Почему ЧФД с накачкой заряда, а не просто RS-триггер? Опции

[Vitaly_K]

Понятно, что ЧФД с накачкой имеет то преимущество, что обеспечивает полосу захвата, равную полосе удержания, т.е. равную всей полосе перестройки ГУНа, независимо от полосы пропускания петли ФАПЧ. Не требуется дополнительной схемы предустановки частоты ГУНа или схемы поиска частоты. Но уж больно низкая в нём частота сравнения, ограничивающая быстродействие системы (типичное значение – 50 МГц). Для RS-триггера такого ограничения нет, и если быстродействие является ключевым параметром, то почему не применить его, пойдя на некоторое усложнение схемы (предустановка или поиск частоты)?
Что можно сказать о сравнении шумовых характеристик этих вариантов?

[Green_Smoke]

Понятно, что ЧФД с накачкой имеет то преимущество, что обеспечивает полосу захвата, равную полосе удержания, т.е. равную всей полосе перестройки ГУНа, независимо от полосы пропускания петли ФАПЧ. Не требуется дополнительной схемы предустановки частоты ГУНа или схемы поиска частоты. Но уж больно низкая в нём частота сравнения, ограничивающая быстродействие системы (типичное значение – 50 МГц). Для RS-триггера такого ограничения нет, и если быстродействие является ключевым параметром, то почему не применить его, пойдя на некоторое усложнение схемы (предустановка или поиск частоты)?
Что можно сказать о сравнении шумовых характеристик этих вариантов?

Почему нельзя использовать готовый ЧФД ?

[Vitaly_K]

Почему нельзя использовать готовый ЧФД ?

С этим готовым ЧФД - HMC439QS16G - надо разбираться. В первых строках дэйташита они заявляют о возможности работы ЧФД на частотах до 1300 МГц, но ни слова о характеристиках на этих частотах. Видимо, детектор как-то шевелится, но они ничего не гарантируют. Приводят данные опять-таки только для частоты 100 МГц, в том числе и схему типового использования тоже на частоте 100 МГц. Но Вам за наводку спасибо, свяжусь с разработчиками, спрошу о подробностях.


Для tay, rloc, Proffessor:
Мой вопрос не о пересчёте шумов с одной частоты на другую, а о сравнении шумов ЧФД с накачкой с шумами RS-триггера. О шумах первого, можно сказать, известно. Надо найти ответ о шумах второго варианта.

[тау]

Мой вопрос не о пересчёте шумов с одной частоты на другую, а о сравнении шумов ЧФД с накачкой с шумами RS-триггера. О шумах первого, можно сказать, известно. Надо найти ответ о шумах второго варианта.

RS триггер будет шуметь больше , при использовании его выхода как источника напряжения, подаваемого на ГУН. Потому что к фазовым шумам добавятся амплитудные шумы с шин питания триггеров. В ЧФД как с накачкой так и без (HMC439) шумы питания ослабляются действием операции аналогового вычитания токов (с накачкой) или напряжений (HMC439 - схемой дифференциального включения фильтра на ОУ на выходе ФД) .
Насколько шум будет бОльший - вопрос темный.

[Vitaly_K]

RS триггер будет шуметь больше , при использовании его выхода как источника напряжения, подаваемого на ГУН. Потому что к фазовым шумам добавятся амплитудные шумы с шин питания триггеров. В ЧФД как с накачкой так и без (HMC439) шумы питания ослабляются действием операции аналогового вычитания токов (с накачкой) или напряжений (HMC439 - схемой дифференциального включения фильтра на ОУ на выходе ФД) .
Насколько шум будет бОльший - вопрос темный.

Что-то никто не отреагировал на моё предложение провести аналогию между триггером + ОУ и разрядом обыкновенного ЦАПа? Разве есть тут какое-то принципиальное различие, и нельзя ли считать, что шумы RS-триггера с ОУ будут того же порядка, что и шумы ЦАПа?

