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        基于ADF4356 和HMC703 的寬帶低相噪頻率合成器的設(shè)計(jì)

        2023-07-29 12:05:14張寧宋淼趙金鵬
        電子制作 2023年13期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)設(shè)計(jì)

        張寧,宋淼,趙金鵬

        (中電科思儀科技股份有限公司,山東青島,266555)

        0 引言

        頻率合成器是信號(hào)發(fā)生和分析電路中最重要的組成之一,用于信號(hào)發(fā)生電路中的信號(hào)產(chǎn)生以及信號(hào)分析電路中的本振信號(hào)產(chǎn)生,直接決定了整機(jī)和系統(tǒng)的性能指標(biāo)。目前主要有三種主流的頻率合成技術(shù):直接頻率合成技術(shù)、直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)和鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)。直接頻率合成技術(shù)是通過(guò)倍頻器、分頻器、混頻器對(duì)頻率進(jìn)行加、減、乘、除運(yùn)算,得到各種所需頻率,優(yōu)點(diǎn)是頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短,缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜;直接數(shù)字頻率合成頻率分辨率高,頻率切換時(shí)間短,但受限于器件的發(fā)展,很難做到高頻率的信號(hào)輸出;鎖相頻率合成技術(shù)是基于鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)的頻率合成技術(shù),具有頻率穩(wěn)定度高、相位噪聲低,易于集成等突出特點(diǎn),特別是隨著集成鎖相芯片的發(fā)展,采用集成鎖相芯片就可以方便的實(shí)現(xiàn)寬帶低相噪的頻率合成器,目前應(yīng)用范圍很多。

        1 設(shè)計(jì)要求與實(shí)現(xiàn)方案

        1.1 設(shè)計(jì)要求

        頻率范圍:60MHz-6000MHz

        相位噪聲:≤-128dBc/Hz(60MHz-500MHz)

        ≤-108dBc/Hz(500MHz-6GHz)

        頻率分辨率:1kHz

        頻率切換時(shí)間:≤300μs

        ■1.2 實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)介

        本項(xiàng)目采用集成單環(huán)鎖相方案,具有鎖相速度快,體積小,成本低等特點(diǎn),如圖1 所示,主要由參考分頻器、鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和反饋分頻器組成。電路中將VCO 的N 分頻信號(hào)與參考信號(hào)的R 分頻信號(hào)鑒相,通過(guò)鑒相器輸出與兩種信號(hào)相位移成正比的誤差信號(hào),環(huán)路濾波器將相位誤差轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),送至VCO 輸入端調(diào)諧VCO的輸出頻率,當(dāng)兩鑒相信號(hào)頻率相同時(shí),環(huán)路鎖定。

        圖1 單環(huán)鎖相環(huán)路簡(jiǎn)介

        2 實(shí)現(xiàn)方案選擇

        ■2.1 采用具有集成VCO 的寬帶頻率合成器ADF4356

        ADF4356 是ADI 公司生產(chǎn)的具有集成VCO 的頻率合成器,VCO的基礎(chǔ)頻率為3400MHz~6800MHz,芯片內(nèi)部可通過(guò)1,2,4,8,16,32,64 分頻,實(shí)現(xiàn)53.125MHz~6800MHz 寬頻率范圍輸出。

