基于鎖相環(huán)的L波段頻率源設計與實現(xiàn)

　　摘要：介紹了一種L波段的頻率合成源的設計與實現(xiàn)方法，采用電荷泵鎖相環(huán)來實現(xiàn)。該法設計的頻率源具有低相位噪聲、低雜散和高頻率穩(wěn)定度等特點。經(jīng)過測量所做實物表明：相位噪聲為-80.4dBc/Hz@1kHz;雜散抑制優(yōu)于-55dBc;輸出功率大于6dBm。滿足項目的指標要求。并且，電路結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，性能優(yōu)良，能夠用于實際電路中為某接收機提供本振，證明該方案可行。

　　頻率源為電子系統(tǒng)提供參考頻率和時鐘基準，是電子系統(tǒng)的心臟，它對整個系統(tǒng)的性能指標起決定性作用。微波頻率源在通信，雷達，導航，測量等方面有極其重要的應用。其相位噪聲和雜散抑制的性能直接影響整個系統(tǒng)的性能。因此，低相位噪聲、高頻譜純度和高穩(wěn)定度的頻率源將是主要的發(fā)展趨勢，采用鎖相環(huán)實現(xiàn)的頻率源就滿足該要求。隨著芯片集成度的提高，鑒頻/鑒相器、電荷泵、分頻器能夠集成在一塊芯片上，還有的甚至集成了壓控振蕩器，設計者只需設計環(huán)路濾波器就可以實現(xiàn)基于鎖相環(huán)的頻率源。這大大簡化了設計過程和電路結(jié)構(gòu)。

　　電荷泵鎖相環(huán)基本原理

　　電荷泵鎖相環(huán)(CPPLL)是由鑒頻/鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)、環(huán)路濾波器(LF)以及壓控振蕩器(VCO)等模塊構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。　　

 

　　鎖相環(huán)是一個反饋系統(tǒng)，它通過鑒相器比較輸入信號和反饋信號的相位差，得到一個與相位差大體成線性關(guān)系的誤差電流。該誤差電流經(jīng)過環(huán)路濾波器的積分作用之后得到一個誤差電壓來控制壓控振蕩器輸出所需的頻率，從而使鎖相環(huán)鎖定。電荷泵是由驅(qū)動一個電容的兩個開關(guān)電流源構(gòu)成。電荷泵鎖相環(huán)有兩個突出的優(yōu)點：(1)捕獲范圍僅僅由壓控振蕩器的輸出頻率決定;(2)如果忽略失配與偏差，靜態(tài)相位誤差為零。

　　鎖相環(huán)主要技術(shù)指標

　　相位噪聲

　　鎖相環(huán)是處理相位信號的電路，所以很容易受到相位噪聲(在時域，與之對應的是時鐘抖動)的影響。相位噪聲的主要來源有參考晶振、分頻器、鑒頻/鑒相器、壓控振蕩器[3]。帶內(nèi)的相位噪聲主要由參考晶振、分頻器、鑒頻/鑒相器決定;帶外的相位噪聲主要由壓控振蕩器決定。即是說，鎖相環(huán)對參考晶振、分頻器、鑒頻/鑒相器的噪聲呈現(xiàn)低通特性;對壓控振蕩器的噪聲呈現(xiàn)高通特性。可以通過增大鑒相頻率、減小環(huán)路帶寬等措施來減小相位噪聲。相位噪聲可以通過公式(1)來估算。
         

　　其中PN_1Hz為1Hz歸一化噪聲基底，F(xiàn)_PFD為鑒相頻率。

　　雜散

　　雜散是由器件的非線性以及微波的輻射等因素造成的。鎖相環(huán)中最主要的雜散是參考雜散，它是由電荷泵的源電流與匯電流失配、電荷泵漏電以及電源退耦不夠等因素造成的。當鑒相頻率比較低時，電荷泵漏電引起的雜散占主導地位;當鑒相頻率比較高時，電荷泵的源電流與匯電流失配引起的雜散占主導地位。一般的，鑒相頻率高低的交界大約為100kHz～200kHz?？梢圆捎孟铝写胧﹣硖岣邔﹄s散抑制：(1)盡量避免或少用混頻器，(2)在混頻器處加金屬隔離，(3)良好的接地。