低相位噪聲寬頻帶鎖相頻率源的設計

摘要：頻率合成器是一種高性能的信號發(fā)生器，本文描述了作者設計的低相位噪聲寬頻帶的信號發(fā)生器，并選擇性的分析了一下相位噪聲，解釋了降低鎖相環(huán)相位噪聲的∑－△技術。
關鍵詞：鎖相環(huán)；相位噪聲； cx72300；∑－△技術

引言 

頻率源是現(xiàn)代射頻和微波電子系統(tǒng)的心臟, 其性能直接影響整個電子系統(tǒng)。隨著無線電技術的發(fā)展，人們提出了各種各樣的頻率源的設計方案。大的來分，分兩類：自激振蕩源和合成頻率源。常見的自激振蕩源有晶體振蕩器、腔體振蕩器、介質振蕩器、壓控振蕩器等，雖然這些振蕩源在相位噪聲，頻率范圍，頻率穩(wěn)定度等技術指標上，有著這樣那樣的缺點，但它們是第二類高質量合成頻率源的基礎和依據(jù)。第二類－合成頻率源，按合成方案來分主要分為三種：直接模擬式合成、鎖相式合成和直接數(shù)字式合成。這些方法方案各有優(yōu)缺點，但是互相結合，基本上滿足了現(xiàn)在各種性能要求的頻率源。

設計概述 

鎖相式頻率源具有輸出頻率高，頻率穩(wěn)定度高、頻譜純、寄生雜波小及相位噪聲低等優(yōu)點。本方案就是利用小數(shù)分頻的鎖相環(huán)，來實現(xiàn)一個寬頻帶低噪聲的頻率合成器，實現(xiàn)0～1GHz的低噪聲正弦波信號。 

   0～1GHz的信號，相對帶寬很寬，直接用鎖相環(huán)是沒法實現(xiàn)的，從壓控振蕩器的原理來講，就根本找不到這樣的一款壓控振蕩器。但是，結合直接模擬合成器原理，就可以找到這樣一個巧妙方案。該方案可以分成四個模塊來實現(xiàn)。如下圖所示。2～3GHz信號的產(chǎn)生模塊，本振信號（2GHz）的產(chǎn)生模塊，混頻模塊和控制模塊。 


   通過上面的圖，可以看出，通過兩個鎖相環(huán)路產(chǎn)生了兩個高分辨率，低相位噪聲，同相對頻率穩(wěn)定度的頻率信號，然后，通過混頻濾波來實現(xiàn)0～1GHz的低噪聲信號。

該設計方案種有三個注意事項：

第一，為什么剛才說“同相對頻率穩(wěn)定度的頻率信號”？在剛才的信號框圖中，必須注意，兩個產(chǎn)生信號的鎖相環(huán)的輸入?yún)⒖碱l率必須來自一個晶振，這樣把兩個信號源和混頻器連在一起看，就相當于一個大的鎖相環(huán)，它的輸出信號和輸入信號的相對頻率穩(wěn)定度是一樣的，這樣，只要選擇一個溫度補償型高穩(wěn)定度的參考晶振，那么，最后得到的輸出信號的相對頻率穩(wěn)定度這個指標是很不錯的。

第二，為什么要選擇2～3GHz與2GHz來差頻？其實，選擇3～4GHz與3GHz來差頻，或4～5GHz與4GHz來差頻，都可以，但是絕對不能2GHz以下。這個我們要分析一下，混頻后輸出的信號，而且這些信號是通過濾波來選取0～1GHz這個頻段的信號的，其實，2GHz是一個最低的頻率，設計濾波器幾乎無法實現(xiàn)。設上面的兩個PLL的輸出信號分別為 f1＝2.1～3.1GHz，f2＝2.1GHz，并且都是正弦波，根據(jù)混頻器原理，從頻域來看，將產(chǎn)生一系列的頻率：fout＝mf1±nf2 ，具體輸出的頻率有： 

