sygna³u w

Jak poprawiæ stabilnoœæ czêstotliwoœci sygna³u w.cz.

.cz.

.cz.

.cz.

.cz.

Uk³ady stabilizacji czêstotliwoœci (4)

Jednym z najwa¿niejszych bloków ka¿dego
urz¹dzenia radiokomunikacyjnego jest
heterodyna, a podstawowym problemem
ka¿dego projektanta jest zapewnienie jej
odpowiedniej stabilnoœci d³ugo- i krótko-
terminowej. Kontynuujemy przedstawienie
mo¿liwych rozwi¹zañ tego problemu wraz
z ich wadami i zaletami.

Dzielniki czêstotliwoœci
i preskalery

Dzielnikowi czêstotliwoœci przy-

pisuje siê wzmocnienie 1/n, gdzie
n jest stopniem podzia³u dzielnika.
T³umaczy to, dlaczego wzrost stop-
nia podzia³u dzielnika powoduje
zwiêkszenie szumów fazowych -
dzielnik wnosi t³umienie. Przesu-
niêcie fazowe dzielnika mo¿na po-
min¹æ, poniewa¿ stanowi ono
w wiêkszoœci wypadków tylko nie-
wielk¹ czêœæ przesuniêcia fazowego
wnoszonego przez komparator fa-
zy. Szumy fazowe dzielnika stano-
wi¹ granicê redukcji szumów fazo-
wych w wiêkszoœci syntezerów.
Mechanizm generacji szumów fazo-
wych w dzielnikach czêstotliwoœci
wynika ze skoñczonego czasu prze-
³¹czania elementów aktywnych i is-
tnienia szumów typu f

-1

(migota-

nia). Szumy fazowe dzielnika czês-
totliwoœci le¿¹ w zakresie od czês-
totliwoœci wyjœciowej do czêstotli-
woœci wyznaczonej przez szumy
migotania typowo od 1 do 10kHz.
Wynika st¹d bezpoœrednio, ¿e szyb-
sze technologie bêd¹ generowa³y
mniejszy poziom szumu fazowego.

Szumy fazowe dzielników zale-

¿¹ od czêstotliwoœci (rosn¹ z jej
wzrostem), jak równie¿ od ró¿nicy
miêdzy poziomami logicznymi - im
jest ona wiêksza, tym uk³ad gene-
ruje mniejszy poziom szumu fazo-
wego. T³umaczy to, dlaczego uk³a-
dy serii AC generuj¹ mniejszy po-
ziom szumu fazowego od znacznie
szybszych uk³adów wykonanych
w technologii ECL. Orientacyjne
szumy fazowe najczêœciej stosowa-
nych technologi produkcji uk³a-
dów scalonych wynosz¹ odpo-
wiednio: AC - 155-165, ECL - 145-
150, TTL - 140, CMOS - 120, GaAs -
130dBc/Hz w odleg³oœci 20kHz.

Ró¿nice w szumach fazowych

dotycz¹ równie¿ typu uk³adu, np.
mniejsze szumy fazowe posiadaj¹
dzielniki synchroniczne ni¿ asyn-
chroniczne. WyraŸne ró¿nice szu-
mów fazowych da siê równie¿ za-
uwa¿yæ w obrêbie nawet jednej
technologii - np. starsze technologie
wykonania uk³adów ECL, charakte-
ryzuj¹ce siê wiêkszym poborem
pr¹du, generuj¹ mniejszy poziom
szumów fazowych nawet o 10-15dB
od ich nowszych oszczêdnych ener-
getycznie odmian.

Wszystkie powy¿sze uwagi do-

tycz¹ce technologii wykonania
dzielników czêstotliwoœci dotycz¹
równie¿ cyfrowych detektorów fa-
zy. Je¿eli istnieje mo¿liwoœæ u¿ycia
analogowego powielacza czêstotli-
woœci odniesienia zamiast dzielni-
ka czêstotliwoœci i jednoczeœnie
analogowego detektora fazy, nale-
¿y wzi¹æ j¹ powa¿nie pod uwagê.
Umo¿liwia to bowiem osi¹gniêcie
nawet o 15-20dB mniejszych szu-
mów fazowych od osi¹ganych
w najlepszych technologiach uk³a-
dów cyfrowych.

