Taajuusjakaja

Taajuusjakaja on laite joka antaa ulos lähtösignaalia jonka taajuus on pienempi kuin sitä syöttävä signaali jossain rationaalisessa suhteessa.

Taajuusjakaja on oleellinen osa tavallisimpien PLL-taajuussynteesien ohjaussilmukkaa.

Tekniikoita

Kokonaislukujakajat

Yksinkertaisimmat taajuusjakajat ovat digitaalisia laskureita jotka laskevat 1..N (tai yleensä 0..N-1) ja vaihtavat lähtösignaalinsa tilaa jokaisen N:n syöttösignaalin vaihdoksen jälkeen.

Murtolukujakajat

Murtolukulaskurit (dual-modulus divider, fractional-n divider). Yksinkertaisimmillaan kyse on kokonaislukulaskurista joka vaihtaa vuorotellen N:ää kahden arvon välillä (yleensä N/N+1). Hiukan mutkikkaammassa rakenteessa ensimmäisen laskurin lähtö kellottaa toista (B) laskuria jonka tulos ohjaa N/N+1 vaihtoa esimerkiksi siten, että lasketaan N:ään kun B:n arvo ei ole nolla ja N+1:een kun se on nolla.

Yhtenä haittapuolena voidaan pitää melko korkeaa häiriösivunauhaa joka syntyy laskurin toiminnan systemaattisesta epäbalanssista.

Delta-Sigma murtolukujakaja

Delta-sigma-murtolukulaskurit (dual-modulus delta-sigma divider) ovat periaatteessa murtolukujakajia joiden B-laskuri onkin numeerinen delta-sigma modulaattori ja sen tuottaa paremmin balansoituneen laskurin lähtösignaalin kuin perusversio ja siksi alemmat (lähes hävinneet) häiriösivunauhat (spur.)

Katso liite: Delta-Sigma PLL's by Andy Howard of HP.

DDS vaiheakut

DDS vaiheakku sisältää kompleksisemman laskurilogiikan, jossa "liukuvan pilkun" rationaalilukua lisätään jokaisella syöttösignaalin jaksolla laskuriin ja seurataan laskurin ylimmän bitin arvoa.

Normaalisti DDS:n vaiheakun arvo muunnetaan ensiksi SIN tai COS arvoksi joka ajetaan ulos nopealla DAC:illa. Tavallisesti tulos vielä suodatetaan analogisesti häiriösignaalien vähentämiseksi.

Muut tekniikat

Analogisia tekniikoita — ks. liitteenä oleva Wenzel: Wenzel: Unusual frequency dividers.

Tietämällä taajuus suunnilleen, on mahdollista tehdä dynaamisia taajuusjakajia jotka sisältävät vähemmän komponentteja kuin täysin staattisesta tasavirrasta lähtevä rakenne.

Haluttaessa lukita matalammalla taajuudella oleva oskillaattori korkeammalla taajuudella olevaan signaaliin, voidaan tehdä matalan taajuuden kerronta suhdeluvulla N (taajuuskertoimien rajoissa) ja verrata tulosta refrenssiin yksinkertaisella balansoidulla sekoittimella.

Taajuusvärinän (jitter) ilmeneminen

Taajuusvärinän syntymekanismeja:

• Laskurien epäsymmetriset jaksot (kuten N/N+1 jakajissa, DDS vaiheakussa, jne.)
• Logiikkapiirien sisäiset epäsymmetriset virrat ja kytkeytyvät häiriöt
• Virransyötön kautta kytkeytyvät häiriöt
• Signaalin siirrossa siihen kytkeytyvät häiriöt

Taajuusjakajan vaikutus vaihekohinatehoon

(Katso: vaihekohina, vaihekohinan mittaus)

Taajuusjakaja tuottaa itsekin vaihekohinaa, käytetystä piiriteknologiasta riippuu että miten paljon ja minkä luonteista. Sama pätee vaihevertailijaan. Pääsääntönä on, että mitä nopeampi jännitemuutos, sitä alempana pohjakohina, mutta myös virransyöttö, piirikortin sijoittelut, yms. merkitsevät.

Taajuusjakaja on mielenkiintoinen laite siinä, että sen ulostulo signaalissa offsetissa X oleva vaihekohinateho on pienentynyt alkuperäisestä jonkin verran (plusmiinus jakajan sisäiset kohinat.)

Jaettaessa kapeakaista-PM moduloitua signaalia jakoluvulla N (vaikkapa 64) moduloiva taajuus pysyy vakiona mutta deviaatio tulee jaetuksi. Eli offset 10 Hz pysyy 10 Hz offsettina mutta sen taso tippuu $20*\log {\rm {N}}\,$ dB → $20*\log {64}=36\,$ dB

Jos alkuperäisen signaalin sivunauha taajuudella 10 Hz on -50 dBc/Hz, edellä olevan esimerkin mukaisen taajuuden jaon 64:llä jälkeen lopputulos olisi noin -86 dBc/Hz.

Taajuusjakajassa on aina kohinapohja jonka alle ei pääse, mutta se voi olla tasolla -150 .. -160 dBc/Hz.

Jakajien vaikutuksia:

N	2	4	5	6	8	9	10	12	16
dB	6	12	14	16	18	19	20	22	24
N	20	25	30	32	40	45	50	60	64
dB	26	28	30	30	32	33	34	36	36

Otetaan esimerkiksi 3.6-3.8 GHz VCO: Synergy µwave DCRO360382-8

Offset Hz	Phase Noise dBc/Hz	div:16 →24 dB 225-237MHz	div:32 →30 dB 112-119MHz
100	-45	-69	-75
1000	-75	-99	-105
10k	-102	-126	-132
100k	-123	-147	-153

Viitteitä

• http://en.wikipedia.org/wiki/Frequency_divider
• Frequency divider design strategies (pdf)
• Wenzel: Unusual frequency dividers (pdf)
• Circuit Sage: Phase Locked Loop Design
  • Delta-Sigma PLL's by Andy Howard of HP.
  • TI SWRA029: An in-depth article on fractional-N synthesis.