ミリ波PLLシンセADF4372の使い方

低エラー・レート広帯域SDR入門

ADF4372を用いたミリ波PLLシンセサイザの基礎と構成

ADF4372は，4GHzから8GHzまでの広帯域VCOを内蔵したPLLシンセサイザICです．外付け回路が非常に少なく，シンプルな構成で高周波の信号生成が可能です．5G関連の用途に適しており，122.88MHzを基本とした整数倍または分周クロックの出力要求に応える設計が可能です．

本ICはVCOや逓倍器，分周器を内部に統合しており，システム設計の簡素化に寄与します．具体的には，8GHzから16GHzの出力は逓倍ポートから，4GHzから8GHzの範囲はそのまま出力されます．制御にはSPIを用い，外部には主に以下の構成要素が必要です．

1. クリーンな電源の供給
2. チャージポンプ出力に対するノイズ除去用ラグリード・フィルタ
3. VCO制御電圧のためのRC構成フィルタ（部品数は4?5点程度）

ループ・フィルタの設計と調整

PLLシンセサイザにおけるループ・フィルタ設計は重要な工程です．チャージポンプ出力にはパルス性の強い信号が含まれ，多様なスプリアス成分が観測されます．これを平滑化し，$V_{CO}$に安定した制御電圧を与えるためには，適切な$R$と$C$構成が求められます．

従来はフィードバック制御モデルをLTspiceなどで構築し，AC解析やトランジェント解析を通じて最適設計を行ってきました．しかし近年，IC内部構成のブラックボックス化により，ビヘイビアモデルの作成が難しくなっています．そのため，メーカが提供するシミュレータの活用が主流となっています．

1. ADISimPLLのようなアプリを使うことで，ロックアップ・タイムやスプリアスの最適化が可能
2. 回路全体のロック時間短縮にも有効

パラメータ調整と実動作における注意点

ADF4372の動作が不安定またはスプリアスが目立つ場合，原因としてVCOそのものよりもループ・フィルタ設計の不適合が考えられます．チャージポンプの出力電流設定も，回路動作に大きく影響します．この電流値は，旧来のシンセサイザでラグリード・フィルタ直列抵抗を調整することと同等の意味をもちます．

他にも，リファレンス周波数の設定も影響因子です．特に低周波のリファレンスを用いる場合，ループ・フィルタの設計はさらに重要性を増します．単純なRC構成だけでなく，追加のポールを高域に設けるなどのテクニックにより，スプリアスの除去能力を強化することが可能です．

1. 高域でのもう1段のポール追加によりリジェクションを増大
2. 目標とするスプリアス領域に対して適切なカットオフ周波数の設定が重要

以上のように，ADF4372を用いたPLLシンセサイザの設計では，VCOの能力に加え，フィルタ設計とパラメータの調整が性能を大きく左右します．個別の条件に応じて，適切な設計アプローチを選択することが求められます．

〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

• 1990年　無線通信機器メーカで設計開発．その後，計測器メーカでRF測定機器，半導体試験装置の設計開発
• 2017年　フリーランスエンジニアとして独立，無線通信機器やSDR機器の受託開発
• 2019年　株式会社ラジアンとして法人化，現在に至る

著書

1. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.1　分散型マルチビーム無線機のハードウェア］，ZEPエンジニアリング．
2. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.2　1エレメント1モジュール独立分散型の理由］，ZEPエンジニアリング．
3. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.3　ソフトウェアによるマルチビーム制御の実験］，ZEPエンジニアリング．
4. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.4　非接触共振カプラによるアレイ・チャネル拡張］，ZEPエンジニアリング．
5. ［Webinar/KIT/data］Arm M4/M7/DSP×500MHz！STM32H7ハイスペック計測通信Module開発，ZEPエンジニアリング．
6. 高感度受信！ソフトウェア無線機の心臓部“Root-Raised Cosine Filter”の設計，ZEPエンジニアリング．
7. 超長距離無線LoRaからローカル5Gまで！GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機，ZEPエンジニアリング．
8. 自宅で設計・開発！USBミクスト・シグナル・アナライザ Analog Discovery Pro 3000 誕生，ZEPエンジニアリング．
9. 高精度基準搭載＆1GSPS広帯域！プロ用USBマルチ測定器 ADP5250誕生，ZEPエンジニアリング．
10. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.1]，ZEPエンジニアリング．
11. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.2]，ZEPエンジニアリング．
12. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.3]，ZEPエンジニアリング．
13. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.4]，ZEPエンジニアリング．
14. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.5]，ZEPエンジニアリング．
15. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.6]，ZEPエンジニアリング．
16. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.7]，ZEPエンジニアリング．
17. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.8]，ZEPエンジニアリング．
18. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.9]，ZEPエンジニアリング．
19. GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機，ZEPエンジニアリング．
20. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ MkⅡ【z-mmcon2】（mz-mmcon1後継機），ZEPエンジニアリング．
21. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ【mz-mmcon1】（生産終了，後継機 z-mmcon2），ZEPエンジニアリング．
22. ［KIT］実験用28GHzミリ波パッチ・アンテナ【mz-mmant1】，ZEPエンジニアリング．
23. ［KIT］実験用800M～6GHz 広帯域90°ハイブリッド【mz-qhybrid】，ZEPエンジニアリング．
24. ［KIT］実験用27.5G-29.5GHzバンド・パス・フィルタ【mz-mmbpf1】，ZEPエンジニアリング．
25. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ【z-pptgen-on1】，ZEPエンジニアリング．

参考文献

1. ［VOD］MATLAB/Simulink×FPGAで作るUSBスペクトラム・アナライザ，ZEPエンジニアリング．
2. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング．
3. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計，ZEPエンジニアリング．
4. ［VOD/KIT］初めてのソフトウェア無線＆信号処理プログラミング 基礎編/応用編，ZEPエンジニアリング．
5. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング．