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摘要：本文由鎖相環頻率合成器的基本工作原理入手，介紹基于鎖相環芯片ADF4106的工作特性，并結合環路濾波器、壓控振蕩器和射頻通路設計出一種輸出頻率為2GHz的頻率合成器，并經過印制板加工及測試，驗證實驗結果滿足設計指標。 引言 頻率合成器[1-2]的功能就是給收發機中的變頻電路提供頻率可編程的本地載波信號，是無線收發機的核心模塊之一，其性能對通信系統的通信質量具有重大影響。目前頻率合成器主要有直接模擬頻率合成技術(DS)、鎖相環頻率合成技術(PLL)、直接數字頻率合成技術(DDS)、混合頻率合成技術四種實現方式，其中鎖相環頻率合成器是射頻電路中最常使用的一種結構，相比于其他幾種結構，PLL結構能夠在有限的功耗限制下合成高性能的載波信號。本文基于鎖相環芯片ADF4106設計了一種數字鎖相環頻率合成器，具有超寬的帶寬、較好的噪聲特性、快速鎖定時間，以及功耗低和體積小等特點，從而被廣泛應用于無線通信系統中。 1 鎖相環頻率合成器的基本工作原理 鎖相環(PLL)是一個相位誤差控制系統，通過將輸入信號與壓控振蕩器(VCO)輸出信號之間的相位進行比較，產生相位誤差電壓經處理后去調整壓控振蕩器的相位。當環路鎖定時，輸入信號與壓控振蕩器輸出信號頻差為零，相位差不再隨時間變化，此時誤差控制電壓為一固定值，壓控振蕩器輸出頻率與輸入信號頻率相等，即fout=(N/R)*fin。鎖相環基本原理框圖如圖1所示。 鎖相環主要結構由VCO、鑒相器(PFD)、分頻器和環路濾波器(LPF)組成。其中，PFD主要功能是進行相位比較的，它把VCO輸出信號N分頻后與輸入頻率R分頻后進行比較，產生誤差控制電壓。LPF的作用是濾除誤差電壓中的高頻成分和噪聲，以保證環路所要求的性能，提高系統的穩定性。VCO受控制電壓的控制，使其輸出頻率向參考信號的頻率靠近，兩者頻率之差越來越小，直至消除頻差而相位同步實現鎖定。在實際設計中，可以通過程序改變分頻比R、N，從而獲得需要的穩定輸出頻率。 2 方案設計與實現 2.1 鎖相環芯片ADF4106結構功能介紹 ADF4106是ADI公司生產的集成鎖相環頻率合成器芯片，利用該芯片可以實現無線收發機上變頻和下變頻部分的本地振蕩。ADF4106由一個低噪聲數字PFD、一個精確的電荷泵、一個可編程基準分頻器R(14位)、可編程A(6位)、B(13位)計數器和一個雙模前置分頻器P/P+1組成。A、B計數器和雙模前置分頻器相連接實現一個分頻器N，且N=PB+A。該芯片具有6GHz的頻率帶寬，2.7V~3.3V的供電電壓，獨立的電荷泵供電電壓，可編程的雙模前置分頻器P/P+1，其值可取8/9、16/17、32/33和64/65，同時還具有三線串行接口、模擬數字鎖定檢測、硬件軟件低功耗模式等特性。ADF4106同外部LPF和VCO可以組成一個完整的PLL電路。由于ADF4106的寬帶特性消除了許多高頻系統中倍頻器的使用，從而簡化了系統結構和降低了成本。 在本文設計中，設計實現2GHz的頻率合成器，且要求2GHz頻率信號分兩路輸出，并保證其中一路輸出信號功率達到13dBm。該電路主要由ADF4106、LPF、VCO和射頻信號輸出部分組成。根據圖1，選取輸入信號頻率fin=10MHz，該信號在進入ADF4106的Refin引腳前通過一個T型匹配網絡來實現阻抗匹配。為了保證PFD輸入信號頻率為1MHz，需要通過編程設定基準分頻器R的值為10，分頻器N的值為2000。 ADF4106具有一個簡單的SPI兼容串行接口向器件引腳CLK、DATA、LE寫數據，當LE為上升沿時，將CLK每個時鐘上升沿存儲到寄存器中的24位數據送入合適的鎖存器中。串行輸入時序圖如圖2所示。 2.2 LPF設計 LPF在頻率合成器設計過程中直接影響到頻率合成器的相位噪聲和轉換頻率，由于PFD的輸出不但包含直流控制信號,還有一些高頻諧波成分, LPF通過對電阻電容進行適當的參數設置,可以濾除高頻成分，避免這些諧波對下一級VCO電路產生影響。LPF可以分為有源濾波器和無源濾波器，本文設計的無源LPF將電荷泵輸出電流轉換成控制電壓，同時抑制鑒相頻率的輸出紋波。在電路設計過程中，由于二階LPF很難抑制環路帶寬頻率十倍以上的紋波，所以采用三階LPF[3]，提高對雜散頻率的抑制程度。三階LPF的電路圖如圖3所示，對于LPF中電容和電阻的數值，可以通過Analog器件公司(ADI)提供的LPF仿真軟件ADIsimPLL和安捷倫公司(注：現更名為是德科技公司)的ADS仿真軟件進行仿真得到，通過設定相關參數，并經過不斷的優化和調試得出LPF各器件參數值為：C1=100pF，C2=1.5nF，C3=20pF，R1=4.3kΩ，R2=6.2kΩ。 2.3 VCO功能介紹 VCO作為一個電壓頻率轉換器，由于其能夠產生最終輸出信號頻率，所以在PLL中占有重要地位。VCO是一種具有線性控制特性的調頻振蕩器，其輸出頻率隨控制電壓的改變而改變，使輸出信號頻率向參考信號的頻率接近，直至消除頻差實現鎖定。 VCO [4]具有相位噪聲、頻率穩定度、頻率范圍、諧波抑制等器件特性。本文從設計指標要求考慮，選取Z-Communications公司的CRO2000作為壓控振蕩器，由于該器件具有較低的相位噪聲、很好的諧波抑制、較好的線性度以及容易焊接的器件封裝，故選取該器件作為PLL的VCO，并在實際應用中取得良好的性能。 2.4 射頻通路設計 由于VCO輸出負載阻抗為50Ω，故要求2GHz輸出信號射頻走線阻抗[5]同樣為50Ω，本文印制板使用疊層的方式，其中第一層介質材料為Rogers4350B，板厚為20mil，介電常數為3.48，通過仿真軟件Polar Si9000計算得到射頻走線寬度為40mil。射頻通路設計框圖如圖4所示。 本文要求2GHz頻率信號通過Y型電阻式功分器分兩路輸出，并保證其中一路輸出信號功率達到13dBm。由于VCO輸出信號功率較小，需要在通路中加入放大器ERA-5SM，保證輸出功率值，同時為了抑制2GHz信號之外的諧波和非諧波等干擾，需要在兩個通路輸出端加上低通濾波器LFCN-2000。2.5 鎖相環頻率器電路原理圖及測試結果 基于上述鎖相環頻率器各模塊的介紹和設計，最終電路設計如圖5所示。根據圖5所示原理圖，畫出相應的PCB外協加工，將加工的印制板安裝到提前設計好的屏蔽盒中進行測試，安捷倫N9020A測試結果如圖6、圖7所示。其中圖6為輸出信號功率測試結果，圖7為相位噪聲測試結果。 由圖6可知，在輸出信號2GHz處功率為14.22dBm，滿足信號功率達到13dBm的要求。同時由圖7可知，輸出信號單邊帶相噪為-103.136dBc/Hz@10kHz處，同樣滿足設計指標。 3 總結 頻率合成器在現代通信系統中具有舉足輕重的地位，其性能的好壞決定了通信系統的性能指標。本文基于鎖相環芯片ADF4106設計的頻率器具有低噪聲、低功耗、低成本及電路結構簡單等特點，從而被廣泛應用于無線通信系統領域。 參考文獻： [1]Roland E. Best.Phase-Locked Loops Design, Simulation, and Applications[M].The McGraw-Hill Companies,2003 [2]池保勇,余志平,石秉學.CMOS射頻集成電路分析與設計[M].清華大學出版社,2006 [3]趙彥芬.頻率合成器環路濾波器的設計[J].無線電工程，2006,36(4):39-41 [4]沈軍,郭勇,李志鵬.基于FPGA的DPLL設計與仿真實現[J].微計算機信息,2007,24(5):201-203 [5]欒秀珍,房少軍,金紅,邰佑誠.微波技術[M].北京郵電大學出版社,2009 |