W przypadku preskalerów kry-

tycznym ich parametrem jest mak-
symalna czêstotliwoœæ pracy. Naj-
czêstsz¹ przyczyn¹ nieprawid³owej
pracy uk³adu PLL (zwi¹zan¹ z pre-
skalerami) jest zbyt ma³y poziom
sygna³u wejœciowego lub znaczne
jego zmiany w funkcji czêstotli-
woœci oraz z³e dopasowanie do ge-
neratora przestrajanego.

Wiele preskalerów przy braku

sygna³u lub przy zbyt ma³ym syg-
nale wejœciowym zachowuje siê jak
oscylator. Do w³aœciwej i pewnej
synchronizacji pêtli PLL czêsto jest
potrzebna do 15dB wiêksza moc
ni¿ podaje to karta katalogowa
okreœlaj¹ca czu³oœæ wejœciow¹ - wy-
stêpuje wtedy zjawisko synchroni-
zacji czêstotliwoœci drgañ preskale-
ra z czêstotliwoœci¹ VCO, zwana
synchronizacj¹ bezpoœredni¹.

Na zak³ócenia zwi¹zane z prac¹

preskalera ma wp³yw równie¿ za-
wartoϾ harmonicznych w VCO.
Du¿a ich zawartoœæ mo¿e spowo-
dowaæ zliczenie „fa³szywych” im-
pulsów. Z tego te¿ wzglêdu nale¿y
staraæ siê utrzymywaæ j¹ na jak naj-
ni¿szym poziomie (dobrym zwy-
czajem jest utrzymywanie pozio-
mu harmonicznych na poziomie
-20dB wzglêdem noœnej). Zak³óce-
nia tego typu mog¹ byæ widoczne
jako zak³ócenia stanowi¹ce u³amek
czêstotliwoœci odniesienia (najczêœ-
ciej po³owê) i wystêpuj¹ce na nie-
parzystych wielokrotnoœciach czês-
totliwoœci odniesienia. Bez wiedzy
o ich Ÿródle s¹ naprawdê trudne
do usuniêcia. Znacznie rzadziej
mo¿e za nie odpowiadaæ z³a praca
liczników syntezera N i A w uk³a-
dach z preskalerem m, m+1. Obec-
nie produkuje siê uk³ady preskale-
rów dzia³aj¹ce do 18GHz. Preskale-
ry najczêœciej wykonuje siê w tech-

nice ECL, GaAs lub, znacznie rza-
dziej, w technologii CMOS (Pereg-
rine).

Generator odniesienia

Generator odniesienia powinien

charakteryzowaæ siê wysok¹ sta³oœ-
ci¹ czêstotliwoœci i ma³ym szumem
fazowym. Wymagania te doskona-
le spe³nia praktycznie ka¿dy gene-
rator kwarcowy. Jeœli jednak zale¿y
nam na ekstremalnie ma³ym pozio-
mie szumu fazowego (np. w przy-
padku sygna³u, który bêdzie dalej
powielany lub bêdzie wspó³praco-
wa³ bezpoœrednio z niskoszumnym
oscylatorem i detektorem fazy), na-
le¿y zastosowaæ generator wykona-
ny na tranzystorach, a nie na bram-

kach logicznych. Nale¿y te¿ dobraæ
odpowiednio parametry wzbudze-
nia rezonatora (takie jak typ uk³a-
du generatora, rz¹d drgañ, moc
tracona w rezonatorze, parametry
i punkt pracy tranzystora).

W przypadku niewystarczaj¹cej

stabilnoœci d³ugoterminowej gene-
ratora wzorcowego mo¿na zastoso-
waæ jego kompensacjê termiczn¹
lub umieœciæ go w termostacie.

Wp³yw niestabilnoœci d³ugoter-

minowej generatora kwarcowego
przejawia siê szczególnie w zakre-
sie mikrofalowym, ze wzglêdu na
n-krotne powielenie odchy³ki ge-
neratora wzorcowego, gdzie n jest
stosunkiem czêstotliwoœci wyjœcio-
wej do czêstotliwoœci generatora
wzorcowego. W przypadku scalo-
nych pêtli PLL najprostszym spo-
sobem sprawdzenia wp³ywu gene-
ratora wzorcowego na poziom szu-
mów fazowych jest dwukrotne
zwiêkszenie czêstotliwoœci odnie-
sienia (dzielnik programowany
czêstotliwoœci odniesienia), a na-

W ŚR 12/04 zostały
zamieszczone:
− pojęcia podstawowe
− praktyczne układy PLL
− pętla fazowa

z mieszaniem

− DDS
W ŚR 1/05 zostały
opisane:
− układ DAFC
− FLL
− szumy fazowe
− opis elementów pętli

PLL

− detektor fazy
− cyfrowe detektory fazy
− detektory zboczowe

częstotliwości i fazy

W ŚR 2/05 zostały
zamieszczone opisy
filtrów dolnoprze−
pustowych

Nie wszystkie technologie wykonania uk³adów

scalonych daj¹ jednakowe parametry.