Чем шумы RS-триггера будут отличаться от шумов любой другой микросхемы, сделанной по той же технологии? Если мы имеем дело с чистым выходом, без преобразования, то ответ прост - ничем. Если интересуют шумы BiCMOS технологии, то можно в первом приближении взять шумы делителя 2-63 микросхемы LMX2541 - "Divider Noise Floor vs. Frequency", стр. 14.

Пожалуйста, дайте точную ссылку на этот материал. А то, если ввести в поиск “Divider Noise Floor vs. Frequency”, много чего находится, но всё не то.

Поправьте меня, если я ошибаюсь, но быстродействие ФАПЧ прежде всего определяется частотой среза внутрипетлевого ФНЧ, а не частотой сравнения. Этот фильтр - это тот ключевой элемент, который был проигнорирован в вышеназванной теме. Именно он определяет фазовые шумы ФАПЧ до частоты среза.

Для VCO:
Тут надо определиться, что первично, а что вторично. По-моему, первична частота сравнения, а частота среза фильтра зависит от частоты сравнения, - чем она выше, тем шире может быть фильтр.

[тау]

Что-то никто не отреагировал на моё предложение провести аналогию между триггером + ОУ и разрядом обыкновенного ЦАПа? Разве есть тут какое-то принципиальное различие, и нельзя ли считать, что шумы RS-триггера с ОУ будут того же порядка, что и шумы ЦАПа?

вроде бы обсуждалось уже в другой ( старой) теме

По шуму обыкновенный ЧФД пока выигрывает у PDS по приведенному шуму для несущей ниже 1 GHz. Сравним -140-150dbc/Hz для "обычного" ЧФД в фракциональном режиме и частоте сравнения порядка 100M и -126 dbc/Hz (110nV/Hz) для ЦАПА по аналогии с DDS типа AD9912.
Этот шум ЦАПА PDS , пройдя через ФНЧ и ГУН появится на выходе в виде фазового шума с уровнем -123 dBc/Hz +-6dB. ( для этого считаем действующую девиацию фазы θd в полосе 1 гц разделив 110 нановольт на крутизну 2V/8pi . Восьмерка в знаменателе взята из-за пониженной крутизны PDS. Полученную девиацию пересчитываем в уровень ф.ш. как 20LOG(θd/2) )

Вы наверное опять станете возражать в том ключе , что ЦАП в DDS необыкновенный и поэтому шумит из-за многих причин , а есть мол уникальные ЦАПы , которые шумят на 2 порядка меньше.

[Vitaly_K]

Вы наверное опять станете возражать в том ключе , что ЦАП в DDS необыкновенный и поэтому шумит из-за многих причин , а есть мол уникальные ЦАПы , которые шумят на 2 порядка меньше.

Ничего возражать не буду. И вообще я уже и не помню, кто, что и когда говорил. Возможно, где-то я был неправ, готов покаяться. В общем, как говорится, «простите, если что не так». Давайте говорить не о каком-то уникальном, а вполне реальном ЦАП, например, который встроен в DDS чип AD9914. Более того, посмотрим на шумы этого DDS в целом, чтобы учесть и шумы предшествующей логики. Картинку прилагаю. Следует ли из этого, по упомянутой мной аналогии, что шумы RS-триггера на такой же частоте 3,5 ГГц будут не выше?

Эскизы прикрепленных изображений

 

[тау]

Давайте говорить не о каком-то уникальном, а вполне реальном ЦАП, например, который встроен в DDS чип AD9914. Более того, посмотрим на шумы этого DDS в целом, чтобы учесть и шумы предшествующей логики. Картинку прилагаю. Следует ли из этого, по упомянутой мной аналогии, что шумы RS-триггера на такой же частоте 3,5 ГГц будут не выше?

в единицах размерности dBc/Hz сопоставлять эти картинки и прямо прогнозировать шумы синтезатора типа PDS нельзя.

