В этом примере показано, как использовать блок «Мастер линейных цепей» для оценки влияния деталей конструкции схемы фильтра контура на производительность системы фазовой автоподстройки частоты.
Дефекты аналоговых схем, такие как ограничения элементов схемы, изменения значений элементов, паразитирование компоновки и шум устройства, могут существенно повлиять на производительность на уровне системы. Чтобы выпустить проект системы для производства, необходимо оценить влияние этих деталей проектирования аналоговых цепей, чтобы убедиться, что изготовленная система соответствует требованиям к производительности. Для линейных аналоговых схем, инвариантных по времени, блок мастера линейных схем может помочь, непосредственно решив детальные уравнения цепей и упаковав решение в виде поведенческих блоков, которые будут эффективно выполняться в модели Simulink ®.
Открытие модели PllAnalogCircuitExample прилагается к этому примеру.
Модель определяет целочисленный N-один модуль PLL, используя базовые компоновочные блоки из Blockset™ смешанного сигнала. Фильтр контура для PLL разработан с использованием блока мастера линейных цепей. Дополнительные сведения о модели ФАПЧ см. в разделе Фазовый шум на выходе ФАПЧ.
PLL Testbench подает опорный входной сигнал для PLL. Этот опорный сигнал модулируется PRBS6 фазовой модуляцией, которая используется для измерения функции передачи фазового шума с замкнутым контуром ФАПЧ. Входной спектр оценивается устройством оценки спектра.
Выходной спектр измеряется как с помощью PLL Testbench, так и с помощью оценщика спектра, подобного тому, который используется для измерения входного спектра.
Модель включает осциллограф для измерения времени блокировки контура ФАПЧ.
Выбранная конструкция петлевого фильтра является пассивным петлевым фильтром третьего порядка, R2 = 1.33 кОм, R3 = 17 кОм, C1 = 13.1 pF, C2 = 144 pF и C3 = 0.941 pF [1].
Другие расчетные параметры первого контура:
Опорная частота: 30 MHz
Коэффициент делителя прескалера: 70
Чувствительность ГУН: 100 МГц/В
Выходной ток зарядного насоса: 1 мама
Нарушения первого контура:
Фазовый шум ГУН
Дисбаланс насоса заряда: 0.1 мама
Утечка насоса заряда: 0.01 мама
Опорный PRBS6 пиковый уровень модуляции: -60 dBc/Гц
Чтобы создать блок фильтра контура, начните с создания или получения описания сетевого списка SPICE цепи. В этом примере используется фильтр пассивного контура третьего порядка, определенный в файле списка соединений SPICE 3rdOrderLoopFilter.sp. Этот список соединений включает в себя независимый источник Icp тока для определения входного порта тока и оператор .print для определения выходного порта напряжения.
* Third order passive loop filter * for preliminary system definition Icp N1 0 C1 N1 0 13.1p R2 N1 N2 1.33k C2 N2 0 144p R3 N1 N3 17k C3 N3 0 0.941p .print V(n3 0)
В диалоговом окне «Параметры блока Мастера линейных цепей» задайте для параметра «Имя проекта цепи» значение '3rd Order Passive', имя блока для 'loop filter'и имя файла Netlist для '3rdOrderLoopFilter.sp'. Нажмите кнопку Parse netlist file и переопределите порты.
Вкладки «Определение порта» и «Генераторы шума устройства» становятся видимыми после анализа списка соединений. Проверьте содержимое вкладки Port Definition для подтверждения правильности определений портов.
Нажмите кнопку Функции переноса графика (Plot transfer functions) и просмотрите полученный график.
Нажмите кнопку Build/modify block и подключите результирующий блок петлевого фильтра между выходом зарядного насоса и управляющим напряжением ГУН.
В конфигурации этой модели активируются повреждения зарядного насоса. Следовательно, зарядный насос определяет фиксированное время дискретной выборки для приведения в действие петлевого фильтра. Включение ослабления также обеспечивает уровень детализации, необходимый на более поздних этапах разработки, за счет увеличения времени выполнения моделирования. Если неполадки зарядного насоса отключены, то фильтр контура может быть сконфигурирован для обеспечения собственного времени выборки. Тем не менее, блок повторной дискретизации нижних частот, такой как используемый в блоке фильтра контура в библиотеке Building Blocks, требуется для преобразования из переменного времени дискретной выборки шага насоса зарядки без нарушений в фиксированное время дискретной выборки шага фильтра контура.
Запустите моделирование.
Для построения графика выходного спектра PLL можно использовать plotPllOutputSpectrum сценарий помощника, присоединенный к этому примеру. Полученные цифры подчеркивают ложные ответы на 30 МГц-интервалы из-за дисбаланса зарядного насоса и выходной спектр из-за модуляции опорной фазы. Можно создать моделирование, которое выделит другие эффекты путем изменения уровня этих и других нарушений.
Добавьте к моделированию эффект шума устройства в фильтре контура.
Включение и управление добавлением шума устройства к модели PLL с помощью вкладки Генераторы шума устройства (Device Noise Generators) в диалоговом окне Параметры блока мастера линейных цепей (Linear Circuit Wizard block parameters). Для элемента цепи R2 и R3, выберите Enable device noise generator и установите для параметра Corner frequency (Hz) значение 10000 для включения частоты угла шума мерцания 10 кГц.