        從頻率范圍來(lái)看,完全滿足項(xiàng)目指標(biāo)要求,ADF4356內(nèi)部集成了52 位的小數(shù)調(diào)制器,理論頻率分辨率為fPD/252,在本設(shè)計(jì)中,鑒相頻率為50MHz,對(duì)應(yīng)頻率分辨率可達(dá)μHz 級(jí),滿足設(shè)計(jì)要求。下面再對(duì)相位噪聲指標(biāo)進(jìn)行分析,鎖相環(huán)的噪聲來(lái)源主要有三個(gè),分別為參考信號(hào)噪聲、鑒相器噪聲以及VCO 引入的噪聲。在環(huán)路帶寬內(nèi),鎖相環(huán)的相位噪聲主要取決于參考和鑒相器噪聲,環(huán)路帶寬外主要取決于VCO 自身的噪聲。ADF4356 為多段式VCO,具有比較好的相位噪聲指標(biāo),在3.4GHz 輸出,1MHz 頻偏下具有-137dBc/Hz 的相位噪聲指標(biāo)。在本設(shè)計(jì)中環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)為100kHz,指標(biāo)要求的10kHz 的相位噪聲為帶內(nèi)相噪,主要取決于參考和鑒相器噪聲,外部輸入的參考信號(hào)噪聲指標(biāo)相對(duì)比較好,因此環(huán)路帶寬內(nèi)的相位噪聲主要取決于鑒相器的噪聲,如以下公式所示。

        ADF4356 在小數(shù)模式下的基底噪聲Floor FOM為-225dBc/Hz,fPD為鑒相頻率,N 為分頻比,N=fVCO/fPD,從公式中可以看出,分頻比N 對(duì)相位噪聲的惡化程度是鑒相頻率2 倍,因此,盡量選用比較小的分頻比N,比較大的鑒相頻率,有利于減少鎖相環(huán)輸出信號(hào)相位噪聲的惡化,實(shí)現(xiàn)更好的相位噪聲指標(biāo)。

        下面分別計(jì)算該實(shí)現(xiàn)方式下輸出頻率在60MHz、500MHz、6GHz 的相位噪聲指標(biāo)。

        (1)60MHz 相位噪聲

        ADF4356 輸出60MHz 信號(hào),需要VCO 鎖定輸出3840MHz 信號(hào),然后再進(jìn)行64 分頻,得到60MHz 的信號(hào)輸出。鑒相頻率選用50MHz,分頻比N 為3840/50=76.8

        (2)500MHz 相位噪聲

        ADF4356 輸出50MHz 信號(hào),需要VCO 鎖定輸出4000MHz 信號(hào),然后再進(jìn)行8 分頻,得到500MHz 的信號(hào)輸出,鑒相頻率選用50MHz,分頻比N 為4000/50=80。

        (3)6000MHz 相位噪聲

        6000MHz 在ADF4356 VCO 的基礎(chǔ)頻率范圍之內(nèi),不需要分頻直接輸出即可,鑒相頻率選用50MHz,分頻比N為6000/50=120,其相位噪聲為:

        從分析來(lái)看,采用該芯片500MHz 相位噪聲指標(biāo)臨界,6000MHz 相位噪聲指標(biāo)不滿足使用要求。

        ■2.2 采用低噪聲頻率合成器HMC703 和ADF4356

        通過(guò)上面的計(jì)算可知,相位噪聲在6GHz 時(shí)難以滿足指標(biāo)需求,因此考慮采用具有超低噪聲的頻率合成器HMC703配合ADF4356 進(jìn)行鎖相環(huán)設(shè)計(jì),ADF4356 只用其VCO 功能,HMC703 來(lái)實(shí)現(xiàn)鑒相功能。HMC703 具有優(yōu)異的相位噪聲和雜散性能,在小數(shù)模式下,可實(shí)現(xiàn)-230dBc/Hz 的基底噪聲,比ADF4356 好5dB 左右,能夠?qū)崿F(xiàn)DC-8000MHz 的射頻輸入頻率范圍,該芯片具有很高的集成度,內(nèi)部集成了整數(shù)分頻器和24 位小數(shù)調(diào)制器以及鑒相器和電荷泵電路等。HMC703 內(nèi)部除了有普通的電荷泵電流源,還有一個(gè)噪聲性能更好的額外電流源HIKCP,可以改善鎖相環(huán)的相位噪聲性能,本項(xiàng)目應(yīng)用在這種HIK 模式下,來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的相位噪聲指標(biāo),值得注意的是,HIK 模式只適合用于有源環(huán)路濾波器,無(wú)法用于無(wú)源環(huán)路濾波器。HMC703 在頻率小于4GHz 時(shí),小數(shù)模式下N 分頻比最小為20;頻率大于4GHz時(shí),N 分頻比最小為40,需要據(jù)此進(jìn)行合適的鑒相頻率選擇,在滿足要求的情況下盡量選用比較高的鑒相頻率,來(lái)獲得更好的相位噪聲指標(biāo)。

        由于HMC703 內(nèi)部集成了24 位的小數(shù)調(diào)制器,因此在50MHz 鑒相情況下,理論頻率分辨率為50MHz/224=2.98Hz,滿足本項(xiàng)目的需求。

        下面計(jì)算ADF4356 只用做VCO,配合低相噪頻率合成器HMC703 實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)路時(shí),輸出頻率在60MHz、500MHz、6GHz 能夠?qū)崿F(xiàn)的相位噪聲指標(biāo)。

        (1)60MHz 相位噪聲

        因?yàn)樵谛?shù)模式下,HMC703 的N 分頻比最小為20,所以60MHz 輸出時(shí),最大的鑒相頻率為,因?yàn)楸卷?xiàng)目參考頻率為100MHz,因此采用2.5MHz 鑒相,R 分頻為40 分頻,N 分頻比為24。此時(shí)60MHz 的相位噪聲為:

        (2)500MHz 相位噪聲

        N 分頻比最小為20,因此鑒相頻率為500/20=25MHz

        (3)6000MHz 相位噪聲

        在此輸出頻率下,可以采用和ADF4356 鎖相方式一樣的鑒相頻率,為50MHz,分頻比N 為6000/50=120,此時(shí)6000MHz 相位噪聲為:

        ■2.3 實(shí)際選用方案

        從以上的分析來(lái)看,只采用ADF4356 實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)設(shè)計(jì)時(shí),500MHz 相位噪聲指標(biāo)臨界,6000MHz 相位噪聲指標(biāo)不滿足使用要求;當(dāng)采用ADF4356 為VCO、HMC703 鑒相來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)設(shè)計(jì)時(shí),均滿足設(shè)計(jì)要求,但60MHz 相位噪聲指標(biāo)沒有采用ADF4356 鎖相時(shí)好,如表1 所示。因此考慮采用ADF4356 鎖相和HMC703 鎖相兩種方式相結(jié)合的方案,頻率在500MHz 以下采用ADF4356 方式鎖相,500MHz 以上采用HMC703 鑒相、ADF4356 用作VCO 的方式鎖相,最終實(shí)現(xiàn)60MHz-6000MHz 的全頻率范圍內(nèi)的頻率覆蓋,實(shí)現(xiàn)框圖如圖2 所示,外部環(huán)路濾波器前有一個(gè)二選一開關(guān),輸出頻率為500MHz 以下時(shí)連通ADF4356 鑒相后輸出的信號(hào),輸出頻率為500MHz~6000MHz 時(shí)連通HMC703 鑒相后輸出的信號(hào),濾波后的調(diào)諧電壓用來(lái)調(diào)諧ADF4356 內(nèi)的VCO。

        表1 不同鎖相方式下相位噪聲指標(biāo)

        圖2 HMC703+ADF4356 鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)框圖

        3 設(shè)計(jì)應(yīng)用

        ■3.1 ADF4356VCO 參數(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)及寄存器配置

        本項(xiàng)目中,ADF4356 既要完成500MHz 以下的鎖相環(huán)功能,又要作為VCO,配合HMC703 完成500MHz~6GHz的鎖相環(huán)功能。ADF4356 的CLK、DATA 和LE 為控制數(shù)據(jù)傳輸接口,時(shí)鐘信號(hào)頻率最大50MHz,內(nèi)部有R0-R13 寄存器,可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行相應(yīng)的配置。ADF4356 為多段式VCO,由4 個(gè)獨(dú)立的VCO CORE 組成,每個(gè)VCO CORE又由256 個(gè)BAND 組成,每個(gè)BAND 又都具備各自的偏置(BIAS CODE),它的優(yōu)勢(shì)在于可以覆蓋比較寬的頻率范圍,并且具有非常優(yōu)異的相位噪聲指標(biāo),ADF4356 在1MHz 頻偏的相位噪聲指標(biāo)典型值優(yōu)于-130dBc/Hz,缺點(diǎn)在于每段VCO 的高低端及不同VCO 頻段之間調(diào)諧靈敏度存在一定差異,給環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)及頻率切換時(shí)間的實(shí)現(xiàn)會(huì)帶來(lái)較大的難度,因此需要對(duì)多段VCO 的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行提前校準(zhǔn),來(lái)實(shí)現(xiàn)更快的頻率切換時(shí)間。

        ADF4356 可以根據(jù)配置的參數(shù),鑒相信號(hào)及分頻信號(hào),自動(dòng)校準(zhǔn)合適的VCO CORE,BAND 以及BIAS CODE。默認(rèn)情況下,ADF4356 自動(dòng)校準(zhǔn)功能是使能的,此種方式需要較長(zhǎng)的鎖相時(shí)間。為了能夠提高鎖相速度,需要對(duì)ADF4356 進(jìn)行校準(zhǔn),將各個(gè)輸出頻率對(duì)應(yīng)的CORE,BAND以及BIAS CODE 等信息保存在存儲(chǔ)器中,需要時(shí)直接加載,以極大的提高鎖相速度。每一片ADF4356 的VCO 參數(shù)都有所不同,可以采用以下步驟獲取當(dāng)前選用的ADF4356 芯片的VCO CORE,BAND 以及BIAS CODE 等信息。

        (1)按照實(shí)際需要配置初始化ADF4356 相關(guān)寄存器,確保以下配置:

        R10 寄存器的DB[28:26]=0b001,VCO read 設(shè)置為VCO core and band;

        R7 寄存器的DB[14:12]=0b110,VCO readback 設(shè)置為 VCO calibration complet

        R4 寄存器的DB[29:27]=0b111,MUXOUT 設(shè)置為VCO readback

        R0 寄存器的DB21=1;AUTOCAL 設(shè)置為使能

        (2)設(shè)置第一個(gè)頻率點(diǎn),等待頻點(diǎn)鎖定(可等待10ms),MUXOUT 輸出為高;

        (3)R7 寄存器的DB[14:12]=0b111,VCO readback設(shè)置為 VCO readback

        (4)按照如圖5 所示的時(shí)序進(jìn)行SPI 讀寫數(shù)據(jù),保存VCO core and band 信息。

        (5)設(shè)置R10 寄存器的DB[28:26]=0b011,VCO read 設(shè)置為 VCO bias code。

        (6)按照如圖3 所示的時(shí)序進(jìn)行SPI 讀寫數(shù)據(jù),保存VCO bias code信息。

        圖3 ADF4356 VCO 自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)序

        (7)再次設(shè)置R10寄存器的DB[28:26]=0b001;VCO read 設(shè)置為 VCO core and band。

        (8)返回步驟2,進(jìn)行下一個(gè)頻率點(diǎn)的設(shè)置,直至校準(zhǔn)至6800MHz,校準(zhǔn)完畢,形成查找表校準(zhǔn)文件。

        當(dāng)實(shí)際應(yīng)用時(shí),需要當(dāng)前輸出什么頻率,直接查找校準(zhǔn)文件,設(shè)置相應(yīng)的值即可,可極大的提高頻率切換時(shí)間指標(biāo)。

        ■3.2 環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)

        本項(xiàng)目選用的HMC703,采用HIK 模式鎖相來(lái)提高相位噪聲指標(biāo),因此環(huán)路濾波器采用有源環(huán)路濾波器,相對(duì)無(wú)源環(huán)路濾波器,也可有效提高頻率切換時(shí)間。同時(shí)為了提高PLL 輸出信號(hào)的相位噪聲性能,本項(xiàng)目選取了TI 公司的低噪聲運(yùn)算放大器OPA209,該放大器具有超低的電壓噪聲,低至,該運(yùn)算放大器支持單電源供電。環(huán)路濾波器可以使用ADI 公司的ADIsimPLL 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),該軟件是ADI 公司設(shè)計(jì)的專門服務(wù)于鎖相環(huán)設(shè)計(jì)的仿真軟件,該軟件的庫(kù)涵蓋了ADI 公司的大部分PLL、VCO 和運(yùn)算放大器等,可以仿真PLL 頻率合成器的許多關(guān)鍵的性能參數(shù),比如鎖定時(shí)間、相位噪聲等。圖4 給出了基于HMC703 的小數(shù)分頻PLL 電路仿真原理圖,其中環(huán)路濾波器形式采用四階有源環(huán)路濾波器,環(huán)路濾波器帶寬為100kHz,相位裕度為45 度。從仿真可知,環(huán)路帶寬越大,鎖定時(shí)間越短,反之,鎖定時(shí)間越長(zhǎng);相位裕度越小,鎖定時(shí)間越短,反之,鎖定時(shí)間越長(zhǎng)。但是,這并不意味著環(huán)路帶寬越大越好,相位裕度越小越好,因?yàn)檫@些指標(biāo)對(duì)于小數(shù)分頻PLL 的雜散性能、相位噪聲性能、穩(wěn)定度等都有很大的影響,相位裕度太小會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。因?yàn)楸卷?xiàng)目要求的輸出頻率從60MHz~6000MHz,頻率覆蓋范圍比較寬,同時(shí)在不同的輸出頻率采用不同的鎖相方案,500MHz 以下采用ADF4356集成鎖相,500MHz~6000MHz 采用ADF4356 和HMC703進(jìn)行鎖相,在不同的鎖相方式下以及在相同鎖相方式但不同的頻率輸出情況下,環(huán)路濾波器的參數(shù)會(huì)有所不同,因此項(xiàng)目設(shè)計(jì)了多段環(huán)路濾波器參數(shù),采用開關(guān)選擇的方式進(jìn)行切換,在不同的頻率輸出下,采用不用的環(huán)路元器件參數(shù),以保證最后的相位噪聲、雜散等指標(biāo)滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

        圖4 基于HMC703 的小數(shù)分頻鎖相環(huán)路仿真圖

        ■3.3 測(cè)試結(jié)果

        通過(guò)以上的設(shè)計(jì),項(xiàng)目需要實(shí)現(xiàn)的頻率范圍、相位噪聲、頻率分辨率、頻率切換時(shí)間等指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,其中6GHz 的相位噪聲指標(biāo)實(shí)測(cè)值為-110dBc/Hz、頻率切換時(shí)間230μs,與理論設(shè)計(jì)值基本相當(dāng),滿足項(xiàng)目應(yīng)用的需求。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文介紹了一種基于ADF4356 和HMC703 的寬帶低相噪頻率合成器的設(shè)計(jì),并給出了硬件設(shè)計(jì)原理框圖、性能指標(biāo)分析以及設(shè)計(jì)應(yīng)用的具體注意事項(xiàng)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明,采用該電路可實(shí)現(xiàn)寬帶低相噪頻率輸出,具有電路簡(jiǎn)單、性能高、成本低、可靠性高等特點(diǎn),具有很高的使用價(jià)值,已經(jīng)應(yīng)用于某型信號(hào)收發(fā)儀的本振設(shè)計(jì)中,性能指標(biāo)優(yōu)異,該方案還可廣泛應(yīng)用于需要寬帶、低相位噪聲頻率合成器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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