пмсм нужно перевести dBc/Hz из значений на картинках в dBm/Hz , с учетом выходной мощности (будет примерно -150 dBm/Hz) , перевести в nV/Hz с учетом Rнагр, пересчитать в девиацию фазы с учетом крутизны фазового детектора ( она у Вас зависит от R,C,Q ) и посчитать уже выходной шум в dBc/Hz через логарифм.
И это было бы еще полдела. В действительности нужны кривые не фазового шума, которые Вы привели в картинках, а спектральная плотность мощности шума на выходе DDS , когда он вырабатывает нулевую частоту (постоянное напряжение), тактируемый предложенной Вами частотой 3.5 ГГц . Ведь во время захвата частоты в PDS на выходе ЦАПа должен быть постоянный уровень, а не синус, не так ли ? На приведенных картинках нет нулевой частоты с выхода DDS и какой будет уровень фазового/амплитудного шума на выходе ЦАП не совсем понятно.

[Vitaly_K]

в единицах размерности dBc/Hz сопоставлять эти картинки и прямо прогнозировать шумы синтезатора типа PDS нельзя. пмсм нужно перевести dBc/Hz из значений на картинках в dBm/Hz , с учетом выходной мощности (будет примерно -150 dBm/Hz) , перевести в nV/Hz с учетом Rнагр, пересчитать в девиацию фазы с учетом крутизны фазового детектора ( она у Вас зависит от R,C,Q ) и посчитать уже выходной шум в dBc/Hz через логарифм.
И это было бы еще полдела. В действительности нужны кривые не фазового шума, которые Вы привели в картинках, а спектральная плотность мощности шума на выходе DDS , когда он вырабатывает нулевую частоту (постоянное напряжение), тактируемый предложенной Вами частотой 3.5 ГГц . Ведь во время захвата частоты в PDS на выходе ЦАПа должен быть постоянный уровень, а не синус, не так ли ? На приведенных картинках нет нулевой частоты с выхода DDS и какой будет уровень фазового/амплитудного шума на выходе ЦАП не совсем понятно.

Пока что обсуждение шло по теме, т.е. о шумах RS-триггера. Вот и возникла аналогия с ЦАП, а из неё - вывод, что шумы триггера будут не бОльшими. Если же применить эту аналогию к PDS синтезатору (т.е. считать, что шумы парциальных детекторов будут не хуже), то для пересчёта этих шумов на выход, конечно же, необходимо учесть крутизну фазового детектора. Был бы премного Вам обязан, если бы Вы сделали этот пересчёт, например, для крутизны E/8pi.

[тау]

для крутизны E/8pi.

предположим минус 150 dBm\Hz шум качественного ЦАПа на некоторой отстройке XXX от 0 (нуля) на выходе ЦАП
если его нагрузка 50 Ом , то это будет 7 nV\sqrt(Hz)
Делим 7 nV на крутизну ФД (E/8pi, причем для частоты работы триггеров 3-4 ГГц E вряд-ли превысит 1 Вольт)
Получаем 7/(1/8pi)=175*10^-9 радиана
В нормированный фазовый шум по формуле 20LOG(175*10^-9 /2 )= -141dBc\Hz
Это фазовый шум ФАПЧ с ЦАП (или триггеры Vitaly_K) в качестве выхода ФД в полосе пропускания петли на отстройке XXX от несущей , без умножения в петле (предполагается что PDS работает без умножения и без делителя со стороны VCO) и без учета фазового шума опоры, которая предполагается идеальной.