52

£¥CZNOŒÆ

Uk³ady radiowe

Świat Radio Marzec 2005

stêpnie zmiana nastawy dzielnika
programowanego VCO na wartoϾ
dwukrotnie mniejsz¹ od wczeœniej
ustawionej. Jeœli szumy fazowe ta-
kiego oscylatora synchronizowane-
go pogorsz¹ siê, oznacza to, ¿e
Ÿród³em szumów jest oscylator
wzorcowy.

W scalonych pêtlach PLL w pew-

nych przypadkach mo¿liwe jest
przenikanie sygna³u wzorcowego
do wyjœcia detektora fazy. Widocz-
ne jest to jako zak³ócenia odleg³e od
czêstotliwoœci noœnej o czêstotli-
woœæ wzorca, przy czym czêsto nie-
parzyste jej wielokrotnoœci daj¹ pro-
dukty o wiêkszej mocy. Przyczyn¹
wystêpowania zak³óceñ (szczegól-
nie tych o wy¿szych rzêdach) jest
najczêœciej zbyt du¿e wzmocnienie
inwertera generatora odniesienia,
co mo¿e zostaæ wykryte przez pod-
³¹czenie zewnêtrznego generatora
odniesienia. Jeœli zak³ócenia ulegn¹
zmniejszeniu, nale¿y obni¿yæ
wzmocnienie inwertera za pomoc¹
równoleg³ego rezystora lub stosuj¹c
wiêksz¹ wartoœæ pojemnoœci kon-
densatora na wyjœciu ni¿ na wejœciu
inwertera. Najczêstsz¹ jednak przy-
czyn¹ wystêpowania tego typu za-
k³óceñ jest Ÿle zaprojektowana p³yt-
ka umo¿liwiaj¹ca przenikanie syg-
na³ów. Do tego typu zak³óceñ zali-
cza siê równie¿ zak³ócenia pocho-
dz¹ce np. od uk³adu steruj¹cego
(mikroprocesora), uk³adów odchy-
lania monitorów itp.

VCO-GPN

Podstawowymi parametrami os-

cylatora s¹: jego czêstotliwoœæ wyj-
œciowa, moc wyjœciowa, czu³oœæ
przestrajania, definiowana jako
przyrost czêstotliwoœci na wolt
(amper) (rad/sV, rad/sA) oraz szu-
my fazowe.

Jedn¹ z najczêœciej spotykanych

opinii dotycz¹cych generatora
przestrajanego jest stwierdzenie, ¿e
nie musi byæ on szczególnie stabil-
ny, poniewa¿ i tak wszystkie od-
chy³ki czêstotliwoœci zostan¹ skom-
pensowane przez uk³ad PLL. Jest
to twierdzenie jak najbardziej b³êd-
ne, co zosta³o ju¿ wczeœniej wyka-
zane. Wymaga to od konstruktora
projektowania VCO jak ka¿dego
innego wysokostabilnego oscylato-
ra. W widmie ka¿dego oscylatora
mo¿na wyró¿niæ szereg obszarów
o ró¿nym nachyleniu, którym da
siê przypisaæ wystêpuj¹ce w uk³a-
dzie Ÿród³a szumów.

W obszarze najbli¿szym fali noœ-

nej (do pojedynczych Hz) o szu-
mach oscylatora decyduj¹ g³ównie
drgania mechaniczne i zmiany tem-
peratury oscylatora (f

m

-4

). Oddalaj¹c

siê od noœnej, decyduj¹cy wp³yw
zaczynaj¹ mieæ szumy pochodz¹ce
g³ównie od rezonatora i elementu
aktywnego (f

m

-3

). Z dalszym wzros-

tem czêstotliwoœci od noœnej zaczy-
na dominowaæ szum czêstotliwoœ-
ciowy bia³y ograniczony dobroci¹
rezonatora (f

m

-2

), a póŸniej szumy

pochodz¹ce od szumów typu f

-1

ele-

mentu aktywnego (zwykle do kil-
kunastu-kilkudziesiêciu kHz, f

m

-1

).

