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Referenzdesigns

Breitband-Synthesizer mit Quadratur-Demodulator-Interface

| Autor / Redakteur: Kristin Rinortner / Redaktions Team

Bild 1: Einfache Schnittstelle zwischen dem PLL-Synthesizer ADF4350 und dem Quadratur-Demodulator ADL5380 oder ADL5387
Bild 1: Einfache Schnittstelle zwischen dem PLL-Synthesizer ADF4350 und dem Quadratur-Demodulator ADL5380 oder ADL5387 (Bild: Analog Devices)

Die vorgestellte Schaltung beschreibt den Anschluss des Breitbandsynthesizers ADF4350 mit integriertem VCO an die Breitband-I/Q-Demodulatoren ADL5380 und ADL5387.

Die vorgestellte Schaltung beschreibt den einfachen Anschluss des Breitbandsynthesizers ADF4350 mit integriertem VCO an die Breitband-I/Q-Demodulatoren ADL5380 und ADL5387.

Die Schaltung in Bild 1 erläutert den einfachen Anschluss des Breitbandsynthesizers ADF4350 mit integriertem VCO (Voltage-Controlled Oscillator) an die Breitband-I/Q-Demodulatoren ADL5380 und ADL5387 von Analog Devices. Der ADF4350 liefert das Hochfrequenz-LO-Signal (Local Oscillator) mit geringem Phasenrauschen, das für breitbandige I/Q-Demodulatoren erforderlich ist. Die Schaltung eignet sich für Anwendungen, in denen Signale per Quadratur-Mixing hinunter auf das Basisband oder auf eine Zwischenfrequenz gewandelt werden müssen.

Bild 1: Einfache Schnittstelle zwischen dem PLL-Synthesizer ADF4350 und dem Quadratur-Demodulator ADL5380 oder ADL5387 (Bild: Analog Devices) Bild 1: Einfache Schnittstelle zwischen dem PLL-Synthesizer ADF4350 und dem Quadratur-Demodulator ADL5380 oder ADL5387 (Bild: Analog Devices)

Der ADF4350 verfügt über differenzielle HF-Ausgänge. Die Bauteile ADL5380/ADL5387 akzeptieren differenzielle Eingangssignale. Die Schnittstelle zeichnet sich einerseits durch ihre einfache Handhabung aus und bietet zugleich Vorteile in Hinblick auf die Leistungsfähigkeit. Die differenzielle Signalkonfiguration reduziert das Gleichtaktrausch und löscht LO-Harmonische geradzahliger Ordnung aus. Somit wird die Quadraturgenauigkeit des I/Q-Demodulators beibehalten. Darüber hinaus passt der Ausgangspegel des ADF4350 gut zur Eingangsleistung der Quadratur-Demodulatoren. Ein LO-Pufferverstärker ist somit nicht erforderlich.

Die Ausgänge des ADF4350 decken einen Frequenzbereich von 137,5 bis 4400 MHz ab. Der Frequenzbereich des ADL5387 erstreckt sich von 50 MHz bis 2 GHz, der ADL5380 arbeitet in einem Frequenzbereich von 400 MHz bis 6 GHz. Zwischen den Bauteilen ADL5380 und ADL5387 kann sich der HF-Eingangsbereich von 50 MHz bis 6 GHz erstrecken. Daher überstreicht die Zweichip-Konfiguration in Bild 1 einen Frequenzbereich von 50 MHz bis 4400 GHz.

Schaltungsbeschreibung

Beim ADF4350 handelt es sich um einen Breitband-Fractional-N- und Integer-N-PLL-Frequenzsynthesizer (Phase-Locked-Loop) für Frequenzen von 137,5 bis 4400 MHz. Das Bauteil verfügt über einen integrierten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) mit einem Basis-Frequenzbereich von 2200 bis 4400 MHz.

Der ADF4350 erreicht eine hohe Synthesizerleistungsfähigkeit. Je nach Demodulator-Architektur kann jedoch eine LO-Filterung erforderlich sein, um die Einflüsse von Harmonischen von der PLL auf die Quadraturgenauigkeit des I/Q-Demodulators zu minimieren.

