Řešení oscilátoru s čipem PLL násobiče se mi jeví jako rychlé, praktické a levné řešení. Je tomu skutečně tak? Stalo se mi, že nejen mne i takto jednoduché řešení pořádně potrápilo. Proto jsem zavedl tuto stránku, kde popíšu několik základních zkoušek a aplikací obvodu.

O čipu ICS501 se v úvodu datasheetu píše: "The ICS501 LOCO^TM is the most cost effective way to generate a high-quality, high-frequency clock output  from a lower frequency crystal or clock input. The name LOCO stands for Low Cost Oscillator, as it is designed to replace crystal oscillators in most electronic systems.
 

Krystalový oscilátor Použil jsem dříve vyrobenou desku násobiče. Deska nebyla určena pro osazení krystalu a nezbytných kondenzátorů oscilátoru C1 a C2. Prostě jsem s takovým použitím při návrhu desky nepočítal. Ke zkoušce jsem použil krystal 16 MHz, který jsem připájel přímo na nožičky integrovaného obvodu a dva diskové vývodové kondenzátory, každý o kapacitě 22 pF. Návrh kapacit C1 a C2 by měl být proveden podle kapitoly "Crystal Load Capacitors" uvedené na straně 3 datasheetu. Pokud s hodnotami experimentujeme, použijeme SDR přijímač a vyzkoušíme hodnoty takové, aby oscilátor spolehlivě nasadil kmity a aby úroveň na požadovaném kmitočtu byla jednak dostatečná a jednak s vysokým odstupem od nežádoucích parazitních frekvencí. V podstatě se jedná o nastavení správné zpětné vazby oscilátoru. A to doporučuji dělat u každého zapojení oscilátoru, které vyvíjíme. Násobení Na použité desce bylo nastavené násobení 4x - viz uzemněné špičky S0 a S1.
Výstupní úroveň Při správné úrovni oscilátorového signálu, tj. když oscilátor produkuje signál na požadovaném kmitočtu s nejlepším odstupem od parazitních kmitočtů je výstupní úroveň kolem 0 dBm. K měření použil jednoduchý indikátor úrovní  popsaný zde. Při správné funkci oscilátoru a násobiče přístroj ukazuje úroveň kolem 0 dBm. Pokud nepracuje dobře oscilátor nebo je vstupní úroveň signálu do násobiče nízká, či obsahující některé násobky harmonických, nepracuje PLL násobič správně, produkuje mnoho parazitních kmitočtů a přístroj ukazuje nižší výstupní úrovně.
Výstupní kmitočet Pokud pracuje oscilátor správně, lze na výstupu násobičky naměřit přesně výstupní kmitočet, a to i kapesním měřičem kmitočtu, který je háklivý na vstupní úroveň a čistotu signálu. Použité základní součásti: 1. Oscilátor a PLL násobič typ ICS501. 2. Krystal 16 MHz vyrabovaný z vyřazené výpočetní techniky. 3. C1 a C2 nastavené na nejlepší odstup parazitních kmitočtů, ale zajišťující spolehlivé kmitání. Hodnoty C1 = C2 = 22 pF. 4. Násobící poměr 4x (S0 = S1 = GND) 5. Napájení +5 V z power banky 6. Čítač FC-1200, rozsah do 500 MHz, citlivost = NORM, gate time = FAST 7. Čítač by měl ukazovat hodnotu 4 x 16 MHz = 64 MHz. 8. Čítač ukazuje 64.0033 MHz a pokud bychom chtěli nastavit jmenovitou hodnotu pomocí kapacit C1 a C2, docílili bychom toho s kapacitami C1 a C2 kolem 30 pF. S hodnotami 33 pF již kmital krystal pod jmenovitým kmitočtem, hodnoty 27 pF jsem neměl, s hodnotami 22 pF je v daném provedení a při pokojové teplotě frekvence nepatrně nad jmenovitým kmitočtem. Obecně bych konstatoval, že s kapacitami od 22 pF do 33 pF má oscilátor dobrou zpětnou vazbu a pomocí kapacit lze nastavit přesně i kmitočet oscilátoru. Stabilita je poplatná použitému zapojení (s největší pravděpodobností se jedná o oscilátor z logických hradel), použitému krystalu a okolní teplotě. Přesné kmitočty se však v dnešní době získávají jinak.