                        f 1-f2=0~1GHz 

                        f1+f2=4.2~5.2GHz

                        2f2-f1＝1.1~2.1GHz

                        2f1－f2＝2.1~4.1GHz

                        f1＝2.1～3.1GHz

                        f2＝2.1GHz

                        …

     這樣，在頻譜上，所需的信號就被分離出來了，采用濾波器就可以選擇出有用的信號了0～1GHz的信號了。  

第三，抑制小數(shù)分頻器相位噪聲的∑－△技術

隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，出現(xiàn)了小數(shù)分頻技術。利用小數(shù)分頻的PLL頻率合成技術，解決了單環(huán)數(shù)字頻率合成器中高的鑒相頻率和低的頻率間隔之間的矛盾，但這種直接的小數(shù)分頻技術卻帶來了嚴重的小數(shù)雜散，引起了相位噪聲的惡化。為了解決這個矛盾，以前通常采用模擬相位內插的方法來抑制相位噪聲和寄生信號，但是這種抑制的效果很有限，這種模擬的方案很難達到1%抑制效果，很不理想。后來，人們提出了一種純粹數(shù)字的方案，這就是∑－△調制技術。∑－△調制技術主要由取樣、噪聲整形和數(shù)字濾波三個部分組成，實現(xiàn)了抑制小數(shù)N分頻帶來的噪聲，而小的頻率分辨率主要依賴電路的速度。

∑－△調制技術的原理：對信號進行取樣后，噪聲的功率譜幅度降低，并通過一個對輸入呈低通濾波、對量化噪聲呈高通濾波的噪聲整型器，將量化噪聲的絕大部分移到信號的頻帶之外，而采用取樣移出的噪聲不會與信號頻譜疊加，從而通過簡單的濾波有效的抑制。

這個技術對于抑制小數(shù)分頻器產(chǎn)生的噪聲效果很好，本設計中選用的芯片CX72300就是采用這項技術的集成鎖相環(huán)芯片。

鎖相環(huán)相位噪聲簡單分析

鎖相環(huán)路的噪聲來源主要有兩類：一類是與信號一起進入環(huán)路的，如輸入噪聲和諧波，另一類是環(huán)路的部件產(chǎn)生的。鎖相環(huán)電路的組成部件都會不同程度的引入相位噪聲。具體說來，影響因素有：N分頻器引起的噪聲，鑒相器的噪聲（與鑒相頻率有關），鎖相環(huán)的噪聲基低和熱噪聲，電荷泵的噪聲，壓控振蕩器的噪聲，以及環(huán)路濾波器中電阻引起的噪聲等，其中壓控振蕩器是內部噪聲的主要來源。計算相位噪聲的數(shù)學模型中考慮的因素越多，該模型越精確，但計算就越復雜。關于這一部分的論述很多，也很詳細，我只簡單的說一下，以下與設計關系比較大的幾個影響，以便指導該設計。

與信號一起進入環(huán)路的輸入噪聲和諧波，PLL環(huán)路對其起到了一個低通濾波的作用，主要參數(shù)是等效噪聲帶寬（B L）。壓控振蕩器也是噪聲的一個主要來源， PLL環(huán)路對VCO引入的噪聲起到了高通濾波的作用。

要考慮鎖相環(huán)芯片的噪聲基底，這是選擇鎖相環(huán)芯片的一個參考因素。N分頻器也會影響環(huán)路內的相位噪聲，相位噪聲隨著N的變化，可以視為20lgN放大作用。電荷泵鑒相器的工作頻率也會影響PLL輸出相位噪聲，可以用10Lg（Fcomp）來描述。

具體模塊的實現(xiàn)

1.       2～3GHz信號的產(chǎn)生模塊

該模塊采用加拿大的Skyworks公司生產(chǎn)的單片集成鎖相環(huán)路芯片CX72300來實現(xiàn)，它的特點是小頻率間隔（可小于100Hz，由于它18位的小數(shù)分頻）、低相位噪聲（可達-90dbc/Hz，由于它使用了∑－△技術）和寬頻帶，外接環(huán)路濾波器和VCO可構成高性能寬頻帶鎖相頻率合成器。這些主要得益于18位的∑－△技術下的小數(shù)數(shù)字式低噪聲分頻器。CX72300合成器有一頻率功率控制電路，在頻率變化太快或太慢時，能幫助環(huán)路濾波器管理壓控振蕩器，可以加快環(huán)路捕獲時間。

