鎖相環(huán)(PLL)頻率生成電路廣泛用于多個(gè)行業(yè)和應(yīng)用中，包括基本的 FM 廣播頻段接收器、數(shù)字通信、航空航天、儀器儀表、雷達(dá)和電子戰(zhàn)。鎖相環(huán)用于生成從小于 1MHz 到數(shù)十 GHz 及以上的射頻(RF)和中頻(IF)信號(hào)。應(yīng)用要求變化很大，鎖相環(huán)設(shè)計(jì)和優(yōu)化需要權(quán)衡考量功耗、相位噪聲、頻率調(diào)諧范圍、頻率分辨率和鎖定時(shí)間等參數(shù)。

設(shè)計(jì)過(guò)程中必須權(quán)衡考量頻率范圍與相位噪聲性能，這一點(diǎn)很重要，如果處理不當(dāng)，常常會(huì)導(dǎo)致性能下降。寬帶壓控振蕩器(VCO)以犧牲出色的相位噪聲性能為代價(jià)，提供較寬的頻率范圍。相比之下，窄帶VCO 以犧牲可達(dá)到的調(diào)諧范圍為代價(jià)，提供更好的相位噪聲。可以將多個(gè)窄帶 VCO 多路復(fù)用，以實(shí)現(xiàn)更寬的調(diào)諧范圍，但這通常不切實(shí)際——需要復(fù)雜的外部電路將電源切換給單個(gè) VCO，并選擇適當(dāng)?shù)?RF輸出。

圖 1 所示的電路包含一個(gè)集成式四頻 VCO，由四個(gè)集成在單個(gè)封裝中的窄帶 VCO 組成（下文簡(jiǎn)稱該電路為CN0568）。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于：它保留了窄帶 VCO 出色的相位噪聲，同時(shí)還提供較寬的工作頻率范圍。VCO 頻段通過(guò)板載多路復(fù)用器電路進(jìn)行切換，該電路根據(jù)主機(jī)編程設(shè)置的頻率從四個(gè) VCO 中選擇。

圖 1. CN0568 功能框圖

這種切換電路經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以提供快速 VCO 頻段切換，減少了從最低頻段到最高頻段的總鎖定時(shí)間。對(duì)于需要在寬頻率范圍內(nèi)保持快速切換時(shí)間的應(yīng)用，例如快速跳頻，這是有利的。

對(duì)于需要高精度的相位再現(xiàn)的波束成形等應(yīng)用，PLL內(nèi)置的相位再同步和相位調(diào)整功能都非常有用。該電路兼容 Arduino 尺寸平臺(tái)板，可以堆疊多個(gè)板，共用同一個(gè)數(shù)字接口。

電路描述

PLL 合成器

本電路選擇 ADF41513 用作 PLL 頻率合成器，它具有 1GHz 至 26.5GHz 寬工作頻率范圍，涵蓋 3 種四頻 VCO 的整個(gè)頻率范圍。在小數(shù)模式下，∑-Δ 調(diào)制器提供 sub-Hz 頻率分辨率。ADF41513 還具有超低本底噪聲性能，在整數(shù)模式下為-235 dBc/Hz，在小數(shù)模式下為-231 dBc/Hz，以實(shí)現(xiàn)出色的相位噪聲性能。

基準(zhǔn)輸入

EVAL-CN0568-ARDxZ 可以進(jìn)行配置，支持來(lái)自REFIN SMA 連接器的外部基準(zhǔn)頻率，或用于板載超低相位噪聲 100MHz 晶體振蕩器。具有 82fs 低抖動(dòng)和-90 dBC/Hz 近載波相位噪聲。默認(rèn)情況下，該板配置采用板載晶體振蕩器選項(xiàng)；通過(guò)移除 R8，并在 R28 中插入一個(gè) 0 ? 電阻來(lái)選擇外部輸入。對(duì)于需要 100MHz 基準(zhǔn)電壓源的用例，推薦使用板載基準(zhǔn)電壓源。

