基于MC145152-2芯片的頻率合成器的設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]本文將介紹一種基于MC145152－2芯片的頻率合成器。
1 引 言
頻率合成技術(shù)是現(xiàn)代通信的重要組成部分，它是將一個(gè)高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的基準(zhǔn)頻率經(jīng)過(guò)四則運(yùn)算，產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的任意頻率。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，利用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)研制出了很多頻率合成集成電路。其中，以摩托羅拉公司的MC14515x－2系列較為先進(jìn)，本文將介紹一種基于MC145152－2芯片的頻率合成器。這種鎖相環(huán)頻率合成器的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度與基準(zhǔn)頻率相當(dāng)，不產(chǎn)生額外的誤差。它在移動(dòng)通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
2 MC145152－2芯片的特點(diǎn)及功能
MC145152－2芯片是摩托羅拉公司生產(chǎn)的鎖相環(huán)頻率合成器專(zhuān)用芯片。它是MC145152－1芯片的改進(jìn)型。MC145152－2芯片具有下列主要特征：
（1）它與雙模（P／（P＋1））分頻器同時(shí)使用，有一路雙模分頻控制輸出MC。當(dāng)MC為低電平時(shí)，雙模分頻器用（P＋1）去除；當(dāng)MC為高電平時(shí)，雙模分頻器用模數(shù)P去除。
?。?）它有A計(jì)數(shù)器和N計(jì)數(shù)器兩個(gè)計(jì)數(shù)器。它們與雙模（P／（P＋1））分頻器提供了總分頻值（NP＋A）。其中，A、N計(jì)數(shù)器可預(yù)置。N的取值范圍為3～1023，A的取值范圍為0～63。A計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)期間，MC為低電平；N計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)（N－A）期間，MC為高電平。
?。?）它有一個(gè)參考振蕩器，可外接晶體振蕩器。
?。?）它有一個(gè)R計(jì)數(shù)器，用來(lái)給參考振蕩器分頻，R計(jì)數(shù)器可預(yù)置，R的取值范圍：8，64，128，256，512，1024，1160，2048。
?。?）它有兩路鑒相信號(hào)輸出，其中，ФR、ФV用來(lái)輸出鑒相誤差信號(hào)，LD用來(lái)輸出相位鎖定信號(hào)。
MC145152－2的供電電壓為3．0 V～9．0 V，采用28腳雙列封裝形式。MC145152－2的原理框圖如圖1所示。
MC145152－2的工作原理：參考振蕩器信號(hào)經(jīng)R分頻器分頻后形成fR信號(hào)。壓控振蕩器信號(hào)經(jīng)雙模（P／（P＋1））分頻器分頻，再經(jīng)A、N計(jì)數(shù)器分頻器后形成fV信號(hào)，fV＝fVCO／（NP＋A）。fR信號(hào)和fV信號(hào)在鑒相器中鑒相，輸出的誤差信號(hào)（ΦR、ΦV）經(jīng)低通濾波器形成直流信號(hào)，直流信號(hào)再去控制壓控振蕩器的頻率。
當(dāng)整個(gè)環(huán)路鎖定后，fV＝fR且同相，fVCO＝（NP＋A）fV＝（NP＋A）fR，便可產(chǎn)生和基準(zhǔn)頻率同樣穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的任意頻率。
3 1 800 MHz頻率合成器的設(shè)計(jì)〔1〕
3．1 1 800 MHz頻率合成器元件的選取
鎖相環(huán)頻率合成器選用芯片MC145152－2。晶振選用10．24MHz的溫補(bǔ)晶體，它的頻率穩(wěn)定度較高，可達(dá)10－8。低通濾波器選用運(yùn)放芯片MC33171；雙模分頻器選用MC12054A芯片，模數(shù)P＝128，工作頻率為2．0 GHz；壓控振蕩器選用變?nèi)莨茈娬{(diào)諧介質(zhì)振蕩器。
3．2 MC145152-2芯片參數(shù)的設(shè)計(jì)
R的取值范圍＝512，RA2～RA0為100，
N的取值范圍＝703，N9～N0為1010111111，A的取值范圍＝16，A5～A0為010000。
R計(jì)數(shù)器、N計(jì)數(shù)器、A計(jì)數(shù)器可預(yù)置，各管腳接地為邏輯0，懸空為邏輯1。
3．3 1 800 MHz頻率合成器電路的設(shè)計(jì)
1 800 MHz頻率合成器電路圖，如圖2所示。
圖2中，運(yùn)放芯片MC33171構(gòu)成了有源比例積分濾波器，在設(shè)計(jì)時(shí)首先選擇合適的電容C，然后，再根據(jù)ωn、N、Kv、Kd和ξ計(jì)算R1和R2的值。
式（1）和式（2）中，Kv為壓控振蕩器電調(diào)靈敏度（rad／sV）；Kd為比相器靈敏度，Kd＝VDD／2π，VDD是運(yùn)放的工作電壓（VDD＝5 V），Kd單位取V／rad；N為總分頻次數(shù)；ξ為鎖相環(huán)路的阻尼系數(shù)，ξ的合適取值范圍是在0．5～1．0之間，通常選擇最佳起始點(diǎn)ξ＝0．707；ωn為環(huán)路自然諧振角頻率，ωn值的選擇將直接影響環(huán)路濾波特性和捕捉時(shí)間，為了保證環(huán)路對(duì)噪聲有較好的抑制，ωn應(yīng)該遠(yuǎn)小于鑒相頻率ωd，通常可按式（3）選擇
ωn＝ωd／（30～1 000），（3）
當(dāng)噪聲來(lái)源于參考頻率和分頻器時(shí)，ωn可以選擇得小些；當(dāng)噪聲來(lái)源于壓控振蕩器時(shí)，ωn可選擇得大些。
具體計(jì)算如下：
Kd＝VDD／（2π）＝5／（2π）＝0．796 V／rad，
故：R1選用4．7 kΩ電阻，R2選用120 kΩ電阻。
變?nèi)莨茈娬{(diào)諧介質(zhì)振蕩器〔2～4〕如圖3所示，把變?nèi)莨芡ㄟ^(guò)微帶線與介質(zhì)振蕩器耦合形成電調(diào)諧電路，調(diào)諧電壓加在變?nèi)莨軆啥?，改變變?nèi)莨芙Y(jié)電容，就可以實(shí)現(xiàn)諧振頻率的調(diào)整。
這種介質(zhì)振蕩器體積小、高穩(wěn)定、低噪聲，能夠滿足鎖相環(huán)路的要求。
4 測(cè)試結(jié)果
經(jīng)測(cè)試，本頻率合成器具有較低的相位噪聲，在偏離載頻100 Hz、1 kHz、10 kHz時(shí)，相位噪聲分別為－35dBC、－65 dBC、－85 dBC（見(jiàn)圖4）。它的頻率穩(wěn)定度也很高，在－20℃～＋55℃范圍內(nèi)可以穩(wěn)定在10－8以?xún)?nèi)。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文將鎖相環(huán)頻率合成器專(zhuān)用芯片MC145152－2、變?nèi)莨茈娬{(diào)諧介質(zhì)振蕩器用于1 800 MHz頻率合成器中，使該頻率合成器具有較低的相位噪聲、很高的頻率穩(wěn)定度。與傳統(tǒng)頻率合成器相比，性能有了很大的提高。該頻率合成器在移動(dòng)通信等領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V泛的應(yīng)用。
1 何 強(qiáng)．一種先進(jìn)的N分?jǐn)?shù)鎖相環(huán)頻率合成器．電子工程師，2002（12）
2 中國(guó)集成電路大全編委會(huì)．微波集成電路．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995
3 B S Virdee．Current Techniques for Tuning Dielectric Resonators．Microwave Journal，October 1998：130～1384 彭文峰，廖 佳，于小軍．Ku波段高線性度DRO的設(shè)計(jì)．電子工程師，2002（12）