Spektrum signálu

Spektrum jsem pro ilustraci zachytil levnou klíčenkou USB RTL SDR. Důvod je ryze amatérský. Levnou klíčenku si pořídil a  vyzkoušel pravděpodobně každý, nicméně, je užitečná, ale může být i zavádějící. Užitečná je v tom, že leží u notebooku při ruce a lze s ní najít spektrální čáry oscilátoru a poslechnout si uchem signál.

Spektrum 1, kmitočet 64 MHz; takové spektrum nejčastěji obdržíte většinou analyzátorů, které máte k dispozici:

Spectrum 2, kmitočet 64 MHz; takové spektrum obdržíte, když přebudíte vstup přijímače s nevalnou odolností. Uvádím pro ilustraci, že i klíčenka může klamat, když s ní někonáte správně:

Spektra vzdálená o 16 MHz (kmitočet krystalu) pod a nad jmenovitou frekvencí 64 MHz:

 
Násobič a externí zdroj kmitočtu

Pokud ICS 501 nepoužíváme ve funkci oscilátoru, ale jen jako PPL násobič, je pro správnou funkci násobiče důležitá úroveň vstupního signálu. Ta nesmí být malá. Základní test jsem provedl s generátorem Leo Bodnar, je mezi českými hamy rozšířený. Vstupní kmitočet byl 16 MHz, na výstupu jsem očekával 64 MHz. Na generátoru Leo Bodnar byla nastavena nejnižší úroveň. Násobič fungoval tak, jak měl a na výstupu jsem obdržel signál 64 MHz, samozřejmě s úrovní kolem 0 dBm. Frekvence signálu byla měřitelná kapesním čítačem:

Násobič byl realizován na stejné desce, jako oscilátor. Vyletovaný krystal leží nad čítačem, odpojil jsem pouze kapacitu na vstupu C1, kapacitu C2 jsem nechal spojenou se zemí. Vyšší úrovně jsem nezkoušel, snižování úrovní pomocí atenuátorů nebylo žádoucí. Že je třeba opravdu slušná úroveň vstupního signálu jsem si vyzkoušel generátorem s nastavitelnou úrovní a potvrdil si tuto vlastnost. Spektrum získané z RTL-SDR (buzení Leo Bodnar, 16 MHz, PLL násobení 4x):

Poznámky:

1. Násobič je velice citlivý na vstupní úroveň oscilátoru, nízké úrovně nenásobí dobře.

2. Vstupní úroveň se vyplatí nastavovat pro každou aplikaci individuálně. Hlavně nešetřit a pečlivě vyzkoušet. V datasheetu píšou, že vstupní úroveň by měla být rovna
Uinp = (VDD/2) + 1, což při napájecím napětí VDD = 5 V by znamenalo, že Uinp musí být 3.5 Voltu. No, na maličké kapacitě v sérii s krystalem, který má vysokou jakost Q a impedance na vstupu (ICLK, pin č. 1) bude rovněž vysoká (bez ohledu na použitou technologii výroby čipu) bude poměrně vysoké napětí. Aniž bych se zamýšlel, jak veliké, protože se mi podařilo oscilátor rozkmitat s běžnými hodnotami C1 a C2 (přibližné stejnými, jako např. u oscilátoru 4060) a podařilo se mi nastavit i kmitočet oscilátoru pomocí těchto kapacit na jmenovitou hodnotu.