[Vitaly_K]

предположим минус 150 dBm\Hz шум качественного ЦАПа на некоторой отстройке XXX от 0 (нуля) на выходе ЦАП
если его нагрузка 50 Ом , то это будет 7 nV\sqrt(Hz)
Делим 7 nV на крутизну ФД (E/8pi, причем для частоты работы триггеров 3-4 ГГц E вряд-ли превысит 1 Вольт)
Получаем 7/(1/8pi)=175*10^-9 радиана
В нормированный фазовый шум по формуле 20LOG(175*10^-9 /2 )= -141dBc\Hz
Это фазовый шум ФАПЧ с ЦАП (или триггеры Vitaly_K) в качестве выхода ФД в полосе пропускания петли на отстройке XXX от несущей , без умножения в петле (предполагается что PDS работает без умножения и без делителя со стороны VCO) и без учета фазового шума опоры, которая предполагается идеальной.

Спасибо. И как Вы оцениваете полученный результат – хорош он или плох? Пожалуйста, укажите источник цифры -150 dBm/Hz.

[тау]

Спасибо. И как Вы оцениваете полученный результат – хорош он или плох? Пожалуйста, укажите источник цифры -150 dBm/Hz.

для выходной частоты ГУН в 3-4 ГГц -140 dBc/Hz это очень - очень неплохо. Но это не "полученный результат" а всего лишь прикидочный расчет при условии что имеется ЦАП на RS триггерах по Вашей системе, обладающий удельным шумом -150 dBm/Hz, а цифру эту я брал с потолка.

[Vitaly_K]

Но это не "полученный результат" а всего лишь прикидочный расчет при условии что имеется ЦАП на RS триггерах по Вашей системе,

Возможно, я ошибаюсь, но мне кажется, что неважно, что переключается в ЦАПе, то ли таблица LUT в синтезаторе DDS, то ли триггера в PDS. Т.е. сам ЦАП не по моей системе, а сам по себе, как он есть. Важна лишь скорость этих переключений. В DDS она равна тактовой частоте, а в PDS, при крутизне PD, равной E/8pi, частота переключений триггеров в 4 раза ниже, т.е. режим работы ЦАП более лёгкий.

а цифру эту я брал с потолка.

А если не с потолка, то нельзя ли воспользоваться прилагаемой таблицей?

Эскизы прикрепленных изображений

 

[тау]

нельзя ли воспользоваться прилагаемой таблицей?

а где в этой таблице Fout 0 (ноль) HZ ?
Вам же не синус нужен , а постоянка, а в ней будут низкочастотные шумы, в т.ч. и фликкер на отстройках от нуля.

[Vitaly_K]

а где в этой таблице Fout 0 (ноль) HZ ?
Вам же не синус нужен , а постоянка, а в ней будут низкочастотные шумы, в т.ч. и фликкер на отстройках от нуля.

«Постоянка» будет потом, после фильтра, а в самом ЦАПе процесс типа прилагаемого.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[тау]

«Постоянка» будет потом, после фильтра, а в самом ЦАПе процесс типа прилагаемого.

фазовый шум этого процесса превратится в амплитудный после фильтра , даже если амплитуды с выходов триггеров будут идеально одинаковыми, Плюс добавится мощность шумов от источника питания и нефазовых шумов активных элементов RS триггеров (ЦАПА) . На частоте 0 (постоянное напряжение ) на входе ГУНа будут иметь значение только амплитудный шум , т.к говорить о фазовом шуме для частоты ноль не вполне корректно , пмсм.

[Vitaly_K]

фазовый шум этого процесса превратится в амплитудный после фильтра , даже если амплитуды с выходов триггеров будут идеально одинаковыми, Плюс добавится мощность шумов от источника питания и нефазовых шумов активных элементов RS триггеров (ЦАПА) . На частоте 0 (постоянное напряжение ) на входе ГУНа будут иметь значение только амплитудный шум , т.к говорить о фазовом шуме для частоты ноль не вполне корректно , пмсм.

