采用芯片測試的環(huán)路濾波器設(shè)計

　　小數(shù)分頻頻率合成器在測試時必須外接一個環(huán)路濾波器電路與壓控振蕩器才能構(gòu)成一個完整的鎖相環(huán)電路。其外圍電路中環(huán)路濾波器的設(shè)計好壞將直接影響到芯片的性能測試。以ADF4153小數(shù)分頻頻率合成器為例，研究了其外圍環(huán)路濾波器的設(shè)計方法，給出了基于芯片測試的環(huán)路濾波器設(shè)計流程，并進行了驗證測試。測試結(jié)果表明，該濾波器可滿足小數(shù)分頻頻率合成器芯片測試的需要。

　　在進行小數(shù)分頻頻率合成器的芯片測試時，數(shù)字部分可以通過常規(guī)的數(shù)字測試方法即可以實現(xiàn);而輸出射頻信號的相位噪聲、雜散噪聲則需要芯片工作在正常的輸出狀態(tài)下才能測試。小數(shù)分頻頻率合成器芯片在測試時需要與外接環(huán)路濾波器(LF)、壓控振蕩器(VCO)才能構(gòu)成完整的鎖相環(huán)回路，在具備正常的芯片功能的前提下才能實現(xiàn)對其相位噪聲、雜散噪聲下的測試。

　　一般而言，壓控振蕩器均使用現(xiàn)成的器件，在挑選器件時注意性能指標的匹配就可以，只有環(huán)路濾波器才是需要計算和設(shè)計的。環(huán)路濾波器在整個電路中主要作為一個低通濾波器，它將芯片鑒相器輸出的脈沖信號進行低通濾波，將高頻分量濾除，最終得到一個相對平滑的直流電壓信號去控制VCO工作，從而獲得一個穩(wěn)定的頻率輸出。環(huán)路濾波器的性能將直接影響到小數(shù)分頻頻率合成器芯片性能的測試。

　　本文以ADF 4153型小數(shù)分頻頻率合成器為例，給出了容易實現(xiàn)的三階環(huán)路濾波器的設(shè)計方法，能夠滿足芯片實際測試的需要。

　　1 外接環(huán)路濾波器的設(shè)計

　　環(huán)路濾波器是電荷泵鎖相環(huán)電路的重要環(huán)節(jié)，它連接在電荷泵和壓控振蕩器之間。鎖相環(huán)的基本頻率特性是由環(huán)路濾波器決定的。實際上，正是由于環(huán)路濾波器的存在，鎖相環(huán)才可以選擇工作在任意的中心頻率和帶寬內(nèi)。環(huán)路濾波器的類型多種多樣，大致分為有源濾波器和無源濾波器兩大類，無源濾波器與有源濾波器相比，其優(yōu)點在于：結(jié)構(gòu)簡單、低噪聲、高穩(wěn)定度和易以實現(xiàn)。

　　最常見的無源濾波器是如圖1所示的三階濾波器。一般而言，環(huán)路濾波器的帶寬應(yīng)為PFD頻率(通道間隔)的1/10.提高環(huán)路帶寬會縮短鎖定時間。但環(huán)路帶寬過大會大幅度地增加不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致鎖相環(huán)無法鎖定的狀態(tài)。

　　圖1三階環(huán)路濾波器

　　三階無源濾波器的傳遞函數(shù)為：

　　為了求取C1、C12、C3和R1、R2的取值，首先需要確定設(shè)計需要的帶寬及相位裕度，諸多文獻給出了詳細的求取步驟，在此不再敷述。然而，在實際的應(yīng)用時，這種計算方法較為繁瑣，不利于工程設(shè)計使用。

　　ADI公司發(fā)布的ADIsimPLL頻率合成器設(shè)計軟件可以很方便地根據(jù)用戶的使用要求進行環(huán)路濾波器的設(shè)計。它將應(yīng)用工程師從繁雜的數(shù)學(xué)計算中解脫出來。應(yīng)用者只要輸入設(shè)置環(huán)路濾波器的幾個關(guān)鍵參數(shù)，ADISimPLL就可以自動地計算出所需要的濾波器元器件的數(shù)值。這些參數(shù)包括：鑒相頻率PFD,電荷泵電流ICP,環(huán)路帶寬BW,相位裕度，VCO控制靈敏度Kv,濾波器的形式(有源或無源，階數(shù))。然而，在芯片測試時，如何盡可能地將外界電路(如環(huán)路濾波器)引入的噪聲降低，以測試出芯片的真實性能，這是芯片外圍電路設(shè)計時需要解決的問題。