Poza tymi zakresami wystêpuje
szum bia³y f

m

0

elementu aktywne-

go. W zwi¹zku z ró¿n¹ dobroci¹ ob-
wodów otrzymuje siê ró¿ne widma
wyjœciowe, bêd¹ce kombinacj¹ wy-
¿ej wymienionych sk³adników.
W praktyce najwiêkszy wp³yw na
poziom szumów fazowych genera-
tora ma dobroæ rezonatora i zale¿ne
od napiêcia pojemnoœci wewnêtrz-
ne elementu aktywnego (rys. 27).
Wynika st¹d koniecznoœæ zapew-
nienia mo¿liwie du¿ej dobroci rezo-

natora w stanie obci¹¿anym i ko-
niecznoϾ zminimalizowania pozio-
mu szumów typu f

-1

.

Spe³nienie warunku amplitudy

w zakresie czêstotliwoœci radio-
wych zapewnia nam prawie za-
wsze tranzystor. W zakresie czês-
totliwoœci do oko³o 100MHz najlep-
sze wyniki uzyskuje siê, stosuj¹c
krzemowe tranzystory z³¹czowe
typu FET. G³ówn¹ ich zalet¹ jest
wysoka impedancja wejœciowa po-
zwalaj¹ca uzyskaæ wysok¹ dobroæ
obwodu obci¹¿onego. W zakresie
czêstotliwoœci UKF i szczególnie
mikrofalowym sprawa nie przed-
stawia siê ju¿ tak prosto.

Podstawowym zjawiskiem

przeszkadzaj¹cym staj¹ siê szumy
migotania wywo³uj¹ce paso¿ytni-
cz¹ modulacjê pojemnoœci z³¹cz
tranzystora i amplitudy, zmienia-
n¹ dalej na szumy fazowe. Ze
wzrostem czêstotliwoœci wartoœci
impedancji wejœciowej tranzystora
FET i bipolarnego zbli¿aj¹ siê do
siebie i przewagê zyskuj¹ tranzys-
tory bipolarne. Wielkoœæ szumów
typu f

-1

zale¿y od technologii wy-

konania tranzystora i rosn¹ one
w nastêpuj¹cej kolejnoœci: tran-
zystory bipolarne, tranzystory z³¹-
czowe FET, tranzystory MOSFET,
tranzystory polowe GaAs - FET.
Wartoœæ szumów migotania jest
mniejsza w tranzystorach wiêkszej
mocy. Powoduje to, ¿e w szczegól-
nie niskoszumnych oscylatorach
chêtnie stosuje siê tranzystory
o wiêkszej mocy ni¿ to jest wyma-
gane. Tranzystor taki posiada jed-
nak wiêksze pojemnoœci paso¿yt-
nicze. Czêstotliwoœæ graniczna za-
stosowanego tranzystora zale¿y
ponadto od pr¹du kolektora (dre-
nu). Najlepsze efekty w generato-
rach mikrofalowych pod wzglê-
dem redukcji szumów typu f

-1

uzyskuje siê, stosuj¹c tranzystor
o czêstotliwoœci granicznej spe³-
niaj¹cej warunek
f

t

≤

2

⋅

f

osc

Gdzie:
f

t

- czêstotliwoœæ graniczna zastoso-

wanego tranzystora [Hz],

Rys. 27. Zale¿noœæ szumów fazowych od dobroci materia³u

Rys. 28. Przyk³adowe uk³ady o zmniejszonym poziomie szumów
migotania

53

£¹cznoœæ

Świat Radio Marzec 2005

tycznym pokazano na rysunku 29.
Redukcjê wp³ywu drgañ mecha-
nicznych na cewkê (mikrofonowa-
nie) osi¹ga siê, nawijaj¹c j¹ œciœle na
karkasie, a nastêpnie stabilizuj¹c j¹
ma³¹ iloœci¹ kleju lub (w przypad-
ku cewek powietrznych) zalewaj¹c
je np. stearyn¹ - pogarsza to jednak
najczêœciej jej dobroæ. Na cewki
o du¿ej dobroci najczêœciej stosuje
siê drut srebrzony, zwany popular-
nie srebrzank¹.