Вроде бы получается так, что применительно к PDS, надо было бы знать о шумах ЦАПа в низкочастотной области, в то время как он работает на высокой частоте. Для этого надо убирать несущую (подавить её фильтром) и потом мерить шумы. Не так ли? Вряд ли такая методика существует, и как же нам тогда определиться? В дэйташитах приводятся ещё характеристики NSD – Noise Spectral Density. Пример прилагаю (он для 50-ти образцов), из которого видно, что при стремлении частоты на выходе к нулю, величина шума стремится к значению порядка -170 dBm/Hz. Но неизвестна методика измерений, и потому непонятно, можно ли что-то извлечь из этих данных применительно к случаю PDS. Можете ли что-то сказать по этому поводу?

Эскизы прикрепленных изображений

 

[тау]

Вроде бы получается так, что применительно к PDS, надо было бы знать о шумах ЦАПа в низкочастотной области, в то время как он работает на высокой частоте. Для этого надо убирать несущую (подавить её фильтром) и потом мерить шумы. Не так ли?

Вроде бы так. Только нельзя говорить "Несущая" в этом смысле. Потому что так каша гармоник представляетс собой многотоновый сигнал.

Вряд ли такая методика существует, и как же нам тогда определиться? В дэйташитах приводятся ещё характеристики NSD – Noise Spectral Density. Пример прилагаю (он для 50-ти образцов), из которого видно, что при стремлении частоты на выходе к нулю, величина шума стремится к значению порядка -170 dBm/Hz. Но неизвестна методика измерений, и потому непонятно, можно ли что-то извлечь из этих данных применительно к случаю PDS. Можете ли что-то сказать по этому поводу?

нету данных ниже 40 МГЦ на приведенных графиках. Методика известна , мы её вроде даже как обсуждали
http://electronix.ru/forum/index.php?showt...p;#entry1007064
по AN-928 стр 12-13 меряется узкополосным фильтром СПМШ на частоте 70 Мгц , когда частота тона находится за пределами фильтра. Конечно , это не та СПМШ, которая интересна для целей PDS, потому что для целей PDS по аналогичной методике нужен не полосовой фильтр а ФНЧ (до мегагерца имхо) .

[Vitaly_K]

Вроде бы так. Только нельзя говорить "Несущая" в этом смысле. Потому что так каша гармоник представляетс собой многотоновый сигнал.
нету данных ниже 40 МГЦ на приведенных графиках. Методика известна , мы её вроде даже как обсуждали
http://electronix.ru/forum/index.php?showt...p;#entry1007064
по AN-928 стр 12-13 меряется узкополосным фильтром СПМШ на частоте 70 Мгц , когда частота тона находится за пределами фильтра. Конечно , это не та СПМШ, которая интересна для целей PDS, потому что для целей PDS по аналогичной методике нужен не полосовой фильтр а ФНЧ (до мегагерца имхо) .

Задал вопрос разработчику DDS. Посмотрите, правильно ли я его сформулировал, чтобы потом можно было бы уточнить, если есть какая некорректность в вопросе. Приложил и рисунок для большей ясности.
Dave,
I need your help to hunt down a question concerning using DAC in PDS synthesizer.
There is a particularity that a high frequency process on its output has to be filtered out by LPF to get control voltage for VCO. So it is important to know about low-frequency noise of the DAC in such a mode. What could you say about this?
Vitaly.

Эскизы прикрепленных изображений

 

[тау]

после слов "filtered out by LPF" я бы указал конкретные цифры:
[0...20] kHz and [0...1] MHz

[Vitaly_K]

Для Тау
О шуме вблизи нуля.
Ответ от ADI был такой: To answer your question I would use -150dbc/Hz as a conservative number.
Typically it is between -150 and -160dbc/Hz depending on DAC. [Сonservative - с большим запасом прочности].
От Максима: Unfortunately, Maxim do not specify noise parameter for data converters at this low frequency. – Не измеряют.
От Fujitsu: My assumption is that the measurement is DC-to-Nyquist, but bearing in mind that as standard the measurements are made with a transformer-coupled output stage. – Смотрел их дэйташиты, так там они и в самом деле рисуют трансформатор на выходе.
В общем, надо ориентироваться на цифру -150 dBc, которую Дэвид считает вполне надёжной. Можете прикинуть, что будет на выходе синтезатора в таком случае?


