SimPLL ist eine umfangreiche Software für PLL Design und Analyse

Referat
über die
PLL Design und Simulationssoftware
TM
SimPLL
von
Autor: Thomas Roob
Datum: 30. Dezember 2006
Inhaltsverzeichnis
1 Beschreibung der Software ..................................................................................................... 2
2 Anwendungen und Funktionsweise einer PLL ....................................................................... 3
3 Bedienung von SimPLL .......................................................................................................... 4
4 Die Analyse von SimPLL ....................................................................................................... 5
5 Über Applied Radio Labs, Preise, Updates und Support ........................................................ 7
1
1 Beschreibung der Software
SimPLL ist eine umfangreiche Software für PLL Design und Analyse. Mit SimPLL ist ein
schnelles Design der PLL möglich. Es können u. a. Phasenrauschen, Einstellzeiten, „worst
case reference spurs“, „lock detect performance“ sorgfältig vorhergesagt werden. Der
Vergleich z.B. verschiedener PLL Chips und Schleifenfilter ist einfach.
Der „SimPLL Designer Wizard“ ermöglicht ein den Anforderungen entsprechendes Design
der PLL in unter einer Minute. Bibliotheken vieler Standard ICs ersparen dem Anwender das
Nachschlagen der Chipdaten der Hersteller.
Abbildung 1: Auswahl des PLL Chips im Designer Wizard
SimPLL bietet eine interaktive Design- und Analyse-Umgebung zur Optimierung des
Designs. Untersuchen sie die Transmissionsantwort und das Phasenrauschen, während sie die
Phasengrenzen des Schleifenfilters variieren. Probieren sie verschiedene passive oder aktive
Schleifenfilter aus. Benutzen sie verschiedene OP-Verstärker und sehen sie sich die Effekte
auf Phasenrauschen und „reference spurs“ an.
Beobachten sie wie nichtlineare Effekte wie „charge pump voltage clipping“ und „phase
detector cycle slipping“ die Transmissionsantwort verändern, verschiedene Schleifenfilter die
Antwortzeit beeinflussen und vergleichen sie analoge und digitale „lock detect“ Lösungen.
Beobachten sie die verbleibende Frequenzmodulation beim Verändern der
Schleifenbandbreite. Sehen sie die Auswirkungen der Biasströme des OP-Verstärkers auf die
„reference spurs“ und testen sie „fast lock“ Techniken.
SimPLL zahlt sich aus, da mindestens eine Designiteration einspart wird.
2
2 Anwendungen und Funktionsweise einer PLL
Die Abkürzung PLL steht für phase-locked-loop. Dies ist ein phasengekoppelter Regelkreis
zur Erzeugung von stabilen Frequenzen bis in den GHz-Bereich, Erzeugung von
programmierbaren Frequenzen, Erzeugung von hochfrequenten Takten für Rechner sowie
Synthesizer-Tuner, da mit Hilfe dieser Schaltungstechnik ein sehr exaktes Anwählen bzw.
Ansteuern von Frequenzen möglich ist
Neben der Anwendung als Frequenzerzeuger werden PLL-Schaltungen vor allem zur
Demodulation von frequenz- oder phasenmodulierten Signalen, für Taktsynchronisation und
Taktrückgewinnung eingesetzt.
Abbildung 2: Funktionsweise einer PLL
Die Frequenz eines freilaufenden spannungsgeregelten Oszillators (VCO, voltage controlled
oscillator) wird durch einen (i. A. einstellbaren) Teiler in den Frequenzbereich der
Vergleichsfrequenz heruntergeteilt. Der Phasenunterschied zwischen der vom VCO
abgeleiteten Frequenz und einer zweiten, meist quarzgesteuerten, hoch konstanten
Vergleichsfrequenz wird in einem Phasenvergleicher ermittelt und als Regelspannung wieder
dem Oszillator zugeführt. Dadurch wird die Frequenz des Oszillators exakt auf das im Teiler
eingestellte Vielfache der Vergleichsfrequenz geregelt.
Der Tiefpass vermeidet hohe Regelfrequenzen bei geringen Frequenzabweichungen und
verbessert die Regelspannung des VCOs, eine Gleichspannung.
Gute PLL Design stellen die Frequenz in wenigen Zyklen ein. Die Güte einer PLL wird durch
verschiedene Rauschkomponenten beeinflusst.
3
3 Bedienung von SimPLL
In einem Design Wizard wird der Bereich der Ausgangsfrequenzen angegeben und die
Komponenten der PLL ausgewählt, indem bestehenden Bibliotheken oder benutzerspezifische
Angaben verwendet werden.
Die auszuwählenden Komponenten sind ein PLL Chip (Phasendetektor, Frequenzteiler),
ein VCO, eine PLL Referenz und ein Loop Filter
Abbildung 1 und 3 zeigen z. B. die Auswahlmöglichkeit eines PLL Chips und eines Loop
Filters.
Abbildung 2: Auswahl des Loop Filters im Designer Wizard
Abhängig von der lock detect Einstellung, erstellt der Wizard zusätzlich eine
Ausgangsschaltung für den lock detect Ausgang des PLL Chips und illustriert das fertige PLL
Design in einem Schaltbild (Abbildung 3)
Abbildung 3: Schaltbild des PLL Design
4
Die für die Simulation notwendigen Parameter der Komponenten werden durch den Wizard
vorbesetzt und können in der Komponentenliste links in Abbildung 3 verändert werden.