Diody pojemnoœciowe

Diody pojemnoœciowe s¹ naj-

czêœciej stosowanym elementem
przestrajaj¹cym czêstotliwoœæ VCO
w zakresie czêstotliwoœci radio-
wych. Umo¿liwiaj¹ one osi¹gniêcie
zakresu przestrajania równego jed-
nej oktawie (oktawa odpowiada
dwukrotnemu wzrostowi czêstotli-
woœci). Powinny one posiadaæ jak
najwiêksz¹ dobroæ na czêstotliwoœ-
ci pracy - ma³¹ rezystancjê szerego-
w¹ (typowa dobroæ dla diody po-
jemnoœciowej wynosi oko³o 30 przy
czêstotliwoœci 1GHz), charaktery-
zowaæ siê wysok¹ liniowoœci¹
zmiany pojemnoœci w funkcji na-
piêcia przestrajaj¹cego, ma³¹ in-
dukcyjnoœci¹ doprowadzeñ oraz
wysokim stosunkiem pojemnoœci
maksymalnej do minimalnej.

G³ówn¹ wad¹ diod pojemnoœcio-

wych jest ich du¿a nieliniowoœæ
i stosunkowo ma³a dobroæ, szcze-
gólnie dla ma³ych napiêæ polaryzu-
j¹cych. Ogranicza to napiêcie prze-
strajaj¹ce w generatorach dobrej ja-
koœci do napiêæ wy¿szych od oko³o
3V. Wszystkie wymienione powy¿ej
cechy diody w du¿ym stopniu zale-
¿¹ od technologii jej wykonania.

W celu zapobie¿enia prostowa-

niu napiêcia na diodach przy nis-
kim napiêciu polaryzuj¹cym diody
³¹czy siê odwrotnie szeregowo, za-
mykaj¹c obwód dla pr¹du sta³ego
(powoduje to dwukrotne obni¿e-
nie zakresu zmian pojemnoœci ta-
kiego uk³adu w porównaniu do
uk³adu z pojedyncz¹ diod¹ pojem-
noœciow¹). Maksymalny mo¿liwy
zakres napiêæ przestrajaj¹cych za-
wiera siê prawie od ujemnego na-
piêcia przewodzenia diody do po-
ni¿ej napiêcia przebicia (napiêcia
Zenera).

W zakresie do 10GHz najlepsze

rezultaty uzyskuje siê, stosuj¹c dio-
dy krzemowe, a powy¿ej tej czês-
totliwoœci wyraŸn¹ przewagê zys-
kuj¹ diody wykonane z arsenku
galu (ze wzglêdu na wiêksz¹ dob-
roæ). G³ówn¹ wad¹ diod arsenko-
wo-galowych jest wy¿szy wypad-
kowy poziom szumu fazowego os-
cylatora oraz wysoki koszt. Z nie-
z³ym skutkiem mikrofalow¹ diodê
pojemnoœciow¹ mo¿na zast¹piæ

znacznie tañsz¹ mikrofalow¹ diod¹
Schottky’ego (zjawisko zmiany po-
jemnoœci w funkcji napiêcia polary-
zuj¹cego wykazuj¹ praktycznie
wszystkie typy diod, a diody po-
jemnoœciowe s¹ to diody optymali-
zowane ze wzglêdu na zakres
zmian pojemnoœci, dobroci, linio-
woœci przestrajania i szumów fazo-
wych).

Dobroæ dobrej diody pojemnoœ-

ciowej jest zawsze du¿o mniejsza
od dobroci dobrego kondensatora
sta³ego czy trymera, dlatego te¿
w wysokiej klasy generatorach na-
le¿y stosowaæ jak najs³absze sprzê-
¿enie diody z VCO, a tym samym
jak najmniejszy zakres jego prze-
strajania. Jeœli uk³ad wymaga sze-
rokiego zakresu przestrajania (sil-
nego sprzê¿enia diody pojemnoœ-
ciowej), s³aba charakterystyka szu-
mowa VCO musi byæ zaakcepto-
wana, a wszelkie nak³ady na wyko-
nanie rezonatora o du¿ej dobroci
zostan¹ zniweczone.

Ze wzglêdu na fakt, ¿e diody

pojemnoœciowe s¹ sterowane na-
piêciowo, s¹ one bardzo wra¿liwe
na sposób prowadzenia sygna³u.
Jest to szczególnie istotne przy sto-
sowaniu ju¿ nawet kilkucentymet-
rowych kabli doprowadzaj¹cych
sygna³ z filtru dolnoprzepustowe-
go do diod VCO. Istotnym proble-
mem staje siê ju¿ problem pod³¹-

f

osc

- czêstotliwoœæ pracy generatora

[Hz].