環(huán)路濾波器

由于 ADF41513 PLL 的電荷泵的工作電壓為 0 至3.3v，這 3 種四頻 VCO 需要 1.0V 至 13.5V 調(diào)諧電壓，因此需要具有增益的有源環(huán)路濾波器電路。環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在每個(gè) VCO 頻段的頻率范圍內(nèi)盡可能提高穩(wěn)定性，環(huán)路帶寬約為 100kHz，相位裕量為 50°。當(dāng)所選的 VCO 頻段內(nèi)的調(diào)諧靈敏度（頻率與調(diào)諧電壓斜率）發(fā)生變化時(shí)，環(huán)路濾波器帶寬根據(jù)工作頻率也會(huì)略微變化。環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)用于使用 100 MHz 基準(zhǔn)頻率，如果需要使用其他基準(zhǔn)頻率，則需要重新設(shè)計(jì)。ADISimPLL 工具可用于確定合適的環(huán)路濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并使用仿真模型計(jì)算所需帶寬和相位裕量等必要的元件值。

采用五階環(huán)路濾波器拓?fù)洌且驗(yàn)樗哂懈叩膸鉂L降，以及更出色的 Σ-Δ 調(diào)制器噪聲和雜散衰減性能。環(huán)路濾波器中選擇使用的運(yùn)算放大器是 ADA4625 ，它具有低噪聲性能，可以使用軌到軌電源。圖 2 顯示使用的環(huán)路濾波器配置的示意圖。圖3 顯示板載環(huán)路濾波器的尺寸。

圖 2. 環(huán)路濾波器原理圖

圖 3. 環(huán)路濾波器尺寸

電壓控制振蕩器

HMC8074/HMC8362/HMC8364 四頻 VCO 每個(gè)都由 4 個(gè)獨(dú)立的窄帶 VCO 內(nèi)核組成，這些內(nèi)核集成在單個(gè) LFCSP 封裝中。為對(duì)應(yīng)的內(nèi)核提供 5v 電源電壓，如此可以選擇每個(gè)內(nèi)核。在任何給定時(shí)間內(nèi)，只能啟用一個(gè)內(nèi)核，以確保輸出緩沖放大器不被過(guò)驅(qū)動(dòng)。因?yàn)槊總€(gè)內(nèi)部 VCO 內(nèi)核的窄帶性能，這些四頻 VCO 具有寬帶 VCO 的頻率范圍，同時(shí)保持了出色的相位噪聲性能。

在給定器件版本的所有 4 個(gè)頻段內(nèi)，VCO 調(diào)諧曲線保持一致，因此可以使用單個(gè)環(huán)路濾波器來(lái)調(diào)節(jié)所有頻段。這些四頻 VCO還為功率敏感型應(yīng)用提供 75mA 的低電流消耗（典型值），包括緩沖放大器。這三種四頻 VCO 版本覆蓋 8.3GHz 至 26.6GHz 的頻率范圍。每個(gè)四頻VCO 的頻率范圍如下：

HMC8074：8.3 GHz至15.2 GHz

HMC8362：11.9 GHz至18.3 GHz

HMC8364：18.1 GHz至26.6 GHz

圖 4. 四頻 VCO 版本的頻率范圍

雖然 HMC8364 能夠使用 ADF41513 的最大頻率26.5GHz，但 EVAL-CN0568-ARDxZ 的工作頻率范圍限制在 24GHz。詳細(xì)說(shuō)明參見(jiàn) 頻率靈敏度 部分。

RF 分路器

寬帶寬(1.8-28GHz)、1:2 RF 分路器將 VCO 輸出拆分，分別輸出到 CN0568 RF 輸出端口和 PLL RF 反饋路徑。選擇這種分路器的主要原因在于，它具有2GHz 至 26.5GHz 寬工作帶寬范圍。這意味著，分頻器可以在所有三種四頻 VCO 的頻率范圍內(nèi)使用。EP2K1+還具有 2.5W 高功率處理能力，尺寸小巧，為 4x4mm。

圖 5. RF 分路器簡(jiǎn)化原理圖

插入損耗在分路器的頻率范圍內(nèi)變化，從 2GHz 時(shí)的 0.8dB（典型值）到 26.5GHz 時(shí)的 2.4dB。這個(gè)插入損耗必須加入到分路器的 3dB 損耗中，以提供在某個(gè)頻率下，信號(hào)通過(guò)分路器遭受的總損耗。在HMC8364 版本電路板更高的工作頻率下，因?yàn)锳DF41513 的 RF 輸入靈敏度隨著頻率的增加而增加，插入損耗會(huì)影響鎖定。詳細(xì)說(shuō)明參見(jiàn)頻率靈敏度部分。

