ADF4108在寬帶X波段頻率合成器中的應(yīng)用

引言

　　現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)頻率源的精度、分辨率、帶寬、轉(zhuǎn)換時(shí)間及頻譜純度等提出了越來(lái)越高的要求，性能卓越的頻率源均通過(guò)鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，本文所討論的就是基于鎖相環(huán)路的同步原理，由一個(gè)高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定度的參考晶體振蕩器，綜合出大量離散頻率的一種技術(shù)。由于ADF4108芯片的工作帶寬寬(最大帶寬8GHz)、集成度高，因此只需要少量的外圍電路就可以構(gòu)成一個(gè)寬帶、低噪聲、低功耗、高穩(wěn)定度的X波段頻率合成器。該器件適用于高頻無(wú)線系統(tǒng)，如寬帶無(wú)線接入、衛(wèi)星通信、儀器儀表、無(wú)線局域網(wǎng)和無(wú)線射頻基站。ADF4108是較高的PLL頻率合成，該器件可用來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線接收器和發(fā)射系統(tǒng)中的上變頻和下變頻部分的本地振蕩頻率。

　　鎖相環(huán)頻率合成器的基本原理

　　鎖相環(huán)路(PLL)通常由鑒相器(PDF)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)和可變程序分頻器組成。鎖相環(huán)路是一個(gè)相位誤差控制系統(tǒng)，它比較輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)之間的相位差，產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于兩個(gè)信號(hào)相位差的誤差電壓，該電壓經(jīng)處理后調(diào)整壓控振蕩器的頻率(相位)。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，輸入信號(hào)與壓控振蕩器輸出信號(hào)頻差為零，相位差不再隨時(shí)間變化，此時(shí)誤差控制電壓為一固定值，壓控振蕩器輸出頻率與輸入信號(hào)頻率相等。鎖相環(huán)路的這一特點(diǎn)，使它在自動(dòng)頻率控制中得到應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)精確的頻率控制。環(huán)路在鎖定時(shí)要得到一定的控制電壓，則鑒相器必須有一個(gè)非零的輸出，即f0=fr，環(huán)路作用必須有相位差，相位差維持著兩信號(hào)的同步，使輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定。鎖相環(huán)基本原理如圖1所示。

　　可變程序分頻器(N)的作用是使壓控振蕩器的輸出頻率經(jīng)分頻后再與參考頻率進(jìn)行相位比較，從而產(chǎn)生誤差控制電壓，并以誤差控制電壓來(lái)調(diào)整壓控振蕩器的相位。鎖相環(huán)路對(duì)高穩(wěn)定度的參考振蕩器(通常是晶體振蕩器)鎖定，環(huán)路串接可編程的程序分頻器，通過(guò)編程改變程序分頻器的分頻比R、N，從而獲得N/R倍參考頻率的穩(wěn)定輸出。頻率合成器輸出頻率f0與晶體振蕩器參考頻率fr的關(guān)系為:

　　其中，R是固定分頻比，N是程序(可變)分頻比，fr是晶振輸出的參考頻率，f0是頻率合成器的輸出頻率。

　　電路設(shè)計(jì)、噪聲分析及仿真

　　ADF4108主要由一個(gè)低噪聲數(shù)字鑒相器(PDF)、一個(gè)精密電荷泵、一個(gè)可編程參考分頻器、可編程A(6bit)及B(13bit)分頻計(jì)數(shù)器和一個(gè)雙模分頻器(P/P+1)構(gòu)成。在這里，隨模式控制高、低電平的不同，雙模分頻器采用兩個(gè)不同的分頻模數(shù)P+1和P。雙模分頻器的輸出同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)可編程分頻器，他們分別預(yù)置在A和B(A

　　壓控振蕩器輸出的信號(hào)經(jīng)N次分頻后送入鑒相器中作為一路鑒相信號(hào)，參考晶振輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)參考分頻器R次分頻后送到鑒相器中作為另一路鑒相信號(hào)。鑒相器的輸出反映兩路鑒相信號(hào)相位誤差特性的電流序列脈沖，經(jīng)電荷泵的作用輸入到低通濾波器中，低通濾波器將電流轉(zhuǎn)換成VCO的控制電壓，同時(shí)對(duì)噪聲及鑒相輸出的紋波等干擾進(jìn)行抑制，鑒相器內(nèi)部還有一個(gè)可編程延遲單元，用來(lái)控制翻轉(zhuǎn)脈沖的寬度，這個(gè)翻轉(zhuǎn)脈沖保證鑒相器的傳遞函數(shù)沒有死區(qū)，因此，降低了相位噪聲和參考雜散。VCO輸出與其輸入端控制電壓相應(yīng)的工作頻率。

ADF4108最大的特點(diǎn)是工作在高頻，設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)路具有寬帶寬，從而在X波段頻合器中省掉了倍頻器，消除了倍頻器帶來(lái)的諧波、雜波及噪聲干擾(倍頻器對(duì)系統(tǒng)的噪聲惡化公式為：10logN，其中N為倍頻次數(shù)，即每增加一倍頻率就會(huì)帶來(lái)3dB的噪聲)，這樣有利于簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路、提高系統(tǒng)性能及降低系統(tǒng)成本。ADF4108能通過(guò)芯片的數(shù)字串口接口對(duì)A、B、R及P等寄存器進(jìn)行預(yù)置和改變，從而可方便地獲得不同的輸出頻率。其功能框圖如圖2所示。