Wp³yw szumów migotania mo¿-

na zredukowaæ, stosuj¹c ujemne
sprzê¿enie zwrotne dla niskich
czêstotliwoœci lub aktywne uk³ady
zasilaj¹ce pokazane na rysunku 28.
Dzia³anie aktywnych uk³adów re-
dukcji szumów typu f

-1

jest analo-

giczne do uk³adu automatycznej
regulacji wzmocnienia, z t¹ ró¿ni-
c¹, ¿e sygna³em steruj¹cym
wzmocnieniem tranzystora jest od-
wrócony w fazie sygna³ szumu. Po-
prawê szumów fazowych genera-
tora w uk³adzie wtórnika emitero-
wego mo¿na uzyskaæ, stosuj¹c ma-
³¹ dla czêstotliwoœci radiowych,
a du¿¹ dla akustycznych (szumy
migotania), wartoϾ reaktancji kon-
densatora odsprzêgaj¹cego kolek-
tor w po³¹czeniu z ujemnym sprzê-
¿eniem zwrotnym pomiêdzy ko-
lektorem a baz¹ (rezystor polaryzu-
j¹cy). Wad¹ tego rozwi¹zania jest
d³u¿szy czas dochodzenia oscylato-
ra do stanu ustalonego.

Uk³ady aktywne umo¿liwiaj¹

obni¿enie poziomu szumów fazo-
wych pochodz¹cych od szumów
typu f

-1

nawet o piêtnaœcie-dwa-

dzieœcia decybeli. Szumom fazo-
wym pochodz¹cym od drgañ me-
chanicznych (mikrofonowanie) za-
pobiega siê, stosuj¹c sztywn¹ kon-
strukcjê uk³adu oraz ewentualnie
materia³y poch³aniaj¹ce dragnia
(guma).

Ze wzglêdu na liniowoœæ gene-

ratora w oscylatorach stosuje siê
pracê w klasie A, co pozwala na
uzyskanie najmniejszych znie-
kszta³ceñ sygna³u. Czêsto pope³-
nianym b³êdem jest niezapewnie-
nie w³aœciwej izolacji VCO od wej-
œcia dzielnika czêstotliwoœci (mie-
szacza), efektem czego jest pogor-
szenie szumów fazowych synteze-
ra. W³aœciw¹ izolacjê VCO osi¹ga
siê, stosuj¹c dwa-trzy stopnie
wzmocnienia w.cz. pomiêdzy VCO
a dzielnikiem czêstotliwoœci (mie-
szaczem). Wiêksz¹ liczbê stopni
wzmacniaj¹cych stosuje siê dla
wy¿szych czêstotliwoœci ze wzglê-
du na silniejsze przenikanie sygna-
³u pomiêdzy wejœciem a wyjœciem
wzmacniacza. Dobrym zwyczajem
jest stosowanie oddzielnych stopni
buforuj¹cych wejœcie dzielnika pro-
gramowanego (mieszacza) i wyj-
œcia oscylatora.

Czêstotliwoœæ drgañ generatora

wyznaczona jest przez obwód
o t³umieniu zale¿nym od czêstotli-
woœci. Najczêœciej jest nim obwód
LC, rezonator kwarcowy lub rza-
dziej granat ¿elazowo-itrowy, rezo-
nator SAW, TEM czy DR.

Przyk³ad wysokiej klasy oscyla-

tora sterowanego polem magne-

Literatura:
Jochen Jirman DB1NV:
Theory and Practice of
the Frequency
Synthesizers.
VHF Communication 2,
3/1993
U. Tietze, CH. Schenk:
Układy
półprzewodnikowe
J. Baranowski, G.
Czajkowski: Układy
elektroniczne część 2
www.national.com
www.mwrf.com
www.motorola.com

Rys. 29. Przyk³ad wysokiej klasy oscylatora

Rys. 30. Zalecany uk³ad do zasilania diod pojemnoœciowych

54

£¥CZNOŒÆ

Uk³ady radiowe

Świat Radio Marzec 2005

czenia masy, szczególnie silnie wy-
stêpuj¹cy w konstrukcji modu³o-
wej. Teoretycznie najlepsze efekty
uzyskuje siê, stosuj¹c du¿e wartoœ-
ci rezystancji polaryzuj¹cej diodê
(mniejszy wp³yw na dobroæ uk³a-
du), jednak w praktyce ze wzros-
tem wartoœci rezystora polaryzuj¹-
cego roœnie napiêcie szumów, ge-
nerowane na rezystorze na skutek
skoñczonej wartoœci rezystancji
diody i statystycznych zmian war-
toœci pr¹du up³ywnoœciowego. Pe-
wien wp³yw wywieraj¹ równie¿
szumy cieplne - wiêksze w rezysto-
rach o wiêkszej rezystancji. Dlate-
go te¿ najlepiej jest zast¹piæ rezys-
tor polaryzuj¹cy d³awikiem o du¿ej
reaktancji na czêstotliwoœci pracy
(wartoœæ indukcyjnoœci 10-20 razy
wiêksza od indukcyjnoœci cewki),
po³¹czonym szeregowo z rezysto-
rem o stosunkowo ma³ej wartoœci
(1k

