GENERATION INDIRECTE DE LA QUADRATURE DE PHASE DES SIGNAUX DE SORTIE
2.2. Mesures temporelles du circuit 1. Analyse des formes d’onde
La figure 4-5 présente les formes d’onde des signaux de sortie de la DLL factorisée mesurées à l’oscilloscope numérique. Les standards synthétisés s’étendent sur une plage plus large que prévue. En effet, la norme GSM 900 MHz, initialement non prévue, a pu être également générée. La plage de fréquence de travail est donc comprise entre 900 MHz et 5,8 GHz.
Sur la figure 4-5 sont représentés, pour les normes de fréquence inférieure à 5 GHz, les deux signaux de sortie en quadrature de phase. Pour les fréquences de la gamme 5-6 GHz, seule la sortie de même fréquence que l’oscillation du cœur du système est présentée (cf.
chapitre 3, § 4.1). L’échelle en ordonnée de chaque forme d’onde est égale à 100 mV par division, excepté pour les standards à 5,2 et 5,8 GHz où elle est, respectivement, égale à 50 mV par division et 20 mV par division. En effet, à ces fréquences, nous atteignons les limites de la bande passante des circuits tampons de sortie de sorte que la puissance en sortie de ces derniers décroît lorsque la fréquence augmente.
Pour générer ces divers standards, il a été nécessaire de changer les valeurs mises en entrée du compteur. Le tableau 4-1 présente, en fonction des standards visés, d’une part le facteur de multiplication de la boucle, d’autre part les valeurs des bits d’entrée des compteurs qui y sont associés. Seulement cinq bits sont nécessaires si les valeurs associées aux deux compteurs sont prises égales l’une à l’autre. Le lien entre le facteur de multiplication de la boucle et les valeurs des bits d’entrée des compteurs respecte le principe décrit au chapitre 3, § 3.2.
Standard Facteur de multiplication Bits
20 21 22 23 24 900 MHz 36 1 1 1 0 0 1,7 GHz 68 1 1 1 1 0 1,8 GHz 72 0 0 0 0 1 1,9 GHz 76 1 0 0 0 1 2,1 GHz 84 1 1 0 0 1 2,4 GHz 96 0 1 1 0 1 5,2 GHz 104 0 0 0 1 1 5,4 GHz 108 1 0 0 1 1 5,8 GHz 116 1 1 0 1 1 Tableau 4-1 : Choix des valeurs binaires des compteurs.
Les formes d’onde des standards dont la gamme de fréquences de travail est comprise entre 900 MHz et 2,4 GHz sont composées par les deux signaux de sortie du système en quadrature de phase l’un par rapport à l’autre. Le tableau 4-2 présente la valeur du déphasage entre ces deux signaux, ainsi que l’erreur de quadrature de phase exprimée en degré. Nous retrouvons la même évolution de cette erreur de quadrature de phase en fonction de la fréquence de fonctionnement que celle obtenue par simulation. Lorsque la fréquence de travail du système diminue, l’erreur de quadrature de phase augmente car le rapport cyclique du signal synthétisé s’éloigne de 50% (cf. chapitre 3, § 6.1).
Standard Déphasage (°) Erreur de quadrature de phase (°) Erreur relative (%)
900 MHz 119 28,7 31,9 1,7 GHz 115 24,7 21,5 1,8 GHz 115 24,7 21,5 1,9 GHz 106 15,6 14,7 2,1 GHz 101 11,4 11,3 2,4 GHz 89,8 0,2 0,2
Standard : GSM (900 MHz) Standard : DCS TX (1,7 GHz)
Standard : DCS RX (1,8 GHz) Standard : PCS (1,9 GHz)
Standard : UMTS RX (2,1 GHz) Standard : BLUETOOTH (2,4 GHz)
Standard : 802.11a bande basse (5,2 GHz) Standard : HIPERLAN2 (5,4 GHz)
Standard : 802.11a bande haute (5,8 GHz)
2.2.2. Etude de la consommation du système
La figure 4-6 présente la consommation en courant des différents blocs principaux constitutifs de la DLL factorisée en fonction du standard synthétisé. Cette consommation augmente avec la fréquence du standard visé, excepté pour la dernière norme à 5,8 GHz. Cette diminution est due à la chute de la consommation du bloc de sortie. En effet, à cette fréquence, nous sommes hors de la bande passante des circuits tampons de sortie, la puissance de ces signaux diminue et donc la consommation.
Le principal bloc consommateur de courant est le bloc « Oscillateur », comme ce fut le cas lors de la simulation. La consommation du bloc d’entrée est, elle, la même quel que soit le standard. En effet, ce bloc fonctionne toujours à la même fréquence, celle du signal de référence, et de ce fait, sa consommation est indépendante de la norme choisie.
