集成鎖相環(huán)頻率合成器LMX2320的原理與應(yīng)用

摘要：介紹了美國(guó)National Semiconductor公司生產(chǎn)的鎖相式頻率合成器LMX2320的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理功能，深入研究了LMX2320的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上給出了一個(gè)基于LMX2320的環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)方案，該方案可較好地滿足工程設(shè)計(jì)中對(duì)相位噪聲的要求。

關(guān)鍵詞：鎖相環(huán) 頻率合成 環(huán)路濾波 LMX2320

1 引言

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司（National Semiconductor）生產(chǎn)的LMX2320是一種高性能的集成鎖相環(huán)頻率合成器芯片，它在一塊很小的芯片內(nèi)集成了鎖相式頻率合成器的多種重要部件，使用時(shí)只需再合理搭配上一、二塊集成電路和少量的外圍電路，即可構(gòu)成一個(gè)完整且可靠性很高的頻率合成器，該芯片設(shè)計(jì)應(yīng)用簡(jiǎn)單靈活，且能減小系統(tǒng)體積。

2 LMX2320的結(jié)構(gòu)及性能

2.1 LMX2320的結(jié)構(gòu)

圖1為L(zhǎng)MX2320的結(jié)構(gòu)功能方框圖，它主要由數(shù)字鑒相器、參考振蕩器、參考分頻器、程序分頻器以及電流開關(guān)電荷泵等電路組成。其主要特性如下：

●工作頻率高達(dá)2.0GHz；

●電源電壓范圍為2.7～5.5V；

●電流消耗典值為10mA；

●具有64/65或128/129可選的雙模前置分頻器；

●內(nèi)含平衡式、低泄漏電荷泵；

●具有節(jié)能工作模式。在Vcc=3V時(shí)，電流消耗典型值為30μA；

●采用20腳TSSOP封裝。

2.2 LMX2320的引腳說明

LMX2320芯片各引腳的功能說明如下（括號(hào)內(nèi)的數(shù)字為引腳號(hào)）：

OSCin(1)、OSCout（3）：參考振蕩器的輸入端、輸出端，其中輸入端具有Vcc/2的輸入門限，由外部CMOS門或TTL門來驅(qū)動(dòng)，也可用作外部提供的參考振蕩器緩沖器；

Vp(4)：電荷泵的工作電壓輸入端，其輸入電壓必須大于Vcc；

Vcc(5)：電源電壓輸入端，范圍為-0.3V～+6.5V。電源濾波的旁路電容應(yīng)盡可能靠近該腳，并直接連接到地；

Do(6)：內(nèi)部電荷泵輸出端，可通過環(huán)路濾波來控制外部VCO；

GND（7）：地；

LD（8）：鎖定檢測(cè)輸出端，當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，該腳輸出高電平并有窄的負(fù)脈沖；

Fin(10)：前置分頻器輸入端，小信號(hào)輸入；

CLK（11）：高阻CMOS時(shí)鐘輸入端，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿進(jìn)入各計(jì)數(shù)器和寄存器；

DATA（13）：高阻COMS二進(jìn)制串行數(shù)據(jù)輸入端，數(shù)據(jù)傳輸順序?yàn)椋焊呶辉谇暗臀辉诤螅?/p>

LE（14）：使能輸入端，當(dāng)LE端變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，移位寄存器中的數(shù)據(jù)將送到相應(yīng)的閉鎖。LE電平由高到低或由低到高變化時(shí)，CLK端必須保持在低電平（見圖2所示的時(shí)序圖）；

FC（15）：相位選擇控制端，低電平時(shí)鑒相器和電荷泵的極性反轉(zhuǎn)；

BISW（16）：模擬開關(guān)輸出端，當(dāng)LE為高電平時(shí)，模擬開關(guān)接通，此時(shí)，內(nèi)部電荷泵的輸出信號(hào)才可經(jīng)BISW端送出（不影響Do端信號(hào)）；

Fout(17)：鑒相器輸入信號(hào)的監(jiān)控端，CMOS輸出；

Φp(18)、φr(20)：鑒相器的輸出端，用作外部電荷泵的輸入，其中φp是一N溝道晶體管的漏極開路輸出，使用時(shí)需接一上拉電阻，φr為CMOS輸出；

PWDN（19）：節(jié)能控制輸入端，高電平時(shí)為正常模式，低電平是為節(jié)能模式；

NC（2、9、12）：懸空不連；

圖2給出了CLK、DATA和LE端的控制信號(hào)時(shí)序。

3 典型應(yīng)用

以LMX2320為核心，選擇適當(dāng)?shù)耐獠縑CO，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的環(huán)路濾波器，即可構(gòu)成低噪聲、低功耗、高穩(wěn)定度的頻率合成器。圖3是某通信信號(hào)模擬器中的一個(gè)頻率合成器組的應(yīng)用實(shí)例。該頻率合成器的輸出頻率范圍較寬，為760MHz～940MHz，頻率間隔為25kHz，如選用20MHz的外部高精度恒溫晶振作參考振蕩器，則參考分頻比為800，環(huán)路總分頻比為30400～37600。該雙模前置分頻器工作于64/65模式，可用微機(jī)并口對(duì)其進(jìn)行控制。LMX2320內(nèi)部的電荷泵輸出誤差電壓經(jīng)濾波后的可作為控制電壓來驅(qū)動(dòng)壓控振蕩器JTOS1205。

4 環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)

在通信中，頻率合成器無(wú)論是用作發(fā)射機(jī)的激勵(lì)信號(hào)源，或者接收機(jī)的本地振蕩信號(hào)源，還是單獨(dú)作為無(wú)線電測(cè)量設(shè)備中的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器時(shí)，都應(yīng)保證很低的相位噪聲，否則通信質(zhì)量就無(wú)從談起。因此必須根據(jù)指標(biāo)要求選擇高性能的頻率合成器芯片和低噪聲的VCO以及設(shè)計(jì)濾波特性良好的環(huán)路濾波器。環(huán)路濾波器的作用是抑制鑒相器輸出電壓中的載頻分量和高頻噪聲，降低由VCO控制電壓的不純而引起的寄存器輸出。由于各種雜散干擾信號(hào)在環(huán)路中所影響的位置不同，因此所表現(xiàn)的噪聲特性也有所不同，這樣在設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器時(shí)就需要具體分析干擾來源，合理選擇濾波器參數(shù)，以獲得最佳的濾波性能。LMX2320推薦使用二階或高階無(wú)源低通濾波器，圖4為三階低通濾波器的電路圖。由于無(wú)源環(huán)路濾波器所能提供的調(diào)試電壓動(dòng)態(tài)范圍不夠大，而在圖3所示的應(yīng)用實(shí)例中的頻率合成器的帶寬要求較高，以及VCO的控制電壓范圍較大，因此在設(shè)計(jì)中對(duì)三階無(wú)源濾波器做了一點(diǎn)改動(dòng)，即增加了一級(jí)運(yùn)算放大器來適應(yīng)VCO控制電壓的要求。