低相位噪聲寬頻帶鎖相頻率源的設(shè)計(jì)
摘要:頻率合成器是一種高性能的信號(hào)發(fā)生器,本文描述了作者設(shè)計(jì)的低相位噪聲寬頻帶的信號(hào)發(fā)生器,并選擇性的分析了一下相位噪聲,解釋了降低鎖相環(huán)相位噪聲的∑-△技術(shù)。
關(guān)鍵詞:鎖相環(huán);相位噪聲;cx72300;∑-△技術(shù)
引言
頻率源是現(xiàn)代射頻和微波電子系統(tǒng)的心臟,其性能直接影響整個(gè)電子系統(tǒng)。隨著無線電技術(shù)的發(fā)展,人們提出了各種各樣的頻率源的設(shè)計(jì)方案。大的來分,分兩類:自激振蕩源和合成頻率源。常見的自激振蕩源有晶體振蕩器、腔體振蕩器、介質(zhì)振蕩器、壓控振蕩器等,雖然這些振蕩源在相位噪聲,頻率范圍,頻率穩(wěn)定度等技術(shù)指標(biāo)上,有著這樣那樣的缺點(diǎn),但它們是第二類高質(zhì)量合成頻率源的基礎(chǔ)和依據(jù)。第二類-合成頻率源,按合成方案來分主要分為三種:直接模擬式合成、鎖相式合成和直接數(shù)字式合成。這些方法方案各有優(yōu)缺點(diǎn),但是互相結(jié)合,基本上滿足了現(xiàn)在各種性能要求的頻率源。
設(shè)計(jì)概述
鎖相式頻率源具有輸出頻率高,頻率穩(wěn)定度高、頻譜純、寄生雜波小及相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。本方案就是利用小數(shù)分頻的鎖相環(huán),來實(shí)現(xiàn)一個(gè)寬頻帶低噪聲的頻率合成器,實(shí)現(xiàn)0~1GHz的低噪聲正弦波信號(hào)。
0~1GHz的信號(hào),相對(duì)帶寬很寬,直接用鎖相環(huán)是沒法實(shí)現(xiàn)的,從壓控振蕩器的原理來講,就根本找不到這樣的一款壓控振蕩器。但是,結(jié)合直接模擬合成器原理,就可以找到這樣一個(gè)巧妙方案。該方案可以分成四個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)。如下圖所示。2~3GHz信號(hào)的產(chǎn)生模塊,本振信號(hào)(2GHz)的產(chǎn)生模塊,混頻模塊和控制模塊。
通過上面的圖,可以看出,通過兩個(gè)鎖相環(huán)路產(chǎn)生了兩個(gè)高分辨率,低相位噪聲,同相對(duì)頻率穩(wěn)定度的頻率信號(hào),然后,通過混頻濾波來實(shí)現(xiàn)0~1GHz的低噪聲信號(hào)。
該設(shè)計(jì)方案種有三個(gè)注意事項(xiàng):
第一,為什么剛才說“同相對(duì)頻率穩(wěn)定度的頻率信號(hào)”?在剛才的信號(hào)框圖中,必須注意,兩個(gè)產(chǎn)生信號(hào)的鎖相環(huán)的輸入?yún)⒖碱l率必須來自一個(gè)晶振,這樣把兩個(gè)信號(hào)源和混頻器連在一起看,就相當(dāng)于一個(gè)大的鎖相環(huán),它的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的相對(duì)頻率穩(wěn)定度是一樣的,這樣,只要選擇一個(gè)溫度補(bǔ)償型高穩(wěn)定度的參考晶振,那么,最后得到的輸出信號(hào)的相對(duì)頻率穩(wěn)定度這個(gè)指標(biāo)是很不錯(cuò)的。
第二,為什么要選擇2~3GHz與2GHz來差頻?其實(shí),選擇3~4GHz與3GHz來差頻,或4~5GHz與4GHz來差頻,都可以,但是絕對(duì)不能2GHz以下。這個(gè)我們要分析一下,混頻后輸出的信號(hào),而且這些信號(hào)是通過濾波來選取0~1GHz這個(gè)頻段的信號(hào)的,其實(shí),2GHz是一個(gè)最低的頻率,設(shè)計(jì)濾波器幾乎無法實(shí)現(xiàn)。設(shè)上面的兩個(gè)PLL的輸出信號(hào)分別為f1=2.1~3.1GHz,f2=2.1GHz,并且都是正弦波,根據(jù)混頻器原理,從頻域來看,將產(chǎn)生一系列的頻率:fout=mf1nf2,具體輸出的頻率有:
f1-f2=0~1GHz
f1+f2=4.2~5.2GHz
2f2-f1=1.1~2.1GHz
2f1-f2=2.1~4.1GHz
f1=2.1~3.1GHz
f2=2.1GHz
…
