Mit der Verfügbarkeit von schnellen A/D-Wandlern werden Direct Conversion Receiver immer populärer. Um eine hohe Dynamik der Übertragungsfrequenz zu erreichen, wird eine PLL mit hoher Steuerspannung und ein VCO verwendet. Wir stellen eine derartige Schaltung vor.

PLLs (Phasenregelschleifen, Phase Locked Loops) werden für die Takterzeugung in Sende- und Empfangsschaltungen benutzt, um die gewünschte Sende- bzw. Empfangsfrequenz auszuwählen. In diesen Anwendungen haben sie sich seit Jahren bewährt. Mit der Verfügbarkeit von schnellen A/D-Wandlern im Gigasample-Bereich, wie dem zweikanaligen Wandler AD9680 oder dem AD9625 (2,5 GSample/s), werden sogenannte Direct Conversion Receiver, auch Zero IF genannt, immer populärer. Durch die hohe Bandbreite der A/D-Wandler lassen sich sehr große Datenmengen übertragen.

In vielen Bereichen wird jedoch auch eine hohe Dynamik der Übertragungsfrequenz gefordert. Eine Möglichkeit, diese zu erreichen, ist der Einsatz einer PLL mit hoher Steuerspannung und einem entsprechenden VCO (Spannungsgesteuerter Oszillator / voltage controlled oscillator).

Die Schaltung

In Bild 1 ist eine entsprechende Schaltung abgebildet. Sie besteht aus der Spannungsversorgung basierend auf einem Aufwärtswandler (Boost Converter) und einem rauscharmen Linearregler (Low Noise LDO). Die PLL ist mit einem passiven Filter kombiniert, was gegenüber einem aktiven Filter die Anzahl der Bauteile reduziert und für geringere Störungen und Phasenrauschen sorgt. Dazu ist es jedoch nötig, einen großen Bereich für die Steuerspannung des VCO zur Verfügung zu haben.

Die Lösung ist die PLL ADF4150HV, die mit Spannungen bis zu 30 V betrieben werden kann und so den VCO im Bereich von 1 bis 29 V präzise steuern kann. Dadurch wird ein Frequenzbereich von 35 MHz bis 2 GHz abgedeckt. Diesen Bereich kann man mit einem entsprechendem VCO und einem Vorteiler (ADF5001) auf bis zu 12 GHz erweitern.

Um die optimale Leistung aus der PLL zu bekommen, muss die Versorgungsspannung entsprechend gut sein. Im Schaltungsbeispiel stehen als Versorgung 5 V zur Verfügung, die mit einem LDO auf die 3,3 V zur Versorgung der PLL geregelt werden. Der verwendete ADP150 ist mit einem Spannungsrauschen von 9 µV_eff eine gute Wahl. Optimiert werden kann die Versorgung durch Verwenden eines ADM7150, dessen Rauschen bei 1 µV_eff liegt.

Für die Erzeugung der 28 V wird der ADP1613 in einer Aufwärtswandler-Schaltung benutzt. Der Baustein kann mit 650 kHz oder 1,3 MHz betrieben werden, was die Möglichkeit zur einfachen Filterung bietet und gleichzeitig schnelle Transienten ausregeln kann. Die Schaltfrequenz sollte größer als 1 MHz sein, da der Schleifenfilter der PLL diese verringern oder sogar unterdrücken kann.

Das Erarbeiten der Schaltung für den ADP1613 wird durch das Werkzeug ADIsimPower deutlich vereinfacht. In Bild 3 ist die Eingabemaske für ADIsimPower dargestellt. Es werden 5 V ±10% für die Eingangsspannung eingegeben, als Ausgangspannung wird 28 V eingetragen bei einem maximalen Strom von 10 mA. Wichtig für die Versorgung der PLL sind die zusätzlichen Angaben von 0,2% Ausgangsspannungsripple und 1% Ausganspannungsstufenfehler sowie der Haken beim Rauschfilter. Die Ausgabe des Tools sieht etwa so wie die Schaltung in Bild 1 aus.

Passives Schleifenfilter

Durch die Benutzung der HV-PLL, die es ermöglicht, den VCO direkt zu treiben, kann ein passives Schleifenfilter benutzt werden. Ein aktives Schleifenfilter wird benutzt, wenn die PLL nur eine Steuerspannung von 5 V (Standard) zur Verfügung stellt. Bei dieser Art Filter wird der eingesetzte Operationsverstärker mit der entsprechend hohen Spannung versorgt. Das passive Filter hat eine um etwa 40 dB bessere Störunterdrückung als das aktive Filter.

Variationsmöglichkeiten

Die Schaltung aus Bild 1 kann auch mit 15 V betrieben werden. Dabei muss ein Vorregler für den ADP150 geschaltet werden (z.B. ADP7104), der gleiche Typ kann auch für die Versorgung des VCO (12 V am Pin VVCO) benutzt werden. In diesem Fall muss die Eingangsspannung 1 V über der VCO-Versorgung liegen, damit der ADP7104 einen ausreichenden Regelbereich hat, um eine Spannung mit geringem Rauschen zur Verfügung zu stellen.