此外，壓控振蕩器選用中國電子集團十三研究所的HE486B,它采用硅超突變結變容管調諧，頻帶寬，可以達2～3GHz；利用硅雙極管振蕩，相位噪聲低，典型值為－95dBc/Hz。

濾波器采用三階無源低通濾波器，濾波器設計主要有考慮負反饋所涉及的穩(wěn)定問題，也就是常常說的相位裕度，但是其它的因素諸如濾波效果、噪聲和鎖定時間也要考慮進去。這種用于電荷泵鎖相環(huán)的濾波器的拓撲結構是固定的，見下面ADF4113三階無源低通濾波器。

設計的參考頻率是16MHz，參考分頻比從132開始（2112MHz），到195（3120MHz），小數(shù)位取最大位（保證頻率間隔盡可能小）。通過單片機，輸入對應的控制字，那么基于cx72300的PLL就可以輸出對應的頻率。

2.       本振信號的產(chǎn)生模塊（2GHz）

  本設計采用了使用Analog器件公司提供的鎖相環(huán)芯片ADF4113，它的最大輸出頻率為4GHz，噪聲性能很好（PN1Hz為-217）。為了降低相位噪聲，淘汰了原來的芯片ADF4360－2，雖然這款芯片內置VCO，可以讓整個這一模塊的設計簡單很多，但是，它內置的VCO噪聲性能不好，而且VCO是噪聲的一個重要來源。所以，為了整體相位噪聲性能，改用ADF4113，VCO從新挑選。

  另外，如上面所說，參考頻率共用CX72300的參考頻率，以降低相位噪聲。

環(huán)路濾波器的仍選擇三階無源低通濾波器，具體各個電容電阻大小使用公司網(wǎng)站上提供的仿真軟件ADISimPLL來確定，這樣就省了計算濾波器的元件參數(shù)，相當方便。具體如下：

3.       混頻器使用Linear Technology凌特公司的有源雙平衡混頻器LT5512，它的RF,IF，LO工作頻帶寬（0.1～3GHz），相互的隔離度高，含有使能引腳可以開關芯片。輸出的信號用合適的低通濾波器，把0～1GHz的信號和其它高頻信號分開，就可以得到想要頻率。需要注意的是該器件在本例中工作頻率很高，所有涉及高頻的器件必須使用貼片的，本設計中的涉及高頻的電容電阻電感都使用0805封裝。其他模塊的電路也一樣。

4.       控制電路使用了愛特梅爾(Atmel)公司的芯片AT89S51,它是Atmel公司的一款新推出的高性價比的芯片，功能相當完備，內含4K的Flash，不用擴展ROM，可以直接燒寫程序使用。通過編寫程序，讓單片機的I/O口輸出兩組控制字，分別控制CX72300和ADF4113輸出頻率各自的頻率。而且，AT89S51單片機可以在線修改程序，這樣，需要那個頻率，可以在現(xiàn)場對計算機修改對應的輸入控制字，即可得到想要的頻率，當然，這一部分將來也可做成一個鍵盤，實現(xiàn)人機會話。在試驗階段，我的程序讓它自動的輸出一系列的頻點，而且，在每個頻點保持一定的時間，以便觀察輸出信號。

結束語

  通過對PLL頻率合成器的深入研究，結合使用了直接模擬式頻率合成方案，本文給出了一種低噪聲寬頻帶的高性能的頻率合成器。它的輸出頻率0～1GHz，包括了絕大多數(shù)電子設備的頻率，因此，它將作為一款多用表的頻率基準。

參考文獻

【1】 萬心平、張厥盛、鄭繼禹，鎖相技術，西安電子科技大學出版社，1989

【2】 Dean Banerjee，PLL Performance、Simulation and Design，2006

【3】 遠坂俊昭 著，何希才 譯，鎖相環(huán)電路設計與應用，科學出版社，2006

【4】  張冠百，鎖相與頻率合成技術，電子工業(yè)出版社，1989

作者簡介：

   溫國誼（1981-），男，碩士研究生，主要研究方向為鎖相環(huán)在頻率源上的應用。

   王家禮（1942-），男，教授，博導，主要從事微波電路研究。