SimPLL führt automatisch eine Analyse durch. Dadurch werden die Ergebnisse in den
erstellten Plots unmittelbar dargestellt, und mit einer Holdfunktion ist der Vergleich zu
vorhergehenden Simulationen möglich (Abbildung 4).
Phase Noise (dBc/Hz)
Output Phase Noise
-60
-70
-80
-90
-100
-110
-120
-130
-140
-150
-160
10
100
1k
10k
100k
1M
Frequency (Hz)
Abbildung 4: Hold Funktion zum Vergleich zweier Simulationsergebnisse
4 Die Analyse von SimPLL
SimPLL führt eine Zeit- und Frequenzanalyse durch.
In der Zeitanalyse werden nichtlineare Effekte, die durch „charge pump saturation“ entstehen,
„cycle slipping“ des Phasendetektors, op-amp clipping (bei aktivem Filter) und nichtlineare
Einstellkurven des VCOs simuliert.
Das Ergebnis der Zeitanalyse sind Plots über das Einschwingverhalten der Frequenz, den
Frequenzfehler, den Phasenfehler, den Lock detect output (gefiltert) und den Phase Detector
Output.
Output Phase Error
60
150
40
Phase Error (deg)
Frequency (MHz)
Frequency
160
140
130
120
110
100
20
0
-20
-40
-60
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6 1.8 2.0
Time (ms)
0
Lock Detect Output
100M
10M
1M
100k
10k
1k
100
10
1
100m
5
4
LD Output (V)
Abs Frequency Error (Hz)
|Freq Error|
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
Time (ms)
3
2
1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6 1.8 2.0
Time (ms)
0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
Time (ms)
Phase Detector Output
PD Out (uA)
300
200
100
0
-100
-200
-300
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6 1.8 2.0
Time (ms)
Abbildung 4: Plots der Zeitanalyse
5
Die Frequenzanalyse simuliert Phasenrauschen aller Komponenten.
SimPLL verfügt über verschiedene Modelle für das Phasenrauschen des VCOs und der
Referenz. Das Phasenrauschen der Filter wird über die Temperaturabhängigkeiten der
Widerstände und das Phasenrauschen des PLL Chips wird nach Techniken, die im Banerjee,
Dean "PLL Performance, Simulation and Design" 1998 dargestellt sind, simuliert.
Eine Kalkulation von Phasenzittern, Gleichkanalinterferenz und restlicher
Frequenzmodulation ist, optional unter Einbeziehung der Teiler-Verzögerung, mit SimPLL
möglich.
Das Ergebnis der Frequenzanalyse sind Plots über die Schleifenverstärkung und Phase, das
Phasenrauschen, die „referenz spurs“ und Modulationsantwort.
Loop Gain and Phase
Output Phase Noise
0
-20
-40
-60
0
-80
-100
-50
-120
Phase (deg)
Gain (dB)
50
Phase Noise (dBc/Hz)
100
-140
-100
-160
100
1k
10k
-180
100k
1M
Frequency (Hz)
Modulation Response (dB)
-150
10
Reference Spurs
Spur Level (dBc)
0
-20
-40
-60
-80
-100
-300
-200
-100
0
-60
-70
-80
-90
-100
-110
-120
-130
-140
-150
-160
10
100
1k
100k
1M
Frequency (Hz)
10k
100k
1M
Frequency (Hz)
FM Response
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
10
100
1k
100
200
300
Offset Frequency (kHz)
Abbildung 5: Plots der Frequenzanalyse
6
10k
5 Über Applied Radio Labs, Preise, Updates und Support
Applied Radio Labs ist eine unabhängige Forschungs- und Entwicklungsorganisation, die sich
mit dem Design von “wireless” Produkten und Radiosystemen beschäftigt.
Applied Radio Labs, früher P J White Pty Ltd (ABN 23 003 136 534), bieten Design und
beraten in RF Hardware und Radiosystemen für die australische Industrie seit 1986.
Die Kontaktadresse ist
Applied Radio Labs
PO Box 542
BEECROFT NSW 2119
AUSTRALIA
Telephone: +61 2 9868 6583
FAX: +61 2 9868 6087
Email: [email protected]
www.radiolab.com.au
Eine Softwarelizenz für SimPLL kostet 495$ und beinhaltet zwei Lizenzcodes für einen
Arbeits- und einen Heimcomputer.
Die Software steht unter http://www.radiolab.com.au/Products/SimPLL/download.htm
als 2.4 MB große zip Datei zum Download bereit und beinhaltet gleichzeitig eine
Demoversion mit Tutorial, wobei die Anzahl der Komponenten auf das Tutorial reduziert
sind.
Updates stehen kostenlos als Download bereit. Die letzte Version ist V1.3 vom 23. Juni 2004
Applied Radio Labs verspricht auf ihrer Homepage ein kostenloses Upgrade auf eine neue
Version V2.
Allerdings sind die Homepageangaben von April 2003 veraltet. Das Erscheinen der V2 wurde
für Januar 2004 geplant.
Applied Radio Labs bietet ihren Kunden kostenlosen technischen Support. Zusätzlich werden
in einem Onlineforum Fragen beantwortet.
Die Software läuft auf einen Windowsrechner mit einem 150 MHz Pentium und 32MB RAM
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