低噪聲12 GHz微波小數(shù)N分頻鎖相環(huán)的設(shè)計

電路功能與優(yōu)勢

該電路是低噪聲微波小數(shù)N分頻PLL的完整實現(xiàn)方案，以 ADF4156 作為核心的小數(shù)N分頻PLL器件。使用 ADF5001 外部預(yù)分頻器將PLL頻率范圍擴展至18 GHz。采用具有適當(dāng)偏置和濾波的超低噪聲 OP184 運算放大器驅(qū)動微波VCO，在12 GHz下可實現(xiàn)完全低噪聲PLL，經(jīng)測量積分相位噪聲為0.35 ps rms。該功能通常用于產(chǎn)生本振頻率(LO)，適用于微波點對點系統(tǒng)、測試與測量設(shè)備、汽車?yán)走_(dá)等應(yīng)用和軍事應(yīng)用。

圖1. 低噪聲微波小數(shù)N分頻PLL（簡化示意圖：未顯示去耦和所有連接）

電路描述

圖1顯示的是電路的框圖。該電路選擇了Synergy Microwave 公司的12 GHz VCO DXO11751220-5 ，當(dāng)然，只要環(huán)路濾波器經(jīng)過適當(dāng)重新設(shè)計，4 GHz至18 GHz范圍內(nèi)的任何VCO都可使用。與大多數(shù)微波VCO一樣，Synergy VCO具有0.5 V至15 V的寬輸入調(diào)諧范圍，這要求在低電壓ADF4156電荷泵（最大輸出為5.5 V）與VCO輸入間采用有源PLL環(huán)路濾波器。OP184由于噪聲性能佳，且具有軌到軌輸入/輸出，被選為該有源環(huán)路濾波器的運算放大器。運算放大器輸出噪聲將饋通至RF輸出，并通過有源濾波器響應(yīng)整形，因此噪聲低。軌到軌輸入操作也是PLL有源濾波器的重要考慮因素，因為可使用單運算放大器電源。這是因為電荷泵輸出(CPOUT)在上電時將以0 V啟動，對不具有軌到軌輸入電壓范圍的運算放大器可能造成問題。這也使得運算放大器的同相輸入可偏置到高于地電壓，且對電阻不匹配或溫度變化引起的任何偏置電壓變化內(nèi)置余量。建議將偏置電平大約設(shè)置為電荷泵電源(VP)的一半，既滿足輸入電壓范圍要求又留有充足余量，并獲得最佳的電荷泵雜散性能。本電路筆記采用VP = 5 V進行測量，運算放大器共模偏置電壓= 2.2 V。為了將基準(zhǔn)噪聲饋通降至最小，在同相運算放大器輸入引腳附近放置1μF的大去耦電容，如圖1所示。該電容和47 kΩ的電阻形成截止頻率低于10 Hz的RC濾波器。

環(huán)路濾波器設(shè)計

該電路選擇的是前置濾波的反相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。建議采用前置濾波，從而避免來自電荷泵的極短電流脈沖過驅(qū)放大器——這可能會限制輸入電壓的壓擺率。使用反相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，必須確保PLL IC允許PFD極性反轉(zhuǎn)，從而抵消運算放大器的反相，以正確的極性驅(qū)動VCO。ADF4156 PLL便具有這一PD極性選項。

設(shè)置和測量

表1給出了該電路的設(shè)置，圖2中顯示的是測量結(jié)果與ADIsimPLL預(yù)測仿真性能的對比，可以看出結(jié)果非常吻合。測量的積分相位噪聲為0.35 ps rms。測量設(shè)置如圖3所示。

表1. 測試測量設(shè)置

該電路或任何高速電路的性能都高度依賴于適當(dāng)?shù)腜CB布局，包括但不限于電源旁路、受控阻抗線路（如需要）、元件布局、信號布線以及電源層和接地層。

圖2. 12 GHz PLL的測量性能與仿真相位噪聲性能對比


圖3. 測量電路

常見變化

ADIsimPLL內(nèi)有幾種采用反相或同相運算放大器配置的有源環(huán)路濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？稍贏DIsimPLL分析相位噪聲的取舍。反向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可讓輸出電壓低至運算放大器最小輸出電壓，對OP184而言可低至125 mV。相比之下，同相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出電壓僅限于最小電荷泵電壓(0.5 V)與同相增益之積。