基于Si4136的小型化低損耗本振設計

閆文智

中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036

1 概述

頻率合成器是現代射頻系統的重要組成單元，目前在雷達、通訊、導航和儀器儀表中都得到了廣泛的應用。其工作原理是以一個或多個基準頻率作為參考，在內部進行四則運算，產生有同樣穩定度和精確度的輸出頻率。頻率合成的方法目前主要分為直接合成法和鎖相環路法。由于鎖相環路法具有頻率穩定度高，抑止寄生分量強，集成度和易小型化的特點，所以應用非常廣泛。本文基于Si4136芯片介紹了鎖相式頻率合成器的工作原理及應用設計，具有低功耗，體積小，輸出頻率相位噪聲低等特點，可作為通信設備中超外差接收機的鎖相頻率合成器使用。

2 鎖相式頻率合成器的基本工作原理

鎖相式頻率合成器采用了數字鎖相式頻率合成技術，其基本工作原理如圖1所示。壓控振蕩器的輸出頻率fV經過固定分頻器和程控分頻器兩次分頻后與參考頻率fR進行相位或頻率的比較，在數字鑒相器的輸出端產生控制電壓UD，輸入到環路濾波器。環路濾波器能過濾掉高頻分量及噪聲，平滑鑒相器的輸出電壓，增加系統的穩定性。環路濾波器的輸出電壓UK的極性與大小直接影響壓控振蕩器的輸出頻率fV，具體表現為UK的極性決定振蕩頻率fV的調整方向，UK的大小決定fV的頻率變化大小。

在相同的參考頻率fR下為了得到不同的輸出頻率fV，可在程序分頻器中設置不同的分頻比N。fR和fV關系表達式為:

fV=MNfR

式中，M是固定分頻比，N是程序分頻比，fR是參考頻率，fV是頻率合成器的輸出頻率。

圖1 鎖相式頻率合成器原理圖

3 Si4136的工作原理及特點

Si4136電路是美國Silicon Laboratories公司推出的含有壓控振蕩器的完整頻率合成器，由一個中頻鎖相環、兩個射頻鎖相環、三個壓控振蕩器和三線控制器以及一個22位的數據寄存器構成，內部結構框圖如圖2。

由于其芯片內部已經包含了完整的參考放大器，鑒相器，壓控振蕩器（VCO）及環路濾波器等鎖相環路工作的必要環節，所以當Si4136作為本振設計時，只需要外部提供電源，時鐘參考，單片機輸出控制信號即可。

工作時，外部參考信號輸入到Si4136后，經R分頻器得到鑒相基準頻率送至鑒相器。單片機的程序通過時鐘信號CLK、數據信號SDATE和使能信號SENB等三根控制信號寫入Si4136芯片，可對Si4136的各種狀態進行控制及修改。

當Si4136接收到反饋回來的輸出頻率后，經N分頻器得到分頻后的反饋信號，與分頻后的參考信號在鑒相器中比較，輸出低頻控制信號以控制內部VCO的頻率，使其鎖定在參考頻率的穩定度上。

圖2 內部結構框圖

Si4136電路具有以下特點:

1）具有一個中頻鎖相環，兩個射頻鎖相環；

2）內部含有完整的頻率合成器，包括了壓控振蕩器、環路濾波器、鑒相器等部分；

3）輸出信號相位噪聲低；

4）功耗低。在3V電壓下待機電流小于1μA，工作電流小于18mA；

5）體積小。采用24腳TSSOP封裝。

4 本振電路設計

圖3 本振設計系統框圖

圖3為本振設計的系統框圖。本文以產生頻率為fo=2400MHz的本振信號為例，設計中采用10MHz晶振作為本振電路的輸入參考，即fREF=10MHz。Si4136可允許的鑒相頻率fφ范圍為0.01MHz～1MHz，設計中就以fφ=1MHz為環路的鑒相頻率計算，所以參考時鐘分頻器R=fREF/fφ=10。由于Si4136中射頻鎖相環含有一個固定的2分頻器，由關系式:FVOC=（P*B+A）*FREF/R知，計算得出N=1200。即可得出產生2400MHz本振，由單片機寫入控制寄存器的控制字分別為R=(000A)16，N=(04B0)16。

本振輸出端口，為了驅動外圍50歐的負載，需要在輸出端口加入匹配電路。當fo＞500MHz時，匹配電路如圖4所示。

圖4 匹配電路圖

5 實驗結果

利用頻譜分析儀對Si4136產生2400MHz的單載波信號進行測試，其相位噪聲測試圖如圖5所示，相位噪聲指標為:＜-70dBc/Hz@100Hz，＜-80dBc/Hz@1kHz, ＜-90dBc/Hz@10kHz,＜-105dBc/Hz@100kHz，滿足工程設計的需求。

圖5 2.4GHz相位噪聲圖

6 結論

采用Si4136構成的鎖相式頻率合成電路已廣泛應用于眾多射頻收發本振設計當中，它的小型化低損耗已越來越顯示出自身的優點。

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[3]周洪敏，王紅玉，顧艷麗.直接數字頻率合成技術及其設計方案[J].科技咨詢導報，2007(24):127-128.