Die Quadratur-Demodulatoren decken einen sehr großen Frequenzbereich ab: Beim ADL5387 von 50 MHz bis 2 GHz, beim ADL5380 von 400 MHz bis 6 GHz. Die Bauteile nutzen zwei verschiedene Architekturen, um die 90°-Phasenverschiebung zwischen den I- und Q-Pfaden zu erzeugen. Beim ADL5387 kommt eine Architektur zum Einsatz, bei der der Lokaloszillatoreingang mit der doppelten Frequenz getrieben wird.

Der ADL5380 arbeitet mit einem mehrphasigen, filterbasierten Phasensplitter. Die Mehrphasenarchitektur hat eine schmalere „Fractional“ Bandbreite (d.h., sie arbeitet über weniger Oktaven) und ist gegenüber Phasensplittern mit einem LO-Teiler empfindlicher gegenüber PLL-Harmonischen. Deshalb erfordert der ADL5380 eine Filterung der Harmonischen des LO, um die Quadraturgenauigkeit des I/Q-Demodulators aufrecht zu erhalten. Eine Filterung ist nur für den ADL5387 am oberen Ende seines Frequenzbereichs erforderlich.

Bild 2: Vereinfachter Phasensplitter mit 2x LO (Bild: Analog Devices) Bild 2: Vereinfachter Phasensplitter mit 2x LO (Bild: Analog Devices)

Bild 2 zeigt einen vereinfachten Phasensplitter mit 2x LO wie er im ADL5387 implementiert ist. Der 90°-Phasensplit des LO-Pfads wird mit einer Digitalschaltung erreicht, die D-Flipflops und einen Inverter nutzt. Diese Architektur benötigt einen externen LO, der mit der doppelten Frequenz des gewünschten LOs arbeitet.

 

 

 

Bild 3: Vereinfachte Schaltung eines mehrphasigen Filters erster Ordnung (Bild: Analog Devices) Bild 3: Vereinfachte Schaltung eines mehrphasigen Filters erster Ordnung (Bild: Analog Devices)

Bild 3 zeigt die vereinfachte Schaltung eines mehrphasigen Filters erster Ordnung, wie sie im ADL5380 implementiert ist. Die Mehrphasenschaltung besteht aus komplementären RC-Unterschaltungen, die eine Tiefpass-Übertragungsfunktion vom Eingang zu einem Ausgang sowie eine Hochpass-Übertragungsfunktion zum anderen Ausgang repräsentieren. Falls die R- und C-Werte der zwei Mehrphasenpfade aufeinander abgestimmt sind, haben beide Pfade die gleiche Eckfrequenz und die Phase eines Ausgangszweigs zum anderen ist um 90° versetzt.

Anschluss des ADF4350-PLL an den I/Q-Demodulator ADL5387

Die I/Q-Demodulatoren ADL5387 und ADL5380 nutzen unterschiedliche Architekturen, um das Ziel, präzise Quadratursignale zu erzeugen, zu erreichen. Beim Anschluss an einen LO-Synthesizer wie den ADF4350 muss darauf geachtet werden, wie die Architekturen auf das LO-Signal und seine Harmonischen reagieren. Dieses Verhalten bestimmt, ob eine LO-Filterung erforderlich ist.

Bild 4: ADF4350 PLL-Schnittstelle zum Phasensplitter mit 2x LO des Demodulators ADL5387 (Bild: Analog Devices) Bild 4: ADF4350 PLL-Schnittstelle zum Phasensplitter mit 2x LO des Demodulators ADL5387 (Bild: Analog Devices)

Bild 4 zeigt die Basisschnittstelle zwischen den Bausteinen ADF4350 und ADL5387. Je nach Frequenz ist zwischen ihnen ein Filter für LO-Harmonische notwendig.

In einem Splitter mit 2x LO ist die Quadraturgenauigkeit von der Genauigkeit des Tastverhältnisses des eintreffenden LOs abhängig. Die Anpassung der internen Teiler-Flipflops beeinträchtigt ebenfalls die Quadraturgenauigkeit, allerdings wesentlich geringer. Ein Tastverhältnis des externen LO von 50% ist zur Minimierung von Quadraturfehlern kritisch.

