PLL Spurs bei höheren frequenzen

[Marcel K. (Gast)]

Ich habe zwei Empfänger in Form von diodenmischern mit 10dbm LO power. 
Diese sollen als reflektionsmessung in Amplitude und Phase als 
experimentalaufbau dienen. Die Frequenzen für Anregung und 
lokaloszillator generiere ich mit einer fractional N PLL mit 
integrierten VCOs. Ab ca 3GHz erkennt man deutlich spikes im S11 signal, 
bei denen ich den Ursprung in der PLL vermute. Da ich nicht die nötigen 
Messinstrumente habe in der Schaltung bis 3GHz zu messen kann die 
Ursache natürlich auch woanders liegen.

Hat jemand schon mal solche Fehler mit PLL Synthesizern gehabt, die ab 
einer gewissen Frequenz komisches verhalten zeigen? Meine Referenz sind 
30MHz und die werden intern zu 60MHz verdoppelt.

[Mario H. (rf-messkopf)]

Marcel K. schrieb:
> ie Frequenzen für Anregung und
> lokaloszillator generiere ich mit einer fractional N PLL mit
> integrierten VCOs. Ab ca 3GHz erkennt man deutlich spikes im S11 signal,
> bei denen ich den Ursprung in der PLL vermute.
> [...]
> Hat jemand schon mal solche Fehler mit PLL Synthesizern gehabt, die ab
> einer gewissen Frequenz komisches verhalten zeigen? Meine Referenz sind
> 30MHz und die werden intern zu 60MHz verdoppelt.

Bei mehreren GHz kann so manches schief gehen, und der Aufbau ist sehr 
kritisch. Wenn Du Deinen Aufbau inkl. Schaltplan zeigen würdest, wären 
Deine Chancen größer, dass man Dir gezielt helfen könnte.

Neuralgische Punkte bei diesen integrierten GHz-Synthesizern sind 
insbesondere:

- Die Entkopplung der einzelnen Betriebsspannungen. Insbesondere muss 
man dafür sorgen, dass die Ladungspumpe nicht in die 
VCO-Betriebsspannung einkoppelt. Das gibt gern Störlinien im Abstand der 
PFD-Frequenz zum Träger.

- Ebenso darf die Ladungspumpe nicht in die VCO-Abstimmspannung 
einkoppeln.

- Die Platine muss durchgehend HF-gerecht ausgelegt werden. Am besten 
mit einem vierlagigen Aufbau, so dass man eine gute Masseanbindung des 
Synthesizer-ICs gewährleisten und dafür sorgen kann, dass nichts über 
die Betriebsspannungen und Datenleitungen verkoppelt.

- Impedanzrichtige Auslegung der Ausgangsbeschaltung hilft sicher auch.

Grundsätzlich ist bei diesen ICs die Nähe der Ladungspumpe zum VCO ein 
Problem. Wenn man den Datenblattwert von -80 dBc oder -90 dBc für die 
PFD-Störlinienunterdrückung erreichen will, ist das kein Selbstläufer.

Hier im Forum gab es in den vergangenen drei Jahren eine Reihe von 
Threads zu dem Thema Synthesizer mit ADF4351 und LMX2582. Die 
Suchfunktion hilft.

In diesem Thread hatte ein Kollege ein ähnliches Problem mit einem nicht 
sachgerecht aufgebauten chinesischen Board mit ADF4351: 
Beitrag "ADF4350/1 Mangelhafte Referenzfrequenzübersprechdämpfung am HF-Ausgang".

[Marcel K. (Gast)]

Ich habe mal den Teil mit dem MAX2871 hochgeladen. Pin 1 ist markiert 
und die Versorgung der Ladungspumpe. Das ist ein 4 lagiges Layout mit 
RO4350 Substrat auf den Außenlagen. Das GND Pad ist komplett mit Vias 
untersetzt. Es gibt jeweils einen Linearregler vom Typ LP5907 für 
VCC_RF, VCC_DIG, VCC_PLL und VCC_CP_VCO_SD, so wie im Datenblatt 
empfohlen. Tune wird über Layer 3 nach Pin 20 geführt.

Für die Pullup Widerstände habe ich mich an das Eval Board gehalten und 
die auf die Rückseite gelegt und mit Capped Vias direkt unter die 
Abblockkondensatoren auf der Oberseite verbunden.

Außerdem habe ich mal den Schaltplan für den MAX2871 angehängt wo man 
auch den Loop Filter sieht.

[F. Y. (rf_far)]

Marcel K. schrieb:
> VCC_CP_VCO_SD
Die drei Pins müssen separat versorgt und entkoppelt werden.

[Marcel K. (Gast)]

F. Y. schrieb:
> Die drei Pins müssen separat versorgt und entkoppelt werden.

Separat entkoppelt sind die so wie jeder VCC_ pin nur hängen die am 
selben LDO. Das war im Datenblatt auch so angegeben. Werde das in der 
Revision trotzdem mal machen. Schaden kann es sicher nicht.

[F. Y. (rf_far)]

VCC_CP versorgt die Varaktordioden des VCOs, jede Störung auf die 
Leitung/auf das VCC_CP Pin wird moduliert und taucht als Spur auf. 
Einfache Tiefpässe für die Stromversorgungsanschlüsse sind 
empfehlenswert. Normalerweise ist der Stromverbrauch bei VCC_CP sehr 
gering, d.h. ein RC LPF ist ausreichend. Ich vermute, die 
Stromversorgung ist ein lineares Netzteil, kein Schaltnetzteil.

[Mario H. (rf-messkopf)]

F. Y. schrieb:
> Die drei Pins müssen separat versorgt und entkoppelt werden.

Ja, genau.

F. Y. schrieb:
> VCC_CP versorgt die Varaktordioden des VCOs, jede Störung auf die
> Leitung/auf das VCC_CP Pin wird moduliert und taucht als Spur auf.

Ohne ins Datenblatt geschaut zu haben: VCC_CP versorgt mutmaßlich die 
Ladungspumpe (Charge Pump), und VCC_VCO den VCO. Die beiden Spannungen 
sollten durch separate Tiefpässe sehr gut entkoppelt werden, die bei der 
PFD-Frequenz hinreichend sperren.

Ebenso sollte sichergestellt sein, dass nichts in die Abstimmspannung 
(TUNE, Pin 20) einkoppelt. Ich würde das Loop-Filters möglichst auf die 
andere Seite des ICs setzen, und den letzten Kondensator C140 des 
Filters möglichst nahe an das Pad 20.

[Marcel K. (Gast)]

F. Y. schrieb:
> VCC_CP versorgt die Varaktordioden des VCOs, jede Störung auf die
> Leitung/auf das VCC_CP Pin wird moduliert und taucht als Spur auf.

Also würdest du empfehlen VCC_CP mit einen separaten LDO zu versorgen?

F. Y. schrieb:
> Ich vermute, die
> Stromversorgung ist ein lineares Netzteil, kein Schaltnetzteil.

Stromversorgung ist ein Schaltnetzteil. Auf dem Board wird aus 12V 
nichmal 3.6V gemacht, die dann in die LDOs gegen und auf 3.3V geregelt 
werden. Vor jedem LDO hängt nochmal ein Durchführungskondensator von 
Murata, der über den gesamten Frequenzbereich mindestens 20dB Dämpfung 
hat.

F. Y. schrieb:
> Einfache Tiefpässe für die Stromversorgungsanschlüsse sind
> empfehlenswert.

Für VCC_CP macht das sicher sinn da hatte ich nicht dran gedacht. RC 
Tiefpass bei VCC_RF würde ich von absehen wollen, da dieser Pin am 
meisten Stromverbrauch hat.

[F. Y. (rf_far)]

Marcel K. schrieb:
> Also würdest du empfehlen VCC_CP mit einen separaten LDO zu versorgen?
Ja, das hilft vor allem im unteren Frequenzbereich, also bis 1 MHz ist 
das PSRR des LDOs 40 dB, danach ist ein LPF erforderlich. Bei der ersten 
Leiterplatte würde ich mehr filtern, danach kann man sich überlegen, wo 
man mit den Bauteilen feinabstimmen/optimieren und sparen kann. Ohne 
Spektrumanalysator (SA) wird es schwierig, den Synthesizer nach 
Spurs/Stabilität zu bewerten und zu optimieren. Als erstes würde ich 
mehr Kondensatoren zum Entkoppeln verwenden und sehen, ob die Spikes 
nachlassen, dann den 12V/3V6 Ausgang trennen und 3.6 V von einem 
linearen Netzteil extern einspeisen (das Schaltnetzteil nicht 
verwenden). Das sind Sachen, die du mit dieser Leiterplatte machen 
kannst. Ist die Dämpfung des Durchführungskondensators bei Frequenzen < 
10 MHz auch 20 dB?

[hf werker (Gast)]

Marcel K. schrieb:
> Ab ca 3GHz erkennt man deutlich spikes im S11 signal,
> bei denen ich den Ursprung in der PLL vermute.

