孫家星，杜起飛，孫越強(qiáng)，劉 成

（1.中國科學(xué)院大學(xué) 北京100049；2.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心，北京100190）

基于PE3236芯片的鎖相環(huán)頻率合成電路研究

孫家星1，杜起飛2，孫越強(qiáng)2，劉 成2

（1.中國科學(xué)院大學(xué) 北京100049；2.中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心，北京100190）

本文提出了一種應(yīng)用于L波段的鎖相頻率合成電路的設(shè)計方案。給出了基于PE3236芯片的鎖相環(huán)電路設(shè)計方案。通過仿真驗證和實驗結(jié)果重點論述鎖相環(huán)環(huán)路帶寬與環(huán)路輸出相位噪聲和環(huán)路捕獲時間之間的關(guān)系。實驗結(jié)果表明，該方案可以被應(yīng)用于導(dǎo)航接收機(jī)射頻前端，該頻率合成器電路性能穩(wěn)定，滿足實際應(yīng)用需求。

鎖相環(huán)；頻率合成器；環(huán)路帶寬；相位噪聲；捕獲時間

在通信系統(tǒng)中[1]，產(chǎn)生可變的本振頻率的方法有倍頻、直接數(shù)字頻率合成和鎖相環(huán)技術(shù)。其中，倍頻方法雜散較大，諧波難以抑制。直接數(shù)字頻率合成器件工作頻率較低且功耗較大，而鎖相環(huán)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出頻率頻譜純度高和頻率范圍寬等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、宇宙航行和遙控遙測等技術(shù)領(lǐng)域，是現(xiàn)階段主流的頻率合成技術(shù)。而采用鎖相環(huán)技術(shù)的頻率合成電路主要技術(shù)指標(biāo)[2]是環(huán)路輸出相位噪聲和環(huán)路捕獲時間，它直接影響到整個通信系統(tǒng)的性能。因此本文設(shè)計了應(yīng)用于L波段的鎖相頻率合成電路，通過前期的仿真分析和電路實測結(jié)果，驗證了環(huán)路帶寬對環(huán)路輸出相位噪聲和環(huán)路捕獲時間的關(guān)系。

1 設(shè)計方案

1.1 設(shè)計性能指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計需要，鎖相環(huán)的性能在指標(biāo)要求是：

1）頻率：1～2 GHz。2）功率：12±1 dBm。

3）單邊帶相位噪聲：≤-70dBc@100Hz。

4）捕獲時間：≤10 ms。

1.2 方案設(shè)計

根據(jù)指標(biāo)設(shè)計需求，同時該設(shè)計對電路的體積和功耗有較高的要求。選用方案是由具有鑒相和分頻功能的PE3236芯片，同時外接有源二階低通濾波器[3]，選用符合L波段的VCO模塊。這樣可以使鎖相環(huán)的輸出頻率具有較低的相位噪聲，同時可以很方便調(diào)節(jié)有源二階低通濾波器參數(shù)，方便環(huán)路帶寬[4]的選擇。方案圖如圖1所示。

當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時，鎖相環(huán)環(huán)路帶寬為：

系統(tǒng)阻尼系數(shù)為：

圖1 方案框圖

式中：Kd為鑒相靈敏度；Kv為壓控振蕩器靈敏度；N為分頻比；R1、R2、C1、C2分別為環(huán)路濾波器參數(shù)值。ε為系統(tǒng)阻尼系數(shù)。

采用有源二階環(huán)路低通濾波器[5]，可以使截止頻率不隨負(fù)載而變化，同時穩(wěn)定性相比于無源低通濾波器更好，二階環(huán)路低通濾波器相位裕度最好，并且穩(wěn)定性高。同時考慮到環(huán)路輸出頻帶較寬，壓控振蕩器的輸入電壓超過鑒相器輸出電壓，則采用有源電路可以實現(xiàn)直流電壓放大。

1.3 相噪分析

相位噪聲[6]是鎖相頻率合成器最重要的指標(biāo)之一，它是指鎖相環(huán)系統(tǒng)在各種噪聲作用下輸出頻率短期穩(wěn)定度的表征。通常相位噪聲在頻率域進(jìn)行分析，通過單邊帶噪聲功率譜密度進(jìn)行描述。

鎖相環(huán)系統(tǒng)相位噪聲來源[7]包括參考源、鑒相器、壓控振蕩器、分頻器。由于外部引入的噪聲無法估算，所以著重分析環(huán)路內(nèi)部器件對相位噪聲的影響。為準(zhǔn)確評估相位噪聲性能，建立鎖相環(huán)的相位噪聲模型[8]。如下圖所示。其中，參考源、鑒相器、壓控振蕩器、分頻器引入的噪聲分別用Sref、Spd、Svco、Sn。環(huán)路總輸出噪聲用Stot。

因此，在環(huán)路帶寬內(nèi)，環(huán)路對參考源、鑒相器、環(huán)路濾波器和分頻器所產(chǎn)生的噪聲抑制不大，而對壓控振蕩器產(chǎn)生的噪聲抑制作用明顯[10]。環(huán)路帶寬外則相反。在進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)環(huán)路實際情況合理選擇環(huán)路帶寬[11]。

1.4 捕獲時間

環(huán)路由起始失鎖狀態(tài)到達(dá)鎖定狀態(tài)所需要的時間為環(huán)路捕獲時間。

式中：Δω為環(huán)路通過頻率牽引有能力自行鎖定的最大起始頻差，通常稱之為捕捉帶。

因此，如果要提高捕獲性能，可以通過增大環(huán)路帶寬。從而減小捕獲時間。而加大環(huán)路帶寬，將會使環(huán)路輸出相位噪聲增大。因此實際設(shè)計時，要折衷選取環(huán)路參數(shù)。

2 仿真分析與實測結(jié)果

2.1 仿真分析

利用仿真軟件ADS，通過建立鎖相環(huán)頻率合成器電路模型，對環(huán)路帶寬與相位噪聲和捕獲時間之間的關(guān)系進(jìn)行仿真驗證。

2.1.1 環(huán)路帶寬與相位噪聲的關(guān)系

通過環(huán)路帶寬公式，采用控制變量法，改變環(huán)路帶寬參數(shù)，觀察相位噪聲的變化。

通過修改有源低通濾波器參數(shù)，分別設(shè)置環(huán)路帶寬為100 kHz、50 kHz、10 kHz，觀察環(huán)路輸出相位噪聲的變化。

圖2 相位噪聲仿真圖

對比3個圖中得出結(jié)論：當(dāng)環(huán)路帶寬與環(huán)路輸出相位噪聲的大小密切相關(guān)。環(huán)路帶寬取值過大或者過小對于輸出總噪聲抑制性能均不好，每個環(huán)路都存在一個最佳環(huán)路帶寬，使得環(huán)路輸出相位噪聲功率最小[12]。

2.1.2 環(huán)路帶寬與捕獲時間的關(guān)系

通過環(huán)路帶寬公式，采用控制變量法，改變環(huán)路帶寬參數(shù)，觀察捕獲時間的變化。

通過修改有源低通濾波器參數(shù)，分別設(shè)置環(huán)路帶寬為100 kHz、50 kHz、10 kHz，觀察環(huán)路捕獲時間的差別。

圖3 環(huán)路帶寬100 khz、50 kHz、10 kHz環(huán)路輸出相位噪聲

圖4 捕獲時間仿真圖

圖5 環(huán)路帶寬100 kHz、50 kHz、10 kHz環(huán)路捕獲時間

對比3個圖中得出結(jié)論：環(huán)路帶寬越大，捕獲時間越短，捕獲性能越好；環(huán)路帶寬越小，系統(tǒng)捕獲時間越長，捕獲性能越差。因此選擇合適的環(huán)路帶寬不僅對于環(huán)路輸出相位噪聲和環(huán)路捕獲時間有影響。因此選擇最佳環(huán)路帶寬，選擇中間值較為理想[13]。

2.2 實測結(jié)果

2.2.1 輸出相位噪聲的測試

分別設(shè)置環(huán)路帶寬為100 kHz、50 kHz和10 kHz的情況下，對環(huán)路輸出頻率在1.5 GHz的相位噪聲測試的結(jié)果。

表1 相位噪聲實測結(jié)果

由以上分析知，環(huán)路帶寬在100 kHz時，在有用信號周圍的噪聲相對較弱，而在其他情況下有用信號周圍噪聲較強(qiáng)。另外，當(dāng)環(huán)路帶寬取值越小，曲線在帶外存在“凸起”現(xiàn)象，這是因為此時帶外噪聲主要為高通型VCO噪聲[14]。當(dāng)環(huán)路帶寬越寬時，相位噪聲相比于其他兩種環(huán)路帶寬，更加平滑呈現(xiàn)單調(diào)遞減趨勢，說明該環(huán)路頻率穩(wěn)定性更好。

2.2.2 捕獲時間的測試

分別設(shè)置環(huán)路帶寬為100 kHz、50 kHz和10 kHz的情況下，對環(huán)路在1.5 GHz輸出頻率捕獲時間測試的結(jié)果。

以下實驗固定環(huán)路帶寬分別為100 kHz、50 kHz和10 kHz時，鎖相環(huán)路捕獲時間對比圖。1通道和2通道分別代表PD_D和PD_U輸出信號，3通道為觸發(fā)電平，保證捕獲時間從環(huán)路上電開始，4通道為環(huán)路鎖定指示，當(dāng)環(huán)路被鎖定，環(huán)路鎖定指示點為為高電平。

圖6 1.5GHz環(huán)路輸出頻率相位噪聲實測

圖7 1.5GHz環(huán)路捕獲時間實測

從圖中看出，環(huán)路上電之初，環(huán)路的瞬態(tài)特性的過沖很大，這是因為阻尼系數(shù)選值較小的結(jié)果[15]。之后，鑒相輸出端的差分信號處在變化狀態(tài)，這個階段被稱之為頻率牽引。在經(jīng)過一段時間的頻率牽引后，環(huán)路誤差電壓穩(wěn)定在0附近，表明環(huán)路已經(jīng)被鎖定在輸入頻率上。環(huán)路捕獲時間為起始失鎖狀態(tài)到達(dá)鎖定狀態(tài)所需要的時間。

表2 環(huán)路捕獲時間實測結(jié)果

由以上分析，在其他系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置相同情況下，環(huán)路帶寬對環(huán)路捕獲時間有一定的影響。環(huán)路帶寬越大，捕獲時間短，捕獲性能就越強(qiáng)。

2.3 實驗結(jié)論

通過仿真分析和實測結(jié)果可以得出：選擇合適的環(huán)路帶寬對鎖相環(huán)頻率合成器至關(guān)重要。通常在設(shè)計環(huán)路時，應(yīng)同時考慮相位噪聲和捕獲時間，選取最佳環(huán)路帶寬，使得環(huán)路達(dá)到捕獲性能強(qiáng)并且相位噪聲小，滿足設(shè)計技術(shù)指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語

通過設(shè)計方案和仿真分析再到實驗結(jié)果可以看出，采用PE3236芯片實現(xiàn)了L波段鎖相環(huán)頻率合成器小型化、低功耗的設(shè)計并且達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，同時完成了對環(huán)路輸出相位噪聲和捕獲時間與環(huán)路帶寬的關(guān)系進(jìn)行了研究。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，對頻率合成器技術(shù)指標(biāo)要求更加嚴(yán)格，因此研制高性能指標(biāo)的鎖相環(huán)頻率合成器，將會有更廣闊的前景。

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The research of frequency synthesizer of PLL circuit based on PE3236

SUN Jia-xing1，DU Qi-fei2，SUN Yue-qiang2，LIU Cheng2
（1.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；2.National Science Space Center，Chinese Academy of Science，Beijing 100190，China）

This paper presents a project design application for the L band frequency synthesizer.Also it propose the realized of the PLL circuit is based on PE3236.In order to satisfy the relation between the loop output phase noise，loop lock time andthe PLL loop width.The experiment and application show that this design can be applicative on the front-end satellite receiver navigation， also the frequency synthesizer has good performance，and appropriate for the actual requirement.

phase lock loop；frequency synthesizer；loop width；phase noise；lock time

TP302

：A

：1674－6236（2017）05-0074-05

2016-03-19稿件編號：201603237

孫家星（1992—），男，山東德州人，碩士研究生。研究方向：射頻電路設(shè)計。