Программируемые аналоговые компоненты: ФАПЧ, фильтры и перестраиваемые входные цепи

Время чтения: 12 минут

Микросхемы ФАПЧ, тактовые генераторы и синтезаторы частоты используются для формирования, умножения, деления и распределения частот. ФАПЧ, или PLL (Phase-Locked Loop), представляет собой систему автоматического регулирования, которая подстраивает фазу генерируемого сигнала относительно опорного.

Такие устройства необходимы там, где важны стабильность и точные временные характеристики. Микроконтроллеры, процессоры, ПЛИС, приёмопередатчики, память, проводные и беспроводные интерфейсы, спутниковая навигация и мобильная связь — практически вся современная цифровая электроника требует синхронизации.

Раньше эта задача решалась значительно сложнее. В электронике 1920–1960-х годов применялись RC- и LC-генераторы, а при повышенных требованиях к стабильности — кварцевые. Для смены рабочей частоты приходилось регулировать частотозадающие элементы либо устанавливать другой кварцевый резонатор. Приёмопередающая аппаратура могла даже комплектоваться набором кварцев для разных каналов.

Идея фазовой автоматической подстройки появилась ещё в 1930-х годах. По мере развития элементной базы такие системы начали применять в радиосвязи, радиолокации, телевидении и телеметрии. Интегральные решения получили распространение в 1970-х. Одним из наиболее известных примеров стала CD4046, с помощью которой можно было синтезировать частоту, демодулировать и восстанавливать тактовую последовательность.

В 1980-е появились ФАПЧ с цифровым управлением. Изменение коэффициентов деления дало возможность получать множество частот без переделки аппаратной части. Особенно востребованным это оказалось в телекоммуникационном оборудовании, компьютерах и измерительной технике.

Следующим этапом стали синтезаторы с цифровым управлением и DDS (Direct Digital Synthesis). Они позволяют задавать частоту, фазу и форму колебаний, обеспечивая высокую скорость перестройки. Аналогичный принцип применяется в лабораторных генераторах сигналов, где параметры выходного сигнала задаются пользователем.

В 1990-е ФАПЧ начали массово встраивать непосредственно в микроконтроллеры и ПЛИС. Например, микроконтроллер мог получать от внешнего кварца 8 МГц и с помощью встроенного PLL повышать рабочую частоту до 72 МГц. Такое решение позволяло использовать сравнительно недорогой резонатор, выбирать режим работы средствами управления и снижать энергопотребление при небольшой вычислительной нагрузке.

Одновременно появились специализированные контроллеры тактирования. Они отвечали уже не только за генерацию частоты, но и за распределение нескольких синхронизированных линий между узлами системы.

В 2010–2020-х годах развитие PCI Express, SATA, USB 3.x, Ethernet, высокоскоростной памяти и других интерфейсов значительно повысило требования к временным характеристикам. Современные PLL и синтезаторы работают в гигагерцовом диапазоне, умеют восстанавливать тактовую последовательность и снижать джиттер.

Исследовать такие процессы позволяют осциллографы. С их помощью контролируют частоту, форму, амплитуду, длительность фронтов и другие временные характеристики.

Характеристики обычного аналогового фильтра определяются его схемой и номиналами элементов. Для изменения частоты среза обычно приходится подбирать другие резисторы, конденсаторы или катушки индуктивности.

У настраиваемых схем эта зависимость не столь жёсткая. Электрическим или цифровым управлением можно менять частоту среза, добротность, усиление, полосу пропускания, а в некоторых реализациях — порядок и даже тип фильтра.

Подобные решения встречаются в аудиотехнике, приёмопередающей аппаратуре, измерительных приборах, медицинской и промышленной электронике, SDR и системах смешанных сигналов.

В 1930–1960-х годах частотная селекция преимущественно выполнялась пассивными RC- и LC-цепями. Их свойства полностью зависели от топологии и номиналов деталей, поэтому для перестройки требовалась замена элементов либо механическое регулирование.

В 1960–1970-х широкое распространение получили активные схемы на операционных усилителях. Они упростили построение цепей высокого порядка и позволили одновременно выполнять частотную обработку и усиление. Однако основные характеристики всё ещё задавались внешними компонентами.

В 1970-х начали появляться решения с управляемыми элементами, свойства которых зависели от напряжения, тока или другого воздействия. Простой пример — фоторезисторная оптопара. Изменение яркости светодиода влияет на сопротивление фоторезистора, а оно, в свою очередь, меняет поведение цепи. Такой принцип использовали в радиосвязи, автоматике и музыкальном оборудовании.