這樣,在頻譜上,所需的信號(hào)就被分離出來了,采用濾波器就可以選擇出有用的信號(hào)了0~1GHz的信號(hào)了。
第三,抑制小數(shù)分頻器相位噪聲的∑-△技術(shù)
隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,出現(xiàn)了小數(shù)分頻技術(shù)。利用小數(shù)分頻的PLL頻率合成技術(shù),解決了單環(huán)數(shù)字頻率合成器中高的鑒相頻率和低的頻率間隔之間的矛盾,但這種直接的小數(shù)分頻技術(shù)卻帶來了嚴(yán)重的小數(shù)雜散,引起了相位噪聲的惡化。為了解決這個(gè)矛盾,以前通常采用模擬相位內(nèi)插的方法來抑制相位噪聲和寄生信號(hào),但是這種抑制的效果很有限,這種模擬的方案很難達(dá)到1%抑制效果,很不理想。后來,人們提出了一種純粹數(shù)字的方案,這就是∑-△調(diào)制技術(shù)?!疲髡{(diào)制技術(shù)主要由取樣、噪聲整形和數(shù)字濾波三個(gè)部分組成,實(shí)現(xiàn)了抑制小數(shù)N分頻帶來的噪聲,而小的頻率分辨率主要依賴電路的速度。
∑-△調(diào)制技術(shù)的原理:對(duì)信號(hào)進(jìn)行取樣后,噪聲的功率譜幅度降低,并通過一個(gè)對(duì)輸入呈低通濾波、對(duì)量化噪聲呈高通濾波的噪聲整型器,將量化噪聲的絕大部分移到信號(hào)的頻帶之外,而采用取樣移出的噪聲不會(huì)與信號(hào)頻譜疊加,從而通過簡(jiǎn)單的濾波有效的抑制。
這個(gè)技術(shù)對(duì)于抑制小數(shù)分頻器產(chǎn)生的噪聲效果很好,本設(shè)計(jì)中選用的芯片CX72300就是采用這項(xiàng)技術(shù)的集成鎖相環(huán)芯片。
鎖相環(huán)相位噪聲簡(jiǎn)單分析
鎖相環(huán)路的噪聲來源主要有兩類:一類是與信號(hào)一起進(jìn)入環(huán)路的,如輸入噪聲和諧波,另一類是環(huán)路的部件產(chǎn)生的。鎖相環(huán)電路的組成部件都會(huì)不同程度的引入相位噪聲。具體說來,影響因素有:N分頻器引起的噪聲,鑒相器的噪聲(與鑒相頻率有關(guān)),鎖相環(huán)的噪聲基低和熱噪聲,電荷泵的噪聲,壓控振蕩器的噪聲,以及環(huán)路濾波器中電阻引起的噪聲等,其中壓控振蕩器是內(nèi)部噪聲的主要來源。計(jì)算相位噪聲的數(shù)學(xué)模型中考慮的因素越多,該模型越精確,但計(jì)算就越復(fù)雜。關(guān)于這一部分的論述很多,也很詳細(xì),我只簡(jiǎn)單的說一下,以下與設(shè)計(jì)關(guān)系比較大的幾個(gè)影響,以便指導(dǎo)該設(shè)計(jì)。
與信號(hào)一起進(jìn)入環(huán)路的輸入噪聲和諧波,PLL環(huán)路對(duì)其起到了一個(gè)低通濾波的作用,主要參數(shù)是等效噪聲帶寬(BL)。壓控振蕩器也是噪聲的一個(gè)主要來源,PLL環(huán)路對(duì)VCO引入的噪聲起到了高通濾波的作用。
要考慮鎖相環(huán)芯片的噪聲基底,這是選擇鎖相環(huán)芯片的一個(gè)參考因素。N分頻器也會(huì)影響環(huán)路內(nèi)的相位噪聲,相位噪聲隨著N的變化,可以視為20lgN放大作用。電荷泵鑒相器的工作頻率也會(huì)影響PLL輸出相位噪聲,可以用10Lg(Fcomp)來描述。
具體模塊的實(shí)現(xiàn)
1.2~3GHz信號(hào)的產(chǎn)生模塊
該模塊采用加拿大的Skyworks公司生產(chǎn)的單片集成鎖相環(huán)路芯片CX72300來實(shí)現(xiàn),它的特點(diǎn)是小頻率間隔(可小于100Hz,由于它18位的小數(shù)分頻)、低相位噪聲(可達(dá)-90dbc/Hz,由于它使用了∑-△技術(shù))和寬頻帶,外接環(huán)路濾波器和VCO可構(gòu)成高性能寬頻帶鎖相頻率合成器。這些主要得益于18位的∑-△技術(shù)下的小數(shù)數(shù)字式低噪聲分頻器。CX72300合成器有一頻率功率控制電路,在頻率變化太快或太慢時(shí),能幫助環(huán)路濾波器管理壓控振蕩器,可以加快環(huán)路捕獲時(shí)間。
