Par Michel Azarian
Ingénieur d’application senior

La conception d’un circuit d’entrée d’horloge de référence pour système RF, doté de fonctions de protection et assurant la distribution de l’horloge à travers le système, peut s’avérer délicate. Il est difficile en particulier de conserver la performance de bruit de phase du signal d’entrée tout en répondant aux besoins de protection, mise en tampon et distribution de l’horloge. Dans cet article, nous verrons comment concevoir un circuit d’entrée d’horloge de référence de 10 MHz et optimiser sa performance.

Les spécifications

Les instruments RF et les émetteurs/récepteurs sans fil comportent souvent une entrée pour horloge de référence externe, telle que l’entrée 10 MHz omniprésente sur les instruments RF. Beaucoup de ces systèmes disposent en outre de ressources permettant de distribuer l’horloge à travers tout le système. La figure 1 montre un schéma courant de ce type de circuit, qui reçoit une horloge de référence et délivre deux signaux de référence à deux boucles à verrouillage de phase (PLL) distinctes.

Un circuit d’entrée pour horloge de référence, robuste et bien conçu, devrait accepter les signaux sinusoïdaux aussi bien que carrés, et supporter une large plage d’amplitudes. Il devrait pouvoir envoyer vers les entrées des PLL destinataires un signal de niveau constant, même à partir d’une grande diversité de formats d’entrée. Le port d’entrée exposé au monde extérieur devrait disposer d’une protection contre les surtensions et les dépassements de puissance. Et, plus important encore, la dégradation inévitable du bruit de phase sur le signal d’horloge devrait être minimisée.

L’implémentation

Le  LTC®6957 est un tampon d’horloge à deux sorties avec translation de niveaux logiques, caractérisé par un bruit de phase (ou gigue) additionnel très bas. Son entrée accepte un signal sinusoïdal ou carré dans une large plage d’amplitudes et il pilote toutes les charges avec une amplitude constante.
Figure 1. Bloc diagramme typique d’une entrée de référence avec distribution dans un système RF

Le LTC6957 offre plusieurs options de niveaux logiques de sortie : PECL, LVDS et CMOS (sorties en phase ou complémentaires), ainsi il peut piloter une grande variété de charges. La figure 2 montre un circuit d’entrée d’horloge de référence 10 MHz conçu avec un LTC6957-3, qui délivre deux sorties CMOS en phase.

Le transformateur WBC16-1T de la figure 2 remplit plusieurs fonctions. Premièrement, en conjonction avec les diodes Schottky qui le suivent, il offre une protection contre les surpuissances et les surtensions d’entrée. Les diodes limitent la tension alternative vue par le LTC6957-3. Le WBC16-1T gère jusqu’à 0,25 W (3,5 Veff dans 50 ?). Deuxièmement, il sert à isoler la masse du connecteur, habituellement reliée au châssis, de la masse analogique interne du système RF.

Enfin, le transformateur applique un gain de tension au signal d’entrée, ce qui rend les fronts vus par le LTC6957-3 plus raides. Cela aide à réduire le bruit de conversion AM / PM, et donc à limiter la dégradation du bruit de phase, en particulier avec les petits signaux d’entrée. Le gain en tension du WBC16-1T est de 4. Il est possible de s’appuyer sur ce gain en tension de 4, plutôt que sur le gain en puissance maximum et idéal de 1, car le LTC6957-3 présente une charge de haute impédance au transformateur.