Darüber hinaus verursacht jede Unausgewogenheit der Anstiegs- und Abfallzeiten das Auftreten von Harmonischen gerader Ordnung. Bei der differenziellen Ansteuerung der Demodulator LO-Eingänge wird die Auslöschung der Harmonischen gerader Ordnung erreicht. Dies verbessert die Ergebnisse der gesamten Quadratur-Erzeugung.

Bild 5: ADL5387 Image-Unterdrückung gegenüber der HF-Frequenz (Bild: Analog Devices) Bild 5: ADL5387 Image-Unterdrückung gegenüber der HF-Frequenz (Bild: Analog Devices)

Mit einer Ziel-Image-Unterdrückung von –40 dBc zeigt Bild 5 die Leistungsfähigkeit des ADL5387 mit dem ADF4350, der die differenzielle LO-Quelle mit und ohne Filterung darstellt. Der blaue Signalverlauf, mit „Signalgenerator” beschriftet, ist der ideale Fall, bei dem der LO mit einem Signalgenerator von Rohde & Schwarz mit sinusförmigem Ausgangssignal und wesentlich niedrigeren Pegeln der Harmonischen gegenüber dem ADF4350 erzeugt wird. Dies ist der Idealfall und der Target-Vergleichspunkt.

Aus Bild 5 ist ersichtlich, dass bei Frequenzen unter 1 GHz keine Filterung erforderlich ist. Über 1 GHz werden kleine Fehler in Folge Harmonischer des LO zu einem größeren prozentualen Anteil der Eingangsperiode. In diesem Fall sollte eine Filterung verwendet werden, um die Harmonischen gerader Ordnung des LO weiter zu dämpfen. Somit lässt sich die für den I/Q-Demodulator spezifizierte Quadraturgenauigkeit erreichen.

Anschluss der ADF4350-PLL an den Quadratur-Demodulator ADL5380

Bild 6: ADF4350 Schnittstelle zur Mehrphasen-Filter-Architektur des Demodulators ADL5380 (Bild: Analog Devices) Bild 6: ADF4350 Schnittstelle zur Mehrphasen-Filter-Architektur des Demodulators ADL5380 (Bild: Analog Devices)

Im Gegensatz zum ADL5387 benötigt die Mehrphasen-Architektur des Phasensplitters ADL5380 eine Filterung der ADF4350-Ausgänge (Bild 6).

Die Filterung ist erforderlich, um die Harmonischen ungerader Ordnung des LO zu dämpfen und so Fehler im Quadraturerzeugungsblock des ADL5380 zu minimieren. Aus Messungen und Simulationen wie in der Applikationsschrift CN-0134 erklärt, tragen die Harmonischen ungerader Ordnung mehr als Harmonische gerader Ordnung zu Quadraturfehlern bei.

Bild 7: ADFL5380 Image-Unterdrückung in Abhängigkeit von der Frequenz (Bild: Analog Devices) Bild 7: ADFL5380 Image-Unterdrückung in Abhängigkeit von der Frequenz (Bild: Analog Devices)

Bild 7 zeigt die Messergebnisse, wobei die Ausgänge des ADF4350 gefiltert werden, bevor sie an die differenziellen LO-Eingänge des ADL5380 gelegt werden. Nach der Filterung ist die resultierende Image-Unterdrückung vergleichbar mit dem, was mit einem Signalgenerator mit geringen Harmonischen erreichbar ist.

Filteranforderungen

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die LO-Filterung der Ausgänge des ADF4350 (unterdrückt werden die Harmonischen der Basisfrequenz) dabei hilft, die Phasengenauigkeit der Quadratursignale des Demodulators beizubehalten. Im Fall des ADL5380, der eine mehrphasige Architektur nutzt, ist Filterung ein Muss.

Die Architektur des ADL5387 besteht aus Digitalschaltungen, die eine höhere Immunität gegenüber Harmonischen des LO-Signals aufweisen. Daher kann je nach Betriebsfrequenz eventuell auf eine Filterung verzichtet werden.