Ω

), obni¿aj¹cym dobroæ d³awika

na czêstotliwoœci pracy oscylatora.
W przypadku d³awików wykona-
nych na ferrytach nale¿y staraæ siê
umieœciæ je odpowiednio daleko od
zewnêtrznych pól magnetycznych.

Bardzo prosty, a jednoczeœnie

odporny na zak³ócenia sposób kon-
trolowania diod pojemnoœciowych
przedstawiono na rysunku 30. Syg-
na³ w tym uk³adzie jest przekazy-
wany pr¹dowo, a nie napiêciowo.
Minimalizuje to wp³yw zewnêtrz-
nych zak³óceñ - sygna³ pr¹dowy
jest znacznie bardziej odporny na
zak³ócenia od sygna³u napiêciowe-
go. W uk³adzie tym tranzystor po-
lowy zapewnia wysok¹ rezystancjê
wejœciow¹, a tym samym nie obci¹-
¿a filtru.

W celu linearyzacji charakterys-

tyki VCO mo¿na zastosowaæ do-
datkowy uk³ad oporowo-diodowy
ze wzmacniaczem operacyjnym
pomiêdzy VCO a wyjœciem filtru
uk³adu PLL. Rozwi¹zanie takie
w wielu przypadkach bardzo po-

prawia parametry szumowe uk³a-
du PLL, szczególnie dla ni¿szych
czêstotliwoœci. Jeœli generator ma
byæ modulowany sygna³em akus-
tycznym, najlepiej zastosowaæ do
tego celu oddzieln¹ diodê pojem-
noœciow¹, silnie spolaryzowan¹ za-
porowo i bardzo s³abo sprzê¿on¹
z VCO (kondensator sprzêgaj¹cy
o bardzo ma³ej pojemnoœci). Umo¿-
liwia to zastosowanie wiêkszych
napiêæ moduluj¹cych i zmniejsza
mo¿liwoœæ przedostania siê do
uk³adu napiêæ zak³ócaj¹cych.

Inne uk³ady stabilizuj¹ce

W praktyce stosowane s¹ rów-

nie¿ inne elementy stabilizuj¹ce
czêstotliwoœæ. Oto najpowszech-
niejsze z nich wraz z krótk¹ cha-
rakterystyk¹:

Granaty ¿elazowo-itrowe s¹ po-

wszechnie stosowane w wysokiej
klasy przestrajanych szerokopas-
mowo generatorach mikrofalo-
wych (np. w analizatorach widma).
Umo¿liwiaj¹ one osi¹gniêcie zakre-
su przestrajania równego jednej
oktawie (a w filtrach równego jed-
nej dekadzie - wynika to z trudnoœ-
ci spe³nienia warunku fazy w tak
szerokim zakresie czêstotliwoœci).
Zalet¹ ich jest wysoka dobroæ wy-
nosz¹ca oko³o 1000, zaœ wad¹ k³o-
potliwy sposób przestrajania za po-
moc¹ pola magnetycznego i mo¿li-
woœæ wyst¹pienia drgañ paso¿ytni-
czych pochodz¹cych od pêtli
sprzêgaj¹cej.

Rezonatory TEM i DR maj¹ wy-

sokie dobroci (odpowiednio do
1000 i 25000), a tym samym umo¿li-
wiaj¹ uzyskanie niskich szumów
fazowych. Ponadto s¹ odporne na
wyst¹pienie zjawiska mikrofono-
wania.

Rezonatory SAW s¹ elementami

o dobrociach siêgaj¹cych kilkuset
tysiêcy i umo¿liwiaj¹cymi, analo-
gicznie jak rezonatory kwarcowe,
osi¹gniêcie najni¿szych szumów
fazowych. G³ówn¹ ich wad¹ jest
w¹ski zakres przestrajania. Dobrze
zaprojektowany powielany genera-
tor z rezonatorem SAW jest w sta-
nie zapewniæ mniejszy poziom
szumu fazowego ni¿ powielany re-
zonator kwarcowy (szczególnie
o ma³ej czêstotliwoœci). Wad¹ jego
jest jednak gorsza stabilnoϾ ter-
miczna.