　　2 環(huán)路濾波器設(shè)計參數(shù)的選擇

　　為了研究環(huán)路濾波器對鎖相環(huán)輸出頻率相位噪聲的影響，設(shè)計出符合芯片測試需要的外圍環(huán)路濾波器。我們在ADIsimPLL軟件中進行了如下仿真配置。器件型號：ADF 4153,fPFD=25MHz(理想信號源)，INT=69,FRAC=101,MOD=125,VCO采用ZComm公司的V674ME34-LF,在該配置下，預(yù)期輸出的RFOUT=1.7452GHz。

　　a)設(shè)定環(huán)路濾波器帶寬為20kHz,相位裕度50°，其相位噪聲的仿真情況如圖2所示。

　　圖2環(huán)路帶寬20kHz時的相位噪聲仿真圖

　　從圖2中可以得知，當環(huán)路濾波帶寬為20kHz時，VCO所引起的相位噪聲占據(jù)了主導(dǎo)地位。芯片所引起的相位噪聲則被淹沒在總輸出噪聲之下。換句話說，當環(huán)路帶寬較窄(如20kH)的情況下，針對鎖相環(huán)輸出信號進行相位噪聲測試，其結(jié)果并不能真正地反映芯片輸出的相位噪聲。

　　b)設(shè)定環(huán)路濾波器帶寬為100kHz,相位裕度50°，其相位噪聲的仿真情況如圖3所示。

　　圖3環(huán)路帶寬為100kHz時的相位噪聲仿真圖

　　從圖3中可以得知，當環(huán)路濾波帶寬為100kHz時，VCO對于總相位噪聲的貢獻顯著地降低，芯片所引起的相位噪聲占據(jù)了主導(dǎo)地位，在10kHz以內(nèi)，總相位噪聲輸出的曲線基本與芯片所引起的相位噪聲重合。由此可以得知，當環(huán)路帶寬較寬(如100kHz)的情況下，針對鎖相環(huán)輸出信號進行相位噪聲測試，其結(jié)果基本能真正反映芯片輸出的相位噪聲。

　　本文研究的ADF 4154的主要測試頻點為1.7452GHz(fPFD=25MHz,RSET=5.1k)，根據(jù)測試要求進行綜合的考慮，設(shè)定了環(huán)路帶寬75kHz,相位裕度50°的約束條件。在進行ADF 4153的外圍電路設(shè)計時，首先需要確認所使用的VCO型號及其標稱性能。然后再根據(jù)ADI公司提供的ADIsim-PLL軟件進行三階環(huán)路濾波器的設(shè)計。從軟件得出C1~C3、R2、R3的具體取值，再根據(jù)現(xiàn)有的標稱電容電阻值進行調(diào)整，反算出實際設(shè)計的環(huán)路帶寬及相位裕度。實際數(shù)據(jù)如表1所示。[!--empirenews.page--]

　　由此，我們確定了環(huán)路濾波器中各個電容、電阻的取值，并設(shè)計了可用于ADF 4153芯片測試的電路原理圖，如圖4所示。VCO的輸出不僅需要連接外部頻譜儀進行測試，還需要通過電容反饋到ADF 4153的REFINA端，同時REFINA端還需要預(yù)留SMA頭用于射頻輸入頻率范圍及靈敏度測試。一個簡單的電阻網(wǎng)絡(luò)用于完成VCO輸出信號功率的再分配。

　　圖4環(huán)路濾波器及射頻電路設(shè)計

　　3 環(huán)路濾波器的測試驗證

　　在仿真的基礎(chǔ)上，我們設(shè)計并加工了ADF4153的測試板，并按照計算的電容、電阻值組成了環(huán)路濾波網(wǎng)絡(luò)。采用Agilent8257D射頻信號源提供250MHz作為fREFIN,通過SPI端口設(shè)定fPFD=25MHz,N=69,4/5分頻模式，ICP=5mA,FRAC=101,MOD=125.使用頻譜儀測量輸出信號，能夠正常鎖定在1.7452GHz,如圖5所示。圖6為該頻點的相位噪聲測試圖，實測相位噪聲為-106.34dBc/Hz.環(huán)路帶寬約為85kHz,與理論值77.3kHz存在一定的差距。這是由于在仿真時并沒有考慮測試板走線及測試插座等存在的寄生電容所導(dǎo)致的偏差，但仍在合理范圍以內(nèi)。

　　圖5輸出信號頻譜

　　圖6相位噪聲測試圖

　　針對芯片進行不同工作模式下的相位噪聲及雜散進行測試，測試結(jié)果如表2、3所示。

　　數(shù)據(jù)手冊規(guī)定最低的相位噪聲模式下5kHz頻偏的相位噪聲PN≤-95dBc/Hz,實測該點為-106.04dBc/Hz,測試結(jié)果滿足要求。

　　數(shù)據(jù)手冊規(guī)定中間雜散模式下1MHz頻偏的雜散SN≤-65dBc/Hz,實測該點為-84.99dBc/Hz,測試結(jié)果滿足要求。

　　綜上所述，該濾波器的設(shè)計能達到預(yù)期的設(shè)計目標，滿足不同模式下的雜散及相噪測試的要求，可用于ADF 4153芯片的性能測試。

　　4 結(jié)束語

　　本文主要基于芯片測試目的，針對外圍電路中的環(huán)路濾波器設(shè)計來進行討論，文中給出了一種簡單、易行的工程化計算方法和流程，并對其進行了驗證測試，測試結(jié)果滿足芯片測試的需要。這種方法已經(jīng)應(yīng)用于多款小數(shù)分頻頻率合成器的測試電路的設(shè)計中。