頻率合成技術(shù)是現(xiàn)代通信的重要組成部分，它是將一個(gè)高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的基準(zhǔn)頻率經(jīng)過(guò)四則運(yùn)算，產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的任意頻率。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，利用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)研制出了很多頻率合成集成電路。其中，以摩托羅拉公司的MC14515x－2系列較為先進(jìn)，本文將介紹一種基于MC145152－2芯片的頻率合成器。這種鎖相環(huán)頻率合成器的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度與基準(zhǔn)頻率相當(dāng)，不產(chǎn)生額外的誤差。它在移動(dòng)通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
2 MC145152－2芯片的特點(diǎn)及功能
MC145152－2芯片是摩托羅拉公司生產(chǎn)的鎖相環(huán)頻率合成器專(zhuān)用芯片。它是MC145152－1芯片的改進(jìn)型。MC145152－2芯片具有下列主要特征：
（1）它與雙模（P／（P＋1））分頻器同時(shí)使用，有一路雙模分頻控制輸出MC。當(dāng)MC為低電平時(shí)，雙模分頻器用（P＋1）去除；當(dāng)MC為高電平時(shí)，雙模分頻器用模數(shù)P去除。
?。?）它有A計(jì)數(shù)器和N計(jì)數(shù)器兩個(gè)計(jì)數(shù)器。它們與雙模（P／（P＋1））分頻器提供了總分頻值（NP＋A）。其中，A、N計(jì)數(shù)器可預(yù)置。N的取值范圍為3～1023，A的取值范圍為0～63。A計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)期間，MC為低電平；N計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)（N－A）期間，MC為高電平。
?。?）它有一個(gè)參考振蕩器，可外接晶體振蕩器。
?。?）它有一個(gè)R計(jì)數(shù)器，用來(lái)給參考振蕩器分頻，R計(jì)數(shù)器可預(yù)置，R的取值范圍：8，64，128，256，512，1024，1160，2048。
?。?）它有兩路鑒相信號(hào)輸出，其中，ФR、ФV用來(lái)輸出鑒相誤差信號(hào)，LD用來(lái)輸出相位鎖定信號(hào)。
MC145152－2的供電電壓為3．0 V～9．0 V，采用28腳雙列封裝形式。MC145152－2的原理框圖如圖1所示。
MC145152－2的工作原理：參考振蕩器信號(hào)經(jīng)R分頻器分頻后形成fR信號(hào)。壓控振蕩器信號(hào)經(jīng)雙模（P／（P＋1））分頻器分頻，再經(jīng)A、N計(jì)數(shù)器分頻器后形成fV信號(hào)，fV＝fVCO／（NP＋A）。fR信號(hào)和fV信號(hào)在鑒相器中鑒相，輸出的誤差信號(hào)（ΦR、ΦV）經(jīng)低通濾波器形成直流信號(hào)，直流信號(hào)再去控制壓控振蕩器的頻率。
當(dāng)整個(gè)環(huán)路鎖定后，fV＝fR且同相，fVCO＝（NP＋A）fV＝（NP＋A）fR，便可產(chǎn)生和基準(zhǔn)頻率同樣穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的任意頻率。
3 1 800 MHz頻率合成器的設(shè)計(jì)〔1〕
3．1 1 800 MHz頻率合成器元件的選取
鎖相環(huán)頻率合成器選用芯片MC145152－2。晶振選用10．24MHz的溫補(bǔ)晶體，它的頻率穩(wěn)定度較高，可達(dá)10－8。低通濾波器選用運(yùn)放芯片MC33171；雙模分頻器選用MC12054A芯片，模數(shù)P＝128，工作頻率為2．0 GHz；壓控振蕩器選用變?nèi)莨茈娬{(diào)諧介質(zhì)振蕩器。