相位再同步

當(dāng)鎖定到所需頻率時(shí)，相位可以建立至相對(duì)于基準(zhǔn)頻率的任何一個(gè)相位偏移。ADF41513 具有相位再同步功能，對(duì)于給定的 RFOUT 頻率，從基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的相位偏移。在相位關(guān)鍵型應(yīng)用中，例如波束成形，這是一個(gè)重要功能。

在第一次使能相位再同步后，用戶在操作頻率上選擇相位偏移。如果改變頻率，然后又變回原來(lái)的頻率，則保持原來(lái)的相位偏移。當(dāng)相位再同步使能時(shí)，內(nèi)部定時(shí)器以下式所給出的間隔 tSYNC產(chǎn)生同步信號(hào)：

CLK1 和 CLK2 是 ADF41513 寄存器位域，在應(yīng)用軟件中編程設(shè)置。在編程設(shè)置時(shí)，必須使 tSYNC大于PLL 最壞情況下的鎖定時(shí)間，以確保在 PLL 建立瞬態(tài)的最后一個(gè)周跳發(fā)生相位再同步。注意，如果使用相位再同步，即使在整數(shù)模式下運(yùn)行，也必須使能Σ-Δ調(diào)制器。

相位調(diào)整

可以使用相位值位域（在 CN-0568 應(yīng)用軟件中編程設(shè)置），按任何給定頻率手動(dòng)增加相位。可以使用以下公式生成相位偏移：

然后，相位會(huì)在每次向 ADF41513 的寄存器0寫入時(shí)，按相位偏移量增加。在相位再同步模式下也是一樣，必須使能∑-?調(diào)制器來(lái)執(zhí)行相位調(diào)整，即使是在整數(shù)模式下運(yùn)行。

頻率靈敏度

ADF41513 的最大輸入頻率為 26.5 GHz， HMC8364 四頻 VCO 版本稍高一些，為 26.6 GHz。但是，當(dāng)頻率接近 24GHz 時(shí)，有許多因素（如本節(jié)所述）會(huì)影響性能并導(dǎo)致環(huán)路不能鎖定。因此，指定該電路的最大工作頻率為僅 24 GHz。在室溫下使用時(shí)，指定工作頻率為 24GHz。但是，如果溫度升高，最大工作頻率可能會(huì)降低。

影響鎖定的第一個(gè)因素是，HMC8364 VCO 輸出功率會(huì)在頻段 4 的頻率增加時(shí)降低。具體參見(jiàn)圖6 所示。

圖 6. HMC8364 輸出功率與頻段 4 中整個(gè)溫度范圍下的調(diào)諧電壓的關(guān)系

這種輸出功率降低對(duì)電路的整體功率損耗有很大影響。在 23.9 GHz 到 26.6 GHz 范圍內(nèi)，輸出功率下降了 6 dB。

RF功率分路器插入損耗也隨著頻率的增加而增加。在更高的工作頻率下，這可以產(chǎn)生高達(dá) 1dB 的額外損耗，導(dǎo)致反饋環(huán)路的總損耗增加。

此外，ADF41513 的 RFIN 頻率靈敏度隨著工作頻率的增加而增加。工作頻率高于 24 GHz 時(shí)，這種靈敏度變得更加重要，因?yàn)槭苤疤岬降臅?huì)導(dǎo)致?lián)p耗的其他因素影響，會(huì)更難以達(dá)到所需的輸出功率。RF 反饋路線可以重新設(shè)計(jì)，以便在較窄的頻率范圍內(nèi)，在較高的頻率下實(shí)現(xiàn)更低的插入損耗。但是，該電路的目標(biāo)之一是演示所有三種四頻 VCO 在最寬頻率范圍內(nèi)的性能。另一種增加反饋信號(hào)功率的技術(shù)是：在反饋環(huán)路中添加一個(gè)放大器。請(qǐng)參見(jiàn)常見(jiàn)變化章節(jié)了解詳細(xì)信息。

控制電路

使用控制電路，根據(jù)應(yīng)用軟件中所選的頻率來(lái)選擇不同的 VCO 頻段。GPIO 信號(hào)從 SDP-K1 Arduino連接器路由，以根據(jù)所需頻率選擇頻段。對(duì)自定義固件執(zhí)行寫入，以傳輸這些 GPIO 控制邏輯信號(hào)，具體參見(jiàn) CN0568 產(chǎn)品頁(yè)面。參見(jiàn) Circuit 電路評(píng)估和測(cè)試章節(jié)，了解有關(guān)加載自定義固件的詳細(xì)信息。