В 1980-е получили развитие схемы на переключаемых конденсаторах. Вместо плавной регулировки сопротивления применялась коммутация ёмкостей, а итоговые характеристики зависели от тактовой частоты. Благодаря этому перестройка стала возможна без замены компонентов.

Подобные устройства создавались как из дискретных элементов, так и в интегральном исполнении. К 1990-м появились варианты с внешним цифровым управлением.

В 2000-х такие блоки вошли в состав FPAA. Разработчик получил возможность менять уже не отдельный параметр, а саму конфигурацию тракта. Один и тот же аппаратный блок мог работать как ФНЧ, ФВЧ, полосовой или режекторный фильтр.

Параллельно совершенствовалась цифровая обработка. Аналоговый сигнал преобразуется АЦП в последовательность данных, после чего необходимые операции выполняются математически. Если на выходе вновь требуется аналоговая величина, используется ЦАП.

Этот подход распространён в сигнальных процессорах, ПЛИС, SoC и SDR. Он позволяет получать частотные характеристики, которые сложно или нецелесообразно реализовывать исключительно аналоговыми средствами, а настройки можно менять непосредственно во время работы оборудования.

При разработке подобных устройств важно оценивать не только изменение напряжения во времени, но и его спектральный состав. Для этого используются анализаторы спектра, позволяющие увидеть основную составляющую, гармоники, шум и нежелательные компоненты спектра.

AFE (Analog Front-End) — это входной аналоговый тракт, который принимает сигнал от датчика, антенны или другого источника, подготавливает его и передаёт на дальнейшую обработку.

В состав AFE могут входить усилитель или аттенюатор, фильтрующие цепи, мультиплексор, источник опорного напряжения и защита входа. Подготовленные данные далее поступают на АЦП, сигнальный процессор или микроконтроллер.

В конфигурируемой AFE свойства тракта меняются под конкретный источник и текущие условия работы. Такие устройства стали результатом развития сразу нескольких направлений аналоговой электроники: операционных и программируемых усилителей, управляемых фильтров и компонентов смешанных сигналов.

Ранние измерительные системы собирались из отдельных функциональных узлов. Усилители, фильтры, компараторы и источники опорного напряжения проектировались независимо друг от друга. Это увеличивало число деталей, занимало место на плате и усложняло настройку готового оборудования.

В 1980-х начали распространяться специализированные интегральные решения: драйверы датчиков, инструментальные и программируемые операционные усилители, а также другие компоненты обработки аналоговых величин. Степень интеграции заметно выросла, хотя каждая микросхема по-прежнему обычно решала одну достаточно узкую задачу.

Следующим шагом стало распространение цифровых потенциометров, управляемых фильтров и источников опорного напряжения. Они дали возможность регулировать входной тракт без вмешательства в аппаратную часть. Например, усиление можно было автоматически переключать в зависимости от амплитуды на входе.

К 2000-м годам появились полноценные конфигурируемые AFE. На одном кристалле производители стали объединять усилитель с регулируемым коэффициентом, фильтрацию, мультиплексор, АЦП и источник опорного напряжения. Управление выполнялось через цифровые интерфейсы, например, I2C или SPI.

Такая архитектура оказалась особенно удобной для датчиков, промышленного оборудования, автоматизированных систем и медицинской техники.

В 2000–2010-х AFE стали не только компактнее, но и специализированнее. Появились решения для тензодатчиков, термопар, фотодиодов и других источников слабых аналоговых величин. В медицинском оборудовании специализированные входные тракты используются, например, для регистрации ЭКГ, ЭЭГ и ЭМГ.

С 2010-х степень интеграции продолжает расти. Значительная часть аналогового тракта теперь помещается внутри одного корпуса. Особенно хорошо это видно в современной цифровой измерительной технике: функции, для которых раньше требовались отдельные платы с десятками деталей, сегодня выполняют несколько высокоинтегрированных компонентов.

При диагностике AFE часть первичных измерений можно провести обычным мультиметром. Если необходимо исследовать быстро меняющиеся процессы, потребуется осциллограф либо более специализированное оборудование.

Современные AFE продолжают усложняться. Некоторые из них уже содержат собственные сигнальные процессоры и микроконтроллерные ядра. В результате граница между аналоговым входным трактом и специализированной системой обработки смешанных сигналов становится всё менее заметной.