Как только вы изменяете определение блока, например, разрешая шум устройства, маска блока отображает предупреждающее сообщение, указывающее, что сформированный блок не отражает последние изменения. Примените последние изменения к сформированному блоку фильтра цикла, нажав кнопку «Построить/изменить блок». Предупреждающее сообщение удаляется, и блок теперь включает в себя добавление шума устройства.
Нажмите кнопку Plot transfer functions (Функции переноса графика). Передаточные функции теперь включают в себя передаточную функцию от каждого источника шума устройства к выходу петлевого фильтра.
Повторно запустите моделирование, чтобы включить в результаты влияние шума устройства. Чтобы получить более четкую оценку влияния шума устройства, установите ухудшение тока зарядного насоса на ноль, оставляя разрешенными ухудшение зарядного насоса, и отключите фазовый шум ГУН. Тем не менее, если вы это сделаете, то установите для обесценения зарядного насоса исходное значение и включите фазовый шум ГУН для последующих разделов этого примера.
Детальные конструкции цепей, которые включают в себя влияние ограничений элементов цепей и паразитов компоновки, обычно становятся доступными только на позднем этапе разработки изделия. В то же время необходимо включить в модель системы детальное проектирование критических компонентов для подтверждения готовности системы к производству.
В качестве простого примера типов эффектов цепи, которые должны быть включены в детализированную модель, добавьте импеданс на выходе зарядного насоса, равный 10 кОм и входной импеданс управляющего напряжения ГУН 100 к модели пассивного фильтра третьего порядка.
Связанный список соединений SPICE, указанный в файле 3rdOrderCPLoading.sp является:
* Third order passive loop filter * with charge pump output impedance Icp N1 0 Rs N1 0 10k C1 N1 0 13.1p R2 N1 N2 1.33k C2 N2 0 144p R3 N1 N3 17k C3 N3 0 0.941p R1 N3 0 100k .print V(N3 0)
Эти схема и список соединений также иллюстрируют важный принцип, когда необходимо каскадировать несколько блоков цепей. Можно каскадировать несколько линейных блоков цепей, созданных блоком Мастера линейных цепей. Точность результата зависит от точности моделирования нагрузки цепи как на входе, так и на выходе каждого блока цепи.
Чтобы оценить влияние загрузки цепи фильтра контура, измените имя файла Netlist на '3rdOrderCPLoading.sp' в диалоговом окне «Мастер линейных цепей» и нажмите кнопку «Построить/изменить блок».
Постройте график результирующих передаточных функций.
Повторно запустите моделирование, чтобы включить в результаты сведения о влиянии конструкции цепи.
Форма отклика на получение цикла изменилась. Во время захвата цикла происходит больше проскальзываний цикла, но значительно меньше перестрелок. Результирующее время блокировки остается приблизительно таким же, как время блокировки для начальной конструкции системы. Кроме того, на выходе петлевого фильтра установившегося состояния значительно больше шума, и дополнительный шум, по-видимому, имеет более или менее постоянную амплитуду.
Постройте график выходного спектра PLL с помощью plotPllOutputSpectrum сценарий помощника. Первичное воздействие нагрузки на цепь заключается в существенном увеличении ложных реакций.
В этой конструкции фильтра контура последняя секция RC фильтра контура с загрузкой заменяется активным фильтром Саллена и Кея. Эта конструкция схемы вводит пару резонансных полюсов со скромным Q-фактором.
Связанный список соединений, указанный в файле 4thOrderActiveFilter.spявляется:
* Fourth order loop filter with Sallen and Keye output section Icp N1 0 1e-3 Rs N1 0 10k C1 N1 0 13.1p R2 N1 N2 1.33k C2 N2 0 144p R3 N1 N4 17k C3 N4 N3 0.941p R4 N4 N5 17k C4 N5 0 0.941p E1 N3 0 LAPLACE N5 N3 6.3e7/6.3e4 1 .PRINT V(N3)
Операционный усилитель в этой схеме представлен в виде источника напряжения, управляемого напряжением. Отклик с разомкнутым контуром этого усилителя моделируется с использованием ключевого слова LAPLACE и выражения " 6.3e7/6.3e7 1 ". Это выражение описывает рациональную передаточную функцию с числителем, равным 6.3e7 и знаменатель (s+6.3e4). Другими словами, усилитель имеет коэффициент усиления постоянного тока с разомкнутым контуром, равный 1000 и полюс на 10 кГц. Этот синтаксис может легко описывать передаточные функции с большим количеством полюсов и нулей.
В диалоговом окне «Параметры блока Мастера линейных цепей» задайте для параметра «Имя проекта цепи» значение '4th Order Active' и имя файла NetList для '4thOrderActiveFilter.sp'.
Постройте график функций переноса. Хотя низкочастотный отклик сильно напоминает отклик пассивного фильтра с нагрузкой, высокочастотный отклик скатывается гораздо быстрее.
Нажмите кнопку «Построить/изменить блок». Текст на значке блока изменяется в соответствии с измененным именем конструкции цепи.
Повторно запустите моделирование для оценки влияния фильтра активного контура на производительность системы PLL. Отклик на захват контура аналогичен отклику для других изученных случаев, но выходной сигнал фильтра контура намного более плавный.
Постройте график выходного спектра PLL с помощью plotPllOutputSpectrum сценарий помощника. Выходной спектр отражает улучшение производительности системы. В частности, внеполосные ложные ответы значительно уменьшаются, и внутриполосный ответ остается по существу неизменным.
1. Дин Баннерджи. PLL Performance, Simulation и Design, 4-е издание.