3．2 MC145152-2芯片參數(shù)的設(shè)計(jì)
R的取值范圍＝512，RA2～RA0為100，
N的取值范圍＝703，N9～N0為1010111111，A的取值范圍＝16，A5～A0為010000。
R計(jì)數(shù)器、N計(jì)數(shù)器、A計(jì)數(shù)器可預(yù)置，各管腳接地為邏輯0，懸空為邏輯1。
3．3 1 800 MHz頻率合成器電路的設(shè)計(jì)
1 800 MHz頻率合成器電路圖，如圖2所示。
圖2中，運(yùn)放芯片MC33171構(gòu)成了有源比例積分濾波器，在設(shè)計(jì)時(shí)首先選擇合適的電容C，然后，再根據(jù)ωn、N、Kv、Kd和ξ計(jì)算R1和R2的值。
式（1）和式（2）中，Kv為壓控振蕩器電調(diào)靈敏度（rad／sV）；Kd為比相器靈敏度，Kd＝VDD／2π，VDD是運(yùn)放的工作電壓（VDD＝5 V），Kd單位取V／rad；N為總分頻次數(shù)；ξ為鎖相環(huán)路的阻尼系數(shù)，ξ的合適取值范圍是在0．5～1．0之間，通常選擇最佳起始點(diǎn)ξ＝0．707；ωn為環(huán)路自然諧振角頻率，ωn值的選擇將直接影響環(huán)路濾波特性和捕捉時(shí)間，為了保證環(huán)路對(duì)噪聲有較好的抑制，ωn應(yīng)該遠(yuǎn)小于鑒相頻率ωd，通常可按式（3）選擇
ωn＝ωd／（30～1 000），（3）
當(dāng)噪聲來(lái)源于參考頻率和分頻器時(shí)，ωn可以選擇得小些；當(dāng)噪聲來(lái)源于壓控振蕩器時(shí)，ωn可選擇得大些。
具體計(jì)算如下：
Kd＝VDD／（2π）＝5／（2π）＝0．796 V／rad，
故：R1選用4．7 kΩ電阻，R2選用120 kΩ電阻。
變?nèi)莨茈娬{(diào)諧介質(zhì)振蕩器〔2～4〕如圖3所示，把變?nèi)莨芡ㄟ^(guò)微帶線與介質(zhì)振蕩器耦合形成電調(diào)諧電路，調(diào)諧電壓加在變?nèi)莨軆啥?，改變變?nèi)莨芙Y(jié)電容，就可以實(shí)現(xiàn)諧振頻率的調(diào)整。
這種介質(zhì)振蕩器體積小、高穩(wěn)定、低噪聲，能夠滿足鎖相環(huán)路的要求。
4 測(cè)試結(jié)果
經(jīng)測(cè)試，本頻率合成器具有較低的相位噪聲，在偏離載頻100 Hz、1 kHz、10 kHz時(shí)，相位噪聲分別為－35dBC、－65 dBC、－85 dBC（見(jiàn)圖4）。它的頻率穩(wěn)定度也很高，在－20℃～＋55℃范圍內(nèi)可以穩(wěn)定在10－8以?xún)?nèi)。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文將鎖相環(huán)頻率合成器專(zhuān)用芯片MC145152－2、變?nèi)莨茈娬{(diào)諧介質(zhì)振蕩器用于1 800 MHz頻率合成器中，使該頻率合成器具有較低的相位噪聲、很高的頻率穩(wěn)定度。與傳統(tǒng)頻率合成器相比，性能有了很大的提高。該頻率合成器在移動(dòng)通信等領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
1 何 強(qiáng)．一種先進(jìn)的N分?jǐn)?shù)鎖相環(huán)頻率合成器．電子工程師，2002（12）
2 中國(guó)集成電路大全編委會(huì)．微波集成電路．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995
3 B S Virdee．Current Techniques for Tuning Dielectric Resonators．Microwave Journal，October 1998：130～1384 彭文峰，廖 佳，于小軍．Ku波段高線性度DRO的設(shè)計(jì)．電子工程師，2002（12）
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