La combinaison de valeurs des résistances R1 et R2 est ajustable pour que l’impédance du port d’entrée atteigne 50 ?. Pour les petits signaux d’entrée, les diodes sont bloquées et le transformateur de la figure 2 voit une charge de 804 ?. Cette charge se reflète à l’entrée comme une charge d’environ 50 ? car le rapport d’impédance du primaire au secondaire du transformateur vaut 16. Pour de plus grands signaux, les diodes Schottky sont passantes, ce qui réduit quasiment la résistance de 604 ? à un court-circuit. Cela dégrade les pertes par réflexion du signal de référence, un problème que l’on peut contourner en ajustant les valeurs de R1 et R2 ; cette approche nécessite toutefois des compromis.
Figure 2. Circuit d’entrée d’horloge de référence 10 MHz utilisant le LTC6957-3 avec protection en entrée, montré avec les réglages de test et de mesure du bruit de phase

Pour les signaux d’entrée de grande amplitude, il est possible d’améliorer les pertes par réflexion en augmentant R1 et en réduisant R2, de manière à maintenir leur résistance série combinée autour de 800 ?. Cependant, comme R1 apparaît en série avec le signal, il lui ajoute du bruit. Une valeur plus élevée de R1 se conjugue avec une faible valeur de R2, ce qui revient à réduire la portion du signal arrivant à l’entrée du LTC6957-3, ce qui dégrade encore le bruit de phase. En d’autres termes, en jouant avec les valeurs de R1 et R2, le concepteur doit trouver un compromis entre performance de bruit de phase et perte par réflexion. Les valeurs de la figure 2 atteignent globalement un équilibre entre ces deux critères de performance.

Le condensateur de couplage AC séparant le connecteur du transformateur dans la figure 2 protège l’entrée contre les sources DC.

Le LTC6957-3 intègre des filtres passe-bas sélectionnables via les broches FILTA et FILTB. Ces filtres permettent de limiter stratégiquement la bande passante du premier étage d’amplification du LTC6957 et, ainsi, le bruit de phase additionnel du circuit, particulièrement lorsque le signal est faible, comme on le verra ci-dessous.

La performance obtenue

Comme le montre la figure 2, un oscillateur de type OCXO de 10 MHz est connecté à l’entrée du circuit via un atténuateur RF. Une variation de puissance de signal de –10 dBm à 10 dBm est appliquée à l’entrée et le plancher de bruit de phase (phase noise floor) en sortie du LTC6957-3 est mesuré avec l’analyseur de signaux Agilent E5052A, pour différents réglages des filtres d’entrée. La figure 3 montre le plancher de bruit de phase de sortie d’horloge CMOS de 10 MHz du LTC6957-3, mesuré pour un décalage de 100 kHz.

On voit sur la figure 3 que, lorsque l’amplitude du signal de référence externe de 10 MHz n’est pas connue, de bonnes performances de bruit de phase globales sont obtenues en réglant simplement FILTA au niveau bas et un FILTB au niveau haut. La performance peut être optimisée en mesurant le niveau du signal d’entrée et en réglant les filtres de manière appropriée. Avec les valeurs de R1 et R2 choisies dans la figure 2, les pertes par réflexion sont de – 9dB avec une puissance d’entrée de référence de 0 dBm vers 50 ?. Les pertes par réflexion sont meilleures pour des puissances d’entrée moins élevées, et moins bonnes pour des puissances d’entrée plus élevées.

Figure 3. Plancher de bruit de phase à 100 kHz d’offset à la sortie du LTC6957-3 en fonction du niveau de puissance de l’entrée de référence 10 MHz pour divers réglages des filtres du LTC6957-3

Figure 3. Plancher de bruit de phase à 100 kHz d’offset à la sortie du LTC6957-3 en fonction du niveau de puissance de l’entrée de référence 10 MHz pour divers réglages des filtres du LTC6957-3

Conclusion

Un circuit d’entrée pour horloge de référence 10 MHz robuste et de haute performance a été créé autour du LTC6957-3. Ses caractéristiques incluent la compatibilité avec une grande variété de types et de niveaux de signaux d’entrée, des fonctions de protection et la capacité de distribuer l’horloge en limitant la dégradation du bruit de phase. Le bruit de phase et les pertes par réflexion en entrée du circuit sont évalués et optimisés. Le LTC6957-3 simplifie la conception et permet d’obtenir une excellente performance globale.