Przyk³ad optymalizowanego

szumowo generatora VCO z tran-
zystorem FET pokazano na rysun-
ku 31

. W uk³adzie tym zmodyfiko-

wano obwód polaryzacji bramki,
w³¹czaj¹c dodatkowo d³awik i kon-
densator. D³awik w uk³adzie tym
zapewnia w³aœciw¹ polaryzacjê
bramki, a kondensator 1µF zwiera
szumy wywo³ane pr¹dami up³yw-

noœciowymi z³¹cza G-S tranzystora.
Punkt pracy stabilizowany jest
ujemnym napiêciem tranzystora,
prostowanym na z³¹czu G-S. Zasto-
sowanie obwodu rezonansowego
o du¿ej dobroci samoczynnie obni-
¿a poziom szumów fazowych wy-
wo³any szumami migotania.

Szumy fazowe pochodz¹ce
od napiêcia zasilania

Ź

ród³em szumu wystêpuj¹cego

w ka¿dym uk³adzie jest napiêcie
zasilaj¹ce. Mechanizm generacji
szumu fazowego jest w tym wy-
padku analogiczny do omówione-
go w przypadku szumów typu f

-1

.

Szczególnie dokuczliwe s¹ zak³óce-
nia wysokoczêstotliwoœciowe, po-
niewa¿ nie mog¹ byæ one zlikwido-
wane przez nawet doœæ szybk¹ pêt-
lê PLL. Zastosowanie oddzielnych
stabilizatorów napiêæ VCO, detek-
tora fazy i filtru aktywnego jest
szczególnie po¿¹dane w przypad-
ku pêtli o szerokim zakresie prze-
strajania. Najlepsze efekty redukcji
zak³óceñ pochodz¹cych od napiê-
cia zasilaj¹cego uzyskuje siê, stosu-
j¹c optymalizowany szumowo sta-
bilizator wtórnikowy pokazany na
rysunku 32

. Nie najgorzej równie¿

z redukcj¹ szumów pochodz¹cych
od napiêcia zasilaj¹cego radz¹ so-
bie stabilizatory trójkoñcówkowe
serii 78. Wad¹ ich jest w porówna-
niu ze stabilizatorami wtórnikowy-
mi gorsze t³umienie zak³óceñ wy-
sokoczêstotliwoœciowych. Uk³ady
regulatorów napiêcia energo-
oszczêdne i o niskim spadku napiê-
cia s¹ pod tym wzglêdem znacznie
gorsze i w wielu wypadkach gene-
ruj¹ nieakceptowalnie wysoki po-
ziom szumów, ponadto reaguj¹
one wolniej na zmiany obci¹¿enia.
Dodatkowe kondensatory i d³awiki
w uk³adzie zasilaj¹cym poprawiaj¹
t³umienie sygna³ów wysokoczês-
totliwoœciowych. Warto pamiêtaæ,
¿e napiêcie zasilaj¹ce jest g³ówn¹
drog¹ rozchodzenia siê zak³óceñ,
dlatego w uk³adach PLL obowi¹zu-
j¹ wszelkie zasady prowadzenia
mas i uziemiania - jest to szczegól-
nie wa¿ne przy du¿ej czu³oœci
przestrajania VCO.

W artykule nie wymieniono

oczywiœcie wszystkich mo¿liwych
metod stabilizacji czêstotliwoœci.
Autor ma jednak nadziejê, ¿e
umieszczone w artykule informacje
pozwol¹ unikn¹æ wielu b³êdów
podczas projektowaniu uk³adów
stabilizacji czêstotliwoœci. Trzeba
równie¿ pamiêtaæ, ¿e dobry oscyla-
tor niesynchronizowany bêdzie
lepszy od najlepszej pêtli PLL,
szczególnie na zakresie KF.

Rafa³ Orodziñski SQ4AVS

SQ4AVS
e−mail:
[e-mail]

Rys. 31. Przyk³adowy uk³ad VCO

Rys. 32. Stabilizator wtórnikowy

W Internecie jest
zamieszczonych szereg
programów do
projektowania pętli
fazowych, dostępnych
dla każdego
u producentów tego
typu układów.