　　噪聲分析

　　對(duì)于PLL整個(gè)系統(tǒng)而言，其總相位噪聲也是我們關(guān)心的一個(gè)重要問(wèn)題，它和很多因素有關(guān)。

　　頻率合成器的相位噪聲和10logfPDF有關(guān)，對(duì)于每一個(gè)2fPDF頻率而言，其相位噪聲將減小3dB。然而VCO的輸出被分頻，它的相位噪聲符合20logN的規(guī)律(其中N為分頻比，N=BP+A)，因此，對(duì)每一個(gè)N=2值來(lái)說(shuō)，將增加6dB相位噪聲。例如4fPDF頻率，fVCO除以4得到fOUT的輸出。一方面，在4fPDF的頻率下相位噪聲減少6dB;另一方面，因?yàn)閒VCO除以4而增加了12dB的相位噪聲，總的結(jié)果將增加6dB的相位噪聲。

　　衡量PLL整個(gè)系統(tǒng)的相位噪聲，可用下面的表達(dá)式得到，PHTOTAL= PHSYNTH+20logN+10logfPDF，其中PHTOTAL為PLL整個(gè)系統(tǒng)的相位噪聲， PHSYNTH為PLL芯片自身的相位噪聲，20logN是一個(gè)和分頻比N有關(guān)的相位噪聲的增量，10logfPDF是一個(gè)和鑒相器輸入頻率fPDF有關(guān)的相位噪聲的增量。ADF4108在1Hz時(shí)產(chǎn)生-219dBc/Hz相位噪聲，在這里我們可根據(jù)給定的fPDF及PLL的輸出頻率求出PLL整個(gè)系統(tǒng)的相位噪聲PHTOTAL。例如，PLL輸入fVCO頻率為2.2GHz，fPDF為20MHz，則分頻比：N=2200MHz/20MHz=110

　　PHTOTAL=-219+20log110+10log20×106

　　=(-219+41+73)dBc/Hz

　　= -105dBc/Hz

　優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真

　　為了實(shí)現(xiàn)X波段的微波頻率合成器，設(shè)計(jì)時(shí)可以選用鎖相環(huán)芯片ADF4108與外部VCO和環(huán)路濾波器來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于受到芯片頻帶的限制，通常在芯片基礎(chǔ)上需增加一個(gè)固定分頻器，通常稱之為固定前置分頻式單環(huán)頻率合成器，以便降低鎖相環(huán)芯片RFIN的輸入頻率。該方案的具體電路結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

　　本設(shè)計(jì)將采用另外方法即外加混頻器進(jìn)行下混頻方案，該設(shè)計(jì)保證了PLL系統(tǒng)中全相參且不引入前置分頻器的電源噪聲，同時(shí)還降低了的RFIN，稱之為雙環(huán)混頻式鎖相環(huán)頻率合成器，該方案具體電路結(jié)構(gòu)原理如圖4所示(圖4中R為倍頻次數(shù))。

　　ADF4108有一個(gè)簡(jiǎn)單的SPI可兼容串聯(lián)讀寫接口，CLK、DATA和LE可控制數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)LE(latch enable)為高電平時(shí)，在CLK的每個(gè)上升沿，已鎖入輸入內(nèi)存的24 位數(shù)將被送入合適的緩存器。該系統(tǒng)工作速度是納秒級(jí)。這比有幾百微秒的鎖定時(shí)間的典型系統(tǒng)更能滿足要求，從而提高了鎖相環(huán)的鎖定速度。本設(shè)計(jì)采用CPLD進(jìn)行控制，CPLD芯片中XC95288XL最快工作時(shí)間為10ns，并且具有較多的宏單元，可以快速實(shí)現(xiàn)對(duì)ADF4108芯片的串口控制?；祛l器選用成都亞光的HSPK68C，壓控振蕩器選用十三所的HE832K1，輸入采用進(jìn)口的100MHz晶振，其相位噪聲可達(dá)-155dBc/Hz/kHz，100MHz的晶振經(jīng)過(guò)二功分后，一路信號(hào)給梳譜發(fā)生器倍頻使其產(chǎn)生C波段信號(hào)，另外一路送ADF4108作為參考源頻率。該方案的具體電原理圖見圖5。

　使用ADI公司提供的專門針對(duì)4000系列的鎖相環(huán)芯片的仿真軟件ADI SimPLL，可對(duì)ADF4108器件進(jìn)行仿真。該軟件本身提供有多種類型的環(huán)路濾波器，用戶可根據(jù)需要選擇濾波器，本設(shè)計(jì)為了不引入有源器件的電源噪聲，選用三階無(wú)源低通濾波器，輸入所選定的VCO特性參數(shù)，這樣，軟件可自動(dòng)計(jì)算出環(huán)路的各個(gè)參數(shù)以及相位噪聲、鎖定時(shí)間等。圖6 是最終的仿真波形，由圖6 可見該方案設(shè)計(jì)的X波段頻率合成器在10GHz的輸出頻率上相位噪聲只有-105dBc/Hz/kHz，且入鎖時(shí)間只有2.5ms。

　　結(jié)語(yǔ)

　　由ADF4108芯片構(gòu)成的X波段頻率合成器具有電路簡(jiǎn)單、功耗低、工作帶寬大、相位噪聲低及控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，搭配不同的外圍電路就可形成不同頻段的頻率合成器，在無(wú)線通信、電子偵查和雷達(dá)等系統(tǒng)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。