此外,壓控振蕩器選用中國(guó)電子集團(tuán)十三研究所的HE486B,它采用硅超突變結(jié)變?nèi)莨苷{(diào)諧,頻帶寬,可以達(dá)2~3GHz;利用硅雙極管振蕩,相位噪聲低,典型值為-95dBc/Hz。
濾波器采用三階無源低通濾波器,濾波器設(shè)計(jì)主要有考慮負(fù)反饋所涉及的穩(wěn)定問題,也就是常常說的相位裕度,但是其它的因素諸如濾波效果、噪聲和鎖定時(shí)間也要考慮進(jìn)去。這種用于電荷泵鎖相環(huán)的濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是固定的,見下面ADF4113三階無源低通濾波器。
設(shè)計(jì)的參考頻率是16MHz,參考分頻比從132開始(2112MHz),到195(3120MHz),小數(shù)位取最大位(保證頻率間隔盡可能?。Mㄟ^單片機(jī),輸入對(duì)應(yīng)的控制字,那么基于cx72300的PLL就可以輸出對(duì)應(yīng)的頻率。
2.本振信號(hào)的產(chǎn)生模塊(2GHz)
本設(shè)計(jì)采用了使用Analog器件公司提供的鎖相環(huán)芯片ADF4113,它的最大輸出頻率為4GHz,噪聲性能很好(PN1Hz為-217)。為了降低相位噪聲,淘汰了原來的芯片ADF4360-2,雖然這款芯片內(nèi)置VCO,可以讓整個(gè)這一模塊的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單很多,但是,它內(nèi)置的VCO噪聲性能不好,而且VCO是噪聲的一個(gè)重要來源。所以,為了整體相位噪聲性能,改用ADF4113,VCO從新挑選。
另外,如上面所說,參考頻率共用CX72300的參考頻率,以降低相位噪聲。
環(huán)路濾波器的仍選擇三階無源低通濾波器,具體各個(gè)電容電阻大小使用公司網(wǎng)站上提供的仿真軟件ADISimPLL來確定,這樣就省了計(jì)算濾波器的元件參數(shù),相當(dāng)方便。具體如下:
3.混頻器使用LinearTechnology凌特公司的有源雙平衡混頻器LT5512,它的RF,IF,LO工作頻帶寬(0.1~3GHz),相互的隔離度高,含有使能引腳可以開關(guān)芯片。輸出的信號(hào)用合適的低通濾波器,把0~1GHz的信號(hào)和其它高頻信號(hào)分開,就可以得到想要頻率。需要注意的是該器件在本例中工作頻率很高,所有涉及高頻的器件必須使用貼片的,本設(shè)計(jì)中的涉及高頻的電容電阻電感都使用0805封裝。其他模塊的電路也一樣。
4.控制電路使用了愛特梅爾(Atmel)公司的芯片AT89S51,它是Atmel公司的一款新推出的高性價(jià)比的芯片,功能相當(dāng)完備,內(nèi)含4K的Flash,不用擴(kuò)展ROM,可以直接燒寫程序使用。通過編寫程序,讓單片機(jī)的I/O口輸出兩組控制字,分別控制CX72300和ADF4113輸出頻率各自的頻率。而且,AT89S51單片機(jī)可以在線修改程序,這樣,需要那個(gè)頻率,可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)修改對(duì)應(yīng)的輸入控制字,即可得到想要的頻率,當(dāng)然,這一部分將來也可做成一個(gè)鍵盤,實(shí)現(xiàn)人機(jī)會(huì)話。在試驗(yàn)階段,我的程序讓它自動(dòng)的輸出一系列的頻點(diǎn),而且,在每個(gè)頻點(diǎn)保持一定的時(shí)間,以便觀察輸出信號(hào)。
結(jié)束語(yǔ)
通過對(duì)PLL頻率合成器的深入研究,結(jié)合使用了直接模擬式頻率合成方案,本文給出了一種低噪聲寬頻帶的高性能的頻率合成器。它的輸出頻率0~1GHz,包括了絕大多數(shù)電子設(shè)備的頻率,因此,它將作為一款多用表的頻率基準(zhǔn)。
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【4】張冠百,鎖相與頻率合成技術(shù),電子工業(yè)出版社,1989
作者簡(jiǎn)介:
溫國(guó)誼(1981-),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)殒i相環(huán)在頻率源上的應(yīng)用。
王家禮(1942-),男,教授,博導(dǎo),主要從事微波電路研究。
評(píng)論