壓控振蕩器頻段選擇電路的主要組件之一是 ADG1604 4:1 多路復(fù)用器。這將來(lái)自 LT3045 穩(wěn)壓器的+5v 電源電壓通過(guò)多路復(fù)用器的 4 個(gè)開關(guān)中的一個(gè)饋送至對(duì)應(yīng)的 VCO 頻段電源。在控制電路中使用多路復(fù)用器可以確保一次只啟用一個(gè) VCO 內(nèi)核，避免對(duì) VCO 器件造成損壞。所有控制信號(hào)都包括濾波電感和電容，以衰減可能發(fā)生的噪聲和干擾。圖 7 所示為控制電路的簡(jiǎn)化框圖，用于進(jìn)行說(shuō)明。（包含控制電路的電路板完整原理圖在 CN0568 設(shè)計(jì)支持包中。）

圖 7. VCO 頻段選擇，包含多路復(fù)用器

VCO 集成式輸出緩沖器通過(guò)單刀雙擲(SPDT)開關(guān)進(jìn)行開關(guān)，該開關(guān)通過(guò)另一個(gè) SDP-K1 GPIO 信號(hào)進(jìn)行管控。默認(rèn)情況下，該信號(hào)在應(yīng)用軟件建立連接后保持高電平。

頻率更新序列

ADF41513 上的頻率控制寄存器受到雙重緩沖。這意味著，要改變 RF 輸出頻率，必須執(zhí)行兩個(gè)事件。首先，必須根據(jù)所需的新頻率更新頻率控制字寄存器。然后，對(duì)寄存器 0 執(zhí)行寫操作，以開始頻率變化。每次在應(yīng)用軟件前面板上更新頻率，會(huì)對(duì)總共4 個(gè)寄存器進(jìn)行寫入，包括寄存器 0 寫入。這些寄存器必須按以下順序?qū)懭耄杭拇嫫?6，寄存器 3，寄存器 1，然后是寄存器 0。

當(dāng)使用不同 VCO 頻段的頻率更新到當(dāng)前頻率時(shí)，GPIO控制信號(hào)在寄存器寫入后更新，如圖8所示。

圖 8. 頻率更新序列

在寄存器 0 更新約 600ns 后，GPIO 更新。轉(zhuǎn)換時(shí)間是變化的 GPIO 地址位和進(jìn)行多路復(fù)用的對(duì)應(yīng)輸出開關(guān)之間的延遲時(shí)間。ADG1604 4:1 多路復(fù)用器的典型轉(zhuǎn)換時(shí)間為 150ns。

電源調(diào)節(jié)

EVAL-CN0568-ARDxZ 由兩個(gè)外部電源供電，它們連接至板載 SMA 連接器。+25v 提供給 V+SMA，6v 提供給 J1。ADF41513 電源根據(jù) EV-ADF41513SDxZ 評(píng)估板上的默認(rèn)電源分組進(jìn)行分組。通過(guò)組合更多電源引腳來(lái)減少穩(wěn)壓器的數(shù)量，可能會(huì)在輸出頻譜中產(chǎn)生不必要的雜散。

提供給 J1 的+6v 電源為四個(gè)板載 LT3045 LDO 穩(wěn)壓器提供輸入電壓。選擇 LT3045 穩(wěn)壓器的原因在于它具有出色的低噪聲性能和 500mA 輸出電流能力。這些穩(wěn)壓器為所有的+3.3V ADF41513 電源，以及四頻 VCO 和晶體振蕩器基準(zhǔn)電壓源的+5v 電源供電。通過(guò)在 SET 引腳上相應(yīng)設(shè)置 RSET電阻，以配置每個(gè)穩(wěn)壓器的輸出電壓。參見(jiàn) LT3045 數(shù)據(jù)手冊(cè)獲取更多詳細(xì)信息。

通過(guò) V+SMA，從外部電源將+25v 電源直接提供給有源環(huán)路濾波器電源。在供電路徑中包括解耦電容，以減少干擾供電的外部噪聲。

常見(jiàn)變化

為了補(bǔ)償 HMC8364 四頻 VCO 版本在高于 24GHz時(shí)的輸出功率降低，可以在 RFOUT 信號(hào)之后增加一個(gè)放大器。放大后的信號(hào)可以作為 ADF41513 RFIN 端口的反饋信號(hào)，以增大工作頻率范圍，最大頻率為 26.5GHz。在圖 9 中，相位噪聲結(jié)果匯聚起來(lái)，將 HMC962 LNA 連接至 RFOUT 端口。為了比較，然后將其與不帶LNA 的默認(rèn)配置進(jìn)行重疊。