Bild 8: ADF4350 HF-Ausgangsfilter (Bild: Analog Devices) Bild 8: ADF4350 HF-Ausgangsfilter (Bild: Analog Devices)

Für die Fälle, in denen eine Filterung erforderlich ist, zeigt Bild 8 ein Beispiel LO-Ausgangsfilterkonzept. Tabelle 1 fasst die Werte der Filterkomponenten zusammen. Diese Schaltung ist flexibel und bietet vier verschiedene Filteroptionen für vier unterschiedliche Frequenzbänder. Die Filter wurden für einen differenziellen Eingang mit 100 Ω und einen differenziellen 50-Ω-Ausgang entwickelt, um die Anforderungen an den LO-Eingang des Demodulators zu erfüllen. Ein Tschebyschev-Filter wurde verwendet, um ein optimales Filter Roll-off zu Lasten eines erhöhten Ripples im Durchlassband zu erreichen. Einzelheiten zur Filterung der ADF4350 Ausgänge findet man in der Applikationsschrift CN-0134.

Tabelle 1 Tabelle 1

 

Häufige Varianten

Die hier beschriebene Schnittstelle lässt sich für jede PLL mit differenziellen LO-Ausgängen sowie für jeden I/Q-Demodulator mit ein oder zwei LOs verwenden. Beim ADL5382 handelt es sich um einen I/Q-Demodulator mit einem LO, der von 700 bis 2700 MHz arbeitet und einen etwas höheren IP3 als der ADL5380 bietet. Die Bauteile AD8347 (1 × LO) und AD8348 (2 × LO) sind I/Q-Demodulatoren mit geringerer Stromaufnahme. Sie enthalten eingangsseitige VGAs (Variable Gain Amplifier; Verstärker mit analog gesteuerter Verstärkung) und Basisbandverstärker mit fester Verstärkung.

Schaltungsevaluierung und Test

Die Schaltungen in Bild 4 und Bild 6 wurden mit dem Evaluation Board CN-0134 (CFTL-0134EVALZ) und den Evaluation Boards ADL5387 bzw. ADL5380 implementiert. Die Evaluation-Plattform CN-0134 enthält den ADF4350, Pads für ein LO-Filter und differenzielle LO-Ausgänge für SMA-Steckverbinder. Der ADF4350 muss programmiert werden. Die Software zum Evaluation Board ist auf der CD im Lieferumfang enthalten.

Tabelle 2 Tabelle 2

Tabelle 2 listet die Bestellhinweise für die verschiedenen Evaluation Boards auf.

Das Evaluation Board ist wie in Tabelle 1 spezifiziert standardmäßig für ein Filterdesign von 850 bis 2450 MHz konfiguriert. Zur Implementierung eines alternativen Filters sind die jeweiligen Bauteile auszutauschen.

Erforderliche Geräte

  • Windows XP, Windows Vista (32 Bit) oder Windows 7, (32 Bit) PC mit USB-Port
  • Evaluation-Boards wie in Tabelle 2
  • HF-Signalquelle (Rohde & Schwarz SMT06 oder äquivalente)
  • Spektrumanalysator (Rohde & Schwarz FSEA30 oder äquivalenter)
  • Stromversorgungen: ADL5387-EVALZ: +5V; ADL5380-30A-EVALZ: +5V; CFTL-0134-EVALZ: +5,5V

Die Evaluationsplattform CN-0134 ermöglicht die einfache Evaluierung und verfügt über einen integrierten Quarz-Oszillator. Ein PC mit der Software des ADF4350 ist erforderlich, um den Synthesizer auf die gewünschte LO-Frequenz zu programmieren. Die Quadratur-Demodulatoren ADL5387/ADL5380 wandeln die HF-Frequenz hinunter auf das Basisband. Die differenziellen I- und Q-Basisband-Ausgänge werden an den FSEA-Spektrumanalysator im FFT-Mode angelegt und die Image-Unterdrückung wird gemessen.Bild 9 zeigt das Blockdiagramm des Testaufbaus.

Autor: Qui Luu, Analog Devices.

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