Referat. SimPLL TM. über die. PLL Design und Simulationssoftware. von. Autor: Thomas Roob

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1 Referat über die PLL Design und Simulationssoftware SimPLL TM von Autor: Thomas Roob Datum: 3. Dezember 26

2 Inhaltsverzeichnis 1 Beschreibung der Software Anwendungen und Funktionsweise einer PLL Bedienung von SimPLL Die Analyse von SimPLL Über Applied Radio Labs, Preise, Updates und Support

3 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

4 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

5 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

6 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 k 1k 1k 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. 16 Frequency 6 Output Phase Error Frequency (MHz) Freq Error 1M 1M 1M 1k 1k 1k m Abs Frequency Error (Hz) PD Out (ua) Phase Detector Output Phase Error (deg) LD Output (V) Lock Detect Output Abbildung 4: Plots der Zeitanalyse 5

7 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. Gain (db) Spur Level (dbc) Loop Gain and Phase k 1k 1k 1M Frequency (Hz) Reference Spurs Offset Frequency (khz) Phase (deg) Phase Noise (dbc/hz) Modulation Response (db) Output Phase Noise k 1k 1k 1M Frequency (Hz) FM Response k 1k 1k 1M Frequency (Hz) Abbildung 5: Plots der Frequenzanalyse 6

8 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 ), bieten Design und beraten in RF Hardware und Radiosystemen für die australische Industrie seit Die Kontaktadresse ist Applied Radio Labs PO Box 542 BEECROFT NSW 2119 AUSTRALIA Telephone: FAX: sales@radio-labs.com Eine Softwarelizenz für SimPLL kostet 495$ und beinhaltet zwei Lizenzcodes für einen Arbeits- und einen Heimcomputer. Die Software steht unter 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 24 Applied Radio Labs verspricht auf ihrer Homepage ein kostenloses Upgrade auf eine neue Version V2. Allerdings sind die Homepageangaben von April 23 veraltet. Das Erscheinen der V2 wurde für Januar 24 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 15 MHz Pentium und 32MB RAM 7