Nicméně, naprosto odlišná je požadovaná velikost napětí Uinp, pokud obvod používáme jako PLL násobičku. Uvažujme, že máme výstupní impedanci generátoru Z = 50 Ohmů. Potom platí, že P = U²/Z = 3.5²/50 = 0.24 W, tedy asi 200 mW, tedy asi +23 dBm. To je celkem šílená hodnota. Za zkoušku však stojí, s jakým vstupním napětím PLL násobička funguje, pokud máme nízké impedance zdrojů. Podle několika málo experimentů, které jsem učinil, mi násobička fungovala se zdroji kmitočtů na úrovni od 0 dBm, výborně s logickými hodnotami výstupů TCXO, které jsem měl ke zkouškám a s výstupy některých MMIC, které jsou navržené pro práci od DC do stovek MHz. Nicméně, teoreticky by při vstupní úrovni P = 0 dBm obvod neměl fungovat, protože Uinp by mělo být cca 0.2 V, což je hodnota pro logickou nulu, pod zakázaným pásmem úrovní. Pokud se nám satne, že při individuálním návrhu a úrovních od 0 dBm do 10 dBm násobička nefunguje, uvažujte o nejjednodušší HW úpravě v zapojení pomocí dvou hradel 74HC04 - viz pozn. č. 6 níže. PLL násobička je přeci jenom určená pro zpracování signálů s logickými úrovněmi.

3. Vstup (X1) tedy lze napájet ze zdroje kmitočtů s nízkou impedancí (50 Ohmů) a předvedl jsem to pomocí generátoru Leo Bodnar na nejnižší úrovni. Při použití nízké impedance se obvykle zabrání svévolnému kmitání nevyužívaného oscilátoru z hradel.

4. Pin č. 8 (X2) se mi vyplatilo "uzemňovat" kapacitou. Když je kapacita malá (nebo jen parazitní), oscilátor si někdy svévolně kmitá na vysokém kmitočtu a nízká úroveň z generátoru (který galvanicky oddělíme taky malou kapacitou) může být stržena volně kmitajícím oscilátorem. V takovém okamžiku leze z PLL násobičky celé spektrum parazitních kmitočtů, a to s úrovní kolem 0 dBm. Pokud je na výstup připojen např. čítač, je spektrum širokodaleko slyšet a ruší to, kde může. Opravdu nedoporučuji nechat pin X2 v luftě. Zřejmě jsou kapacity čipu v řádu pF a to už stačí spustit oscilátor z hradel.

5. Generátory s nízkou úrovní vyžadují zesílení. Pokud uvažujeme o MMIC zesilovači od DC do stovek MHz (nebo do 1 GHz), musíme použít vhodné typy obvodů. Mě se osvědčily tyto typy (seřazeny podle oblíbenosti):

a) UPC1678 G mám rád, protože má velký zisk, dobrou izolaci vstupního obvodu, je levný a lze ho zapájet i v obýváku na stole (SOIC 5mm pouzdro, rozteč mezi nohama je asi 1.27 mm). V doporučeném zapojení (datasheet) si všimněte vysokých hodnot vazebních kapacit (1.8 nF) na vstupu i na výstupu zesilovače.

b) typ INA02186 je klasika, pravděpodobně vyvinutá pro použití v přístrojích HP. Má vysoký zisk (asi 30 dB), je stabilní, pouzdro se dobře pájí (kulaté pouzdro, vstup, výstup a kolmo na ně 2x GND). Obvod má malé šumové číslo. Tento typ jsem použil ve finální verzi GPS DO s PLL násobičkou, a to na zesílení výstupu z modulů u-blox.

c) typ MSA-0286 má malý zisk (asi 10 dB), pracuje do 1 GHz, má vyšší šumové číslo, než předchozí typ, MMIC je kaskádovatelný a stabilní. Obvod má z uvedených typů nejmenší P1dB (cca +4 dBm, předchozí mají více, než + 10 dBm).

6. Osvědčila se mi úprava vstupní úrovně malých signálů pomocí logických invertorů 74HC04, použita dvě hradla za sebou, první hradlo má "zpětnovazební" rezistor (R=10 kOhm) mezi výstupem a vstupem (tj. mezi špičkami 2 a 1 nebo 6 a 5, 10 a 11, ...). Druhé hradlo je bez rezistoru. Prakticky byl tento tvarovač vyzkoušen ve více zapojeních, také ve GPS DO oscilátoru s modulem u-blox.

Bude pokračování (rozepsáno 30.12.2020)