射頻鎖相頻率合成器的設(shè)計(jì)與仿真

摘要：頻率合成器可以提供大量精確、穩(wěn)定的頻率作為無(wú)線通信設(shè)備的本振信號(hào)。簡(jiǎn)要介紹了鎖相環(huán)頻率合成器的基本原理，并利用整數(shù)N鎖相芯片ADF4112設(shè)計(jì)了一個(gè)寬波段的頻率合成器。討論了其中主要元器件的選擇和環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(Advanced Design System，ADS)仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行頻城和瞬態(tài)響應(yīng)仿真，并使用其中的優(yōu)化工具對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。仿真與優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證了頻率合成器的可行性，同時(shí)可以得到優(yōu)化后環(huán)路濾波器的參數(shù)。
關(guān)鍵詞：射頻；頻率合成器；環(huán)路濾波器；ADS仿真

    在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，對(duì)頻率源的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的要求越來(lái)越高，只采用晶振是不能滿(mǎn)足需要的。而頻率合成技術(shù)則是利用一個(gè)或多個(gè)高穩(wěn)定度的晶體振蕩器產(chǎn)生一系列等間隔的、離散的、高穩(wěn)定度的頻率，可為通信設(shè)備提供大量精確且能迅速轉(zhuǎn)換的載波信號(hào)和本振信號(hào)，完全滿(mǎn)足現(xiàn)代通信的需要。其中鎖相頻率合成器具有工作頻帶寬、工作頻率高、頻譜質(zhì)量好、方案簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在目前現(xiàn)有的頻率合成方法中應(yīng)用最為廣泛。

1 鎖相環(huán)頻率合成器的基本原理
    一個(gè)典型的頻率合成器主要由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)和可編程分頻器組成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    基本工作原理是由晶體振蕩器提供參考輸入信號(hào)，經(jīng)分頻后得到鑒相頻率fi與來(lái)自VCO的輸出信號(hào)fo經(jīng)N分頻后得到的反饋信號(hào)進(jìn)行鑒相，所產(chǎn)生的相位誤差信號(hào)，經(jīng)電荷泵作用后轉(zhuǎn)換為與相位誤差成比例的正／負(fù)電流脈沖串，然后利用環(huán)路濾波器對(duì)來(lái)自電荷泵的電流脈沖求積分，向VCO調(diào)諧端口提供干凈的電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)VCO的頻率控制。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，輸出頻率與鑒相頻率的關(guān)系如下：
   
    N分頻器的分頻比不同時(shí)，輸出頻率fo也隨之變化。所以，只需要選擇合適的晶體振蕩器和選擇合適的N值就能產(chǎn)生所需要的頻率信號(hào)。

2 鎖相頻率合成器方案的設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)的頻率合成器的技術(shù)指標(biāo)為輸出頻率1580～2500MHz，頻率間隔200kHz，輸出雜散優(yōu)于-65dBc，輸出相噪優(yōu)于-80dBe／Hz@1 kHz。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)來(lái)選擇合適的芯片，其中鎖相環(huán)器件選用ADI公司的ADF4112芯片，該芯片集成了鑒相器和可編程分頻器，最大工作頻率為3GHz，相位噪聲基底可達(dá)-215 dBc／Hz。VCO采用Crystek公司的CVC055BE-1530-2700，其頻率范圍為1530～2700MHz，靈敏度為140MHz／V，輸出功率65dBm，相位噪聲-87dBc／Hz@10kHz。
    環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)是頻率合成器設(shè)計(jì)的最重要的一個(gè)部分，它的性能好壞直接關(guān)系到鎖相輸出的相位噪聲和雜散指標(biāo)。由于本系統(tǒng)輸出頻帶范圍比較大，VCO所需的控制電壓最高達(dá)到7．5V，高于所選鎖相環(huán)芯片中電荷泵所能提供的最高供電電壓，所以使用無(wú)源環(huán)路濾波器不足以達(dá)到控制VCO所需的調(diào)諧電壓值，必須使用具有放大功能的有源濾波器。為了抑制有源器件產(chǎn)生的噪聲，一般使用三階以上的有源環(huán)路濾波器，電路如圖2中所示。這種結(jié)構(gòu)采用同相放大器，不需要專(zhuān)用偏置，比較直觀、簡(jiǎn)便。電阻R3和R4用來(lái)控制電路的增益，增益大小A表示為：
   
    而且，電阻R4和R3的取值必須足夠大，以保證其消耗的電流不超出范圍。C3和R2有邊帶濾波作用，C1、C2和R1則用來(lái)調(diào)整環(huán)路帶寬、阻尼系數(shù)、相位噪聲等參數(shù)。

    其中運(yùn)算放大器采用ADI公司的AD820，該運(yùn)算放大器具有可單電源供電、軌到軌、低噪聲等特點(diǎn)，滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的要求。系統(tǒng)整體電路圖如圖2所示。
    在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，對(duì)芯片中前置分頻器的值的設(shè)定要特別注意。芯片資料中給出，前置分頻器的值應(yīng)該被選擇使它的輸出頻率總是小于或等于200 MHz，因此，在本設(shè)計(jì)中，16／17前置分頻器的值是有效的，8／9是無(wú)效的。由以下公式：
   
    可以得出：N=7 900～12 500。

3 鎖相環(huán)頻率合成器的仿真
    頻率合成器中環(huán)路濾波器的計(jì)算是非常復(fù)雜的，特別是對(duì)于高階鎖相環(huán)。所以采用ADS仿真軟件對(duì)頻率合成器進(jìn)行仿真，不僅可以對(duì)鎖相環(huán)的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行分析，以確保設(shè)計(jì)方案的正確性，而且還可以對(duì)環(huán)路濾波器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和優(yōu)化，減小了研制人員的研制難度和調(diào)試時(shí)間。
3. 1 頻域響應(yīng)仿真
    頻域仿真的目的是通過(guò)鎖相環(huán)參數(shù)設(shè)置，得到實(shí)際的相位裕量、環(huán)路帶寬、環(huán)路衰減和環(huán)路濾波器的參數(shù)。并同時(shí)得到鎖相環(huán)的頻域開(kāi)、閉環(huán)幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)曲線。調(diào)用ADS中的線性電荷泵鑒相器、線性壓控振蕩器、線性分頻器等模塊搭建鎖相環(huán)頻率響應(yīng)電路。其中部分電路仿真電路圖如圖3所示。

    根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)對(duì)頻域仿真中所需要的仿真控制器參數(shù)和一些變量模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。其中掃描計(jì)劃(SWEEP PLAN)用于設(shè)定掃描的范圍，交流仿真器(AC)設(shè)定原理圖中采用小信號(hào)交流仿真。優(yōu)化目標(biāo)依次設(shè)置為開(kāi)環(huán)增益、相位裕量、雜散抑制等。變量模型VAR1中主要對(duì)鎖相環(huán)一些特性進(jìn)行設(shè)置，VAR2主要設(shè)置相位裕量、濾波器帶寬、雜散頻率等，VAR3主要設(shè)置環(huán)路濾波器的一些參數(shù)。完成各個(gè)模塊的參數(shù)設(shè)置后，仿真可以得到鎖相環(huán)路有源濾波器元件參數(shù)如下：
   
   
    由仿真自動(dòng)優(yōu)化計(jì)算所得到的元器件值并不是實(shí)際使用的標(biāo)稱(chēng)值，可以選擇最接近仿真值的標(biāo)稱(chēng)值作為實(shí)際使用值。如果得到的器件值不太合理，可以重新在原理圖中設(shè)定器件值的范圍，再次仿真。另外，可以得到鎖相環(huán)電路的開(kāi)、閉環(huán)幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)曲線，如圖4、圖5所示，其中加線圈的為閉環(huán)響應(yīng)曲線。從圖中可以看出鎖相環(huán)是比較穩(wěn)定的，并且該電荷泵鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬為19．95 kHz，相位裕度為45．004°。仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)指標(biāo)比較接近，證明整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行。

3．2 瞬態(tài)響應(yīng)仿真
    對(duì)鎖相環(huán)的瞬態(tài)響應(yīng)仿真主要是針對(duì)鎖相環(huán)的VCO在從自由振蕩到被系統(tǒng)鎖定過(guò)程的瞬態(tài)響應(yīng)，可以得到PLL的鎖定時(shí)間。主要是用ADS中的電荷泵鑒相器、帶分頻器的VCO、階躍電壓源等構(gòu)建仿真電路如圖6所示。

    仿真電路圖中VCO內(nèi)部帶有分頻器，分頻比受階躍電壓源SCR4控制。由于仿真中只觀察單一頻點(diǎn)的鎖定時(shí)間，所以仿真時(shí)可以把SCR4旁路掉，或者把其階躍電壓N_Step配置成0 V。選擇單一的頻率點(diǎn)2 040 MHz，仿真可得到鎖相環(huán)輸出頻率的瞬態(tài)響應(yīng)曲線如圖7所示。

    從圖中可以看出，在215μs時(shí)，鎖相環(huán)基本鎖定。可見(jiàn)通過(guò)對(duì)頻率合成器的瞬態(tài)響應(yīng)仿真可以對(duì)電路是否能夠鎖定、鎖定時(shí)間、鎖定頻率范圍、環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)是否存在問(wèn)題等方面進(jìn)行分析。

4 結(jié)束語(yǔ)
    首先對(duì)鎖相環(huán)頻率合成器電路進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，然后利用ADS仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行頻率響應(yīng)和瞬態(tài)仿真。這種方法既可以免去計(jì)算環(huán)路濾波器的麻煩和保證設(shè)計(jì)方案的正確性以縮短鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)的時(shí)間，又可以通過(guò)對(duì)鎖相環(huán)各種性能指標(biāo)的仿真分析加深對(duì)鎖相環(huán)的理解。