La consommation totale du système s’étend donc de 130 mA à 410 mA selon que le circuit synthétise respectivement le standard de fréquence la plus basse : 900 MHz, et le standard de fréquence la plus élevée : 5,8 GHz, sous une tension d’alimentation nominale du circuit égale à 1,3 V. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 900 MHz 1,7 GHz 1,8 GHz 1,9 GHz 2,1 GHz 2,4 GHz 5,2 GHz 5,4 GHz 5,8 GHz Standards Cou ra nt co ns om m é ( mA )
Asservissement Sortie Oscillateur Total
Figure 4-6 : Evolution de la consommation de courant du circuit en fonction du standard synthétisé.
2.2.3. Réponse à un changement de standard
Le système génère donc les différents standards dans la gamme 900 MHz-5,8 GHz. Maintenant, nous pouvons nous intéresser à la réponse du système lors d’un changement de facteur de multiplication de la boucle.
Ce changement d’ordre de multiplication sera réalisé en fixant la valeur d’un des deux compteurs, et en faisant évoluer la valeur du second. Dans le même temps, nous observerons l’évolution de la tension aux bornes du filtre de boucle. L’étude qui suit sera menée pour une variation entre 1,8 GHz et 3,4 GHz de la fréquence des signaux de sortie. Dans ces conditions, la valeur du premier compteur sera fixée à 8, ce qui revient seulement à mettre au niveau haut seulement l’entrée du compteur correspondant au bit de poids 1. Le second compteur verra alors sa valeur d’entrée évoluer entre 28 et 60 suivant respectivement que le système se verrouille sur 1,8 GHz et 3,4 GHz. Ces ordres de multiplications nécessitent de mettre au
niveau haut, dans le premier cas les entrées du compteur correspondant aux bits 22 et 23, et dans le second cas, celles correspondant aux bits 22, 23 et 24. En conclusion, le changement de standard s’effectuera en faisant uniquement varier la valeur de l’entrée du bit 24 du second compteur.
Avant d’effectuer cette opération, nous devons choisir une valeur de filtre de boucle qui assure la stabilité du système. Conformément à l’étude de stabilité menée au chapitre 2, nous avons, dans un premier temps, établi la fonction de transfert qui donne le déphasage par rapport au signal de référence de la sortie de la ligne d’éléments à retard contrôlable en fonction de la tension de contrôle appliquées à ces derniers. La figure 4-7 illustre cette fonction de transfert. La tension de contrôle évolue entre environ 400 mV et 1 V pour générer toutes les normes voulues. La plage de fréquence utile pour le saut de fréquence se situe approximativement entre 570 mV et 800 mV. 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 400 500 600 700 800 900 1000 Tension de contrôle (mV) Retard ( ra d) 5,8 GHz 1,8 GHz 3,4 GHz
Figure 4-7 : Fonction de transfert de la ligne d’éléments à retard contrôlable.
A partir de cette courbe, nous avons évalué le gain de la chaîne d’éléments à retard contrôlable. S’il s’agissait d’une droite, ce gain en serait le coefficient directeur. Comme ce n’est pas le cas, nous allons prendre le coefficient directeur de la tangente autour de la zone de verrouillage de la boucle, c’est-à-dire au voisinage de 1,8 GHz. Nous obtenons alors un gain KERC estimé à 0,28 rad/volt.
Ainsi en appliquant l’équation 2-7 issue du chapitre 2, nous déterminons alors la valeur minimale théorique de la capacité de filtre permettant d’obtenir la bande passante maximale du système. La valeur théorique de capacité de filtre calculée est égale à 260 pF.
Expérimentalement, la stabilité du système n’a pas été observé pour cette valeur de capacité. La figure 4-8 présente l’évolution de la tension aux bornes du filtre pour 4 valeurs de capacités différentes. Cette mesure a été effectuée avec un oscillateur numérique : Lecroy Waveform pro 960. Suivant la valeur choisie, la réponse de la boucle à un changement de consigne est plus ou moins amortie. Le phénomène oscillatoire autour de la valeur finale dénote la présence d’autres pôles, non pris en compte lors des simulations du chapitre précédent. Comme nous n’avons pu utiliser d’extracteur d’éléments parasites de type RC, nous pouvons penser que ce pôle a pu être généré notamment lors du routage de la puce. La réponse du système pour passer du standard 3,4 GHz au standard 1,8 GHz, dans le cas où aucune oscillation ne se produit, est néanmoins de l’ordre de la centaine de microsecondes.
C = 2,2 nF Abscisse : 100mV/div Ordonnée : 20 µs/div C = 22 nF Abscisse : 100mV/div Ordonnée : 20 µs/div C = 47 nF Abscisse : 50mV/div Ordonnée : 50 µs/div C = 10 nF Abscisse : 100mV/div Ordonnée : 20 µs/div
Figure 4-8 : Réponse du système à un saut de fréquence.