Bis jetzt ist eigentlich nicht klar dargelegt worden was
das bedeuten soll.

Also "spikes im S11 signal" ...., wobei ich schon nicht
verstehe was ein S11-Signal ist, und unter Spikes verstehe
ich (der nicht ganz fachfremd ist) zackenförmige Sinalanteile
im Zeitbereich (also einem Oszillogramm).

Zur Klarstellung wäre eine genaue Darstellung der Messung
und des Messergebnisses sehr hilfreich.

Und wenn man dann "den Ursprung in der PLL vermutet" wäre es
hilreich darzustellen woher diese Vermutung stammt. Im Übrigen
ist für die eigentliche Signalerzeugung nicht die PLL sondern
der VCO verantwortlich. Einfach von "der PLL" zu sprechen und
die ganze Sinalerzeugung zu meinen ist sehr ungenau.

[Dennis E. (Gast)]

hf werker schrieb:
> Im Übrigen
> ist für die eigentliche Signalerzeugung nicht die PLL sondern
> der VCO verantwortlich. Einfach von "der PLL" zu sprechen und
> die ganze Sinalerzeugung zu meinen ist sehr ungenau.

Immer dir gleiche gebetsmühlenartige Korrektur seinerseits. Ja wissen 
wir alle kannst du dir sparen.

[hf werker (Gast)]

Dennis E. schrieb:
> Ja wissen wir alle

Offensichtlich doch nicht ganz alle.

Wenn jemand halb-ahnungsloser davon spricht dass ein HF-Signal
aus einer PLL kommt dann sind Missverständnisse und aneinander
Vorbeireden schon vorprogrammiert. Dazu noch fehlendes Mess-
equipment und die Diskussion läuft total aus dem Ruder.

SCNR

[Marcel K. (Gast)]

F. Y. schrieb:
> Ja, das hilft vor allem im unteren Frequenzbereich, also bis 1 MHz ist
> das PSRR des LDOs 40 dB

Meine Probleme treten ja erst bei hohen Frequenzen auf. Der 
durchführungskondensator schafft bei 1MHz noch über 20dB Dämpfung.

Was imit spikes meine sind plötzliche Ausreißer wenn ich die zwei 
heruntergemischten Signale FFT transformieren und dann aufeinander 
beziehe. Also S11 Berechnung.

[Marcel K. (Gast)]

Ich habe, wenn auch sehr verspätet, aufgenommen was ich meine. Da 
befindet sich deutlich Gezappel im Absolutwert von S11. Das tritt so ab 
1.5GHz merklich auf. Das führt dann dazu, dass ich im gemessenen Signal 
immer irgendwelche Unregelmäßigkeiten habe.

[Gerhard H. (ghf)]

Das sieht eher so aus, als hättest Du den VNA nicht kalibriert.
1 Minute mit der ECAL-Unit und ein paar Mausclicks und das
Gezappel ist weg.
(Das ist die Selektion eines Pipecapfilters, abgestimmt auf
7.9 GHz. Pipecapfilter macht man aus Endkappen für Warmwasser-
leitungen aus Kupferrohr, einem Stück ungeätzter Platine, einer
M3-Schraube und kleinen Antennchen aus Semi-Rigid-Kabel.)

Mit dem VNA bin ich zu kurz gesprungen, der geht nur bis 8 GHz.

Gruß, Gerhard

[hf werker (Gast)]

Gerhard H. schrieb:
> Das sieht eher so aus, als hättest Du den VNA nicht kalibriert.

Das sieht eher so aus als ob er keinen VNA verwendet sondern
irgendein selbst zurechtgeschnitztes Konstukt das wir nicht
kennen sollen/dürfen.

Hier fehlt es an allen möglichen Angaben um daraus sinnvolle
Schlüsse ziehen zu können. Oberwellen, Nebenlinien machen einem
richtigen VNA nichts aus.

Gerhard H. schrieb:
> mit der ECAL-Unit

"Was ist das" würde der TO fragen. In seinem Fall wird ihm
so etwas gar nichts nützen.

[Marcel K. (Gast)]

hf werker schrieb:
> Das sieht eher so aus als ob er keinen VNA verwendet sondern
> irgendein selbst zurechtgeschnitztes Konstukt das wir nicht
> kennen sollen/dürfen.

Ich benutze nicht irgendwas sondern das ist ein VNA, den ich gebastelt 
habe.

[hf werker (Gast)]

Marcel K. schrieb:
> sondern das ist ein VNA

Ja .... schon klar.