Сообщение отредактировал Vitaly_K - Sep 7 2012, 05:47

[тау]

В общем, надо ориентироваться на цифру -150 dBc, которую Дэвид считает вполне надёжной. Можете прикинуть, что будет на выходе синтезатора в таком случае?

берем ихние 20 mA по выходу на нагрузку 50 Ом, пусть это грубо будет 1 Вольт. То есть несущая на нулевой частоте (простите за такое выражение) имеет мощность 13 dBm. Поэтому мощность шума -150 dBс +13dbm = 137 dbm/Hz или 30 nV\sqrt(Hz)
делим на крутизну ФД ( 1V/8pi), получаем 30E-9*8pi=7,54E-07 радиан

20LOG(7,54E-07/2 )= -128dBc\Hz при использованной крутизне 1V/8pi, которая в общем случае зависит от Q/R в PDS ( в q/r раз ниже чем E/2pi для обычного ЧФД)

[Vitaly_K]

берем ихние 20 mA по выходу на нагрузку 50 Ом, пусть это грубо будет 1 Вольт. То есть несущая на нулевой частоте (простите за такое выражение) имеет мощность 13 dBm. Поэтому мощность шума -150 dBс +13dbm = 137 dbm/Hz или 30 nV\sqrt(Hz)
делим на крутизну ФД ( 1V/8pi), получаем 30E-9*8pi=7,54E-07 радиан

20LOG(7,54E-07/2 )= -128dBc\Hz при использованной крутизне 1V/8pi, которая в общем случае зависит от Q/R в PDS ( в q/r раз ниже чем E/2pi для обычного ЧФД)

Спасибо. Но цифра -128 dBc/Hz тоже, ведь, неплохая. Hittite имеет на порядок хуже и называет это не иначе как Ultra Low Phase Noise. И полосу ФАПЧ они не могут расширить далее 300 кГц из-за резкого возрастания delta-sigma шума. В нашем же случае нет принципиальной проблемы обеспечить полосу, например 10 МГц, и более.

[тау]

В нашем же случае нет принципиальной проблемы обеспечить полосу, например 10 МГц, и более.

Это если использовать лишь "целочисленную дробность" коэффициентами R C Q , при которой действительно, как мы выясняли, спуров ниже чем Fc/Q не образуется. Но для мелкой сетки частот , требуется увеличение Q, а это снизит крутизну ( повысит шумы) при малых значениях R (С) . Фракциональная же дробность, посредством модулятора , дающего еще более мелкий шаг, пмсм вылезет в полосе на более низких отстройках , чем 10 Мгц.

[Vitaly_K]

Это если использовать лишь "целочисленную дробность" коэффициентами R C Q , при которой действительно, как мы выясняли, спуров ниже чем Fc/Q не образуется. Но для мелкой сетки частот , требуется увеличение Q, а это снизит крутизну ( повысит шумы) при малых значениях R (С) . Фракциональная же дробность, посредством модулятора , дающего еще более мелкий шаг, пмсм вылезет в полосе на более низких отстройках , чем 10 Мгц.

Не понял, почему увеличение Q снизит крутизну. Мелкость сетки обеспечивается увеличением ёмкости блока младших разрядов. На крутизну ФД это не влияет. Например, если старших разрядов 5, т.е. 32 расщеплённых фазы, а младших – 8, то полное значение кода R может быть равным, например, R=01000, 01000001. Если добавить, например, ещё 4 разряда, чтобы повысить разрешение по частоте, то можно брать значение R, например, R=01000, 010000000001. И в том и другом случае числовое значение кода R остаётся практически одним и тем же, так что и крутизна от этого не изменится. А шумы дробности зависят от точности ЦАП. Об этом уже много сказано, расчёты я приводил.



Сообщение отредактировал Vitaly_K - Sep 7 2012, 14:06