圖 9. RFOUT 上連接和不連接 HMC962 時(shí)的相位噪聲比較

如圖 9 所示，輸出中包含 HMC962 時(shí)，相位噪聲不會(huì)降低。在 24 GHz 時(shí)，放大器的增益約為 12.5 dB。在這種情況下，放大器的輸入功率電平為-7.4 dBm。在輸出端，測(cè)量到的功率電平為 5.23 dBm。這是一個(gè)非常合適的功率電平，因?yàn)樗?ADF41513 的24GHz 頻率下的最大和最小靈敏度范圍內(nèi)。有關(guān)ADF41513靈敏度水平的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)數(shù)據(jù)手冊(cè)。

電路評(píng)估與測(cè)試

EVAL-CN0568-ARDxZ 板通過(guò)運(yùn)行 CN0568 特定固件的 SDP-K1 控制板連接至主機(jī)。也可使用其他兼容 Arduino 的 3.3v 邏輯接口板，但需要進(jìn)行固件開發(fā)。在首次連接時(shí)，演示軟件裝置中的自定義固件文件會(huì)加載到 SDP-K1 控制器板中。這通過(guò)將軟件包中包含的十六進(jìn)制文件復(fù)制到 SDP-K1 驅(qū)動(dòng)器位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

設(shè)備要求

EVAL-CN0568-ARDxZ 評(píng)估板

EVAL-SDP-CK1Z 控制器板

運(yùn)行 windows 7 或更高版本的 PC/筆記本電腦

頻譜分析儀或相位噪聲分析儀，具有合適的測(cè)量頻率范圍

2 × 香蕉插頭，連接至 SMA 電源線

1 × 50 ? RF/微波電纜，帶 2.92mm 連接器

雙電源，提供+25v 和+6v 輸出電壓

步驟

本節(jié)介紹設(shè)置 EVAL-CN0568-ARDxZ 任意版本，以在 RFOUT 端口上輸出頻率的一般步驟。關(guān)于詳細(xì)說(shuō)明，請(qǐng)參見(jiàn) EVAL-CN0568-ARDxZ 用戶指南。

將 EVAL-CN0568-ARDxZ 安裝到 SDP-K1控制器板上。

通過(guò) USB 電纜，將主機(jī) PC/筆記本電腦連接至 SDP-K1 接口板。

將+6v（限流值 = 200mA）連接至 J1，+25v（限流值= 20mA）連接至 V+SMA。

將 50 ? RF 電纜連接至頻譜/相位噪聲分析儀。

確保電源已關(guān)閉。如圖 10 所示設(shè)置評(píng)估板。

接通兩個(gè)電源

打開 CN0568 軟件，選擇正確的版本。然后按“連接”按鈕，啟動(dòng)該器件。

選擇工作頻率范圍內(nèi)的頻率，然后選擇“更新頻率”。

所選的頻率將在頻譜分析儀上顯示。

圖 10. 測(cè)試設(shè)置

結(jié)果

使用 HMC8362 四個(gè)頻段的中心頻率獲取相位噪聲結(jié)果圖。圖 11 顯示重疊后的相位噪聲圖。

圖 11. EVAL-CN0568-ARD2Z 相位噪聲

測(cè)試結(jié)果是使用默認(rèn)的板載環(huán)路濾波器配置（100kHz 環(huán)路帶寬）在室溫下獲得的。表 1 中還顯示 EVAL-CN0568-ARD2Z 的電路的測(cè)量鎖定時(shí)間。

表 1. EVAL-CN0568-ARD2Z 測(cè)量鎖定時(shí)間

對(duì)于這些測(cè)量的鎖定時(shí)間，鎖定標(biāo)準(zhǔn)是頻率已達(dá)到+/- 10kHz 停止頻率，且隨后沒(méi)有偏離該閾值。ADISimPLL 用于驗(yàn)證預(yù)期得到的模擬鎖定時(shí)間，該時(shí)間與這些測(cè)量值非常接近。

審核編輯：劉清