基于鎖相環(huán)的L波段頻率源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

頻率源為電子系統(tǒng)提供參考頻率和時(shí)鐘基準(zhǔn)，是電子系統(tǒng)的心臟，它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)起決定性作用。微波頻率源在通信，雷達(dá)，導(dǎo)航，測(cè)量等方面有極其重要的應(yīng)用。其相位噪聲和雜散抑制的性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，低相位噪聲、高頻譜純度和高穩(wěn)定度的頻率源將是主要的發(fā)展趨勢(shì)，采用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)的頻率源就滿足該要求。隨著芯片集成度的提高，鑒頻/鑒相器、電荷泵、分頻器能夠集成在一塊芯片上，還有的甚至集成了壓控振蕩器，設(shè)計(jì)者只需設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器就可以實(shí)現(xiàn)基于鎖相環(huán)的頻率源。這大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程和電路結(jié)構(gòu)。

電荷泵鎖相環(huán)基本原理

電荷泵鎖相環(huán)(CPPLL)是由鑒頻/鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)、環(huán)路濾波器(LF)以及壓控振蕩器(VCO)等模塊構(gòu)成的[1～2]，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

鎖相環(huán)是一個(gè)反饋系統(tǒng)，它通過(guò)鑒相器比較輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的相位差，得到一個(gè)與相位差大體成線性關(guān)系的誤差電流。該誤差電流經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器的積分作用之后得到一個(gè)誤差電壓來(lái)控制壓控振蕩器輸出所需的頻率，從而使鎖相環(huán)鎖定。電荷泵是由驅(qū)動(dòng)一個(gè)電容的兩個(gè)開關(guān)電流源構(gòu)成。電荷泵鎖相環(huán)有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：(1)捕獲范圍僅僅由壓控振蕩器的輸出頻率決定；(2)如果忽略失配與偏差，靜態(tài)相位誤差為零。

鎖相環(huán)主要技術(shù)指標(biāo)

相位噪聲

鎖相環(huán)是處理相位信號(hào)的電路，所以很容易受到相位噪聲(在時(shí)域，與之對(duì)應(yīng)的是時(shí)鐘抖動(dòng))的影響。相位噪聲的主要來(lái)源有參考晶振、分頻器、鑒頻/鑒相器、壓控振蕩器[3]。帶內(nèi)的相位噪聲主要由參考晶振、分頻器、鑒頻/鑒相器決定；帶外的相位噪聲主要由壓控振蕩器決定。即是說(shuō)，鎖相環(huán)對(duì)參考晶振、分頻器、鑒頻/鑒相器的噪聲呈現(xiàn)低通特性；對(duì)壓控振蕩器的噪聲呈現(xiàn)高通特性。可以通過(guò)增大鑒相頻率、減小環(huán)路帶寬等措施來(lái)減小相位噪聲。相位噪聲可以通過(guò)公式(1)來(lái)估算。

=++(1)

其中1HzPN為1Hz歸一化噪聲基底，PFDF為鑒相頻率。

雜散

雜散是由器件的非線性以及微波的輻射等因素造成的。鎖相環(huán)中最主要的雜散是參考雜散，它是由電荷泵的源電流與匯電流失配、電荷泵漏電以及電源退耦不夠等因素造成的。當(dāng)鑒相頻率比較低時(shí)，電荷泵漏電引起的雜散占主導(dǎo)地位；當(dāng)鑒相頻率比較高時(shí)，電荷泵的源電流與匯電流失配引起的雜散占主導(dǎo)地位。一般的，鑒相頻率高低的交界大約為100kHz～200kHz。可以采用下列措施來(lái)提高對(duì)雜散抑制：(1)盡量避免或少用混頻器，(2)在混頻器處加金屬隔離，(3)良好的接地。

穩(wěn)定性

當(dāng)有外來(lái)干擾進(jìn)入電路時(shí)，鎖相環(huán)的相位誤差就會(huì)偏離原來(lái)的平衡狀態(tài)，當(dāng)干擾消失后，若環(huán)路能夠恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)，則這樣的鎖相環(huán)是穩(wěn)定的。工程中常用相位裕量來(lái)衡量環(huán)路的穩(wěn)定性。相位裕量越大，環(huán)路越穩(wěn)定，但是大的相位裕量會(huì)使系統(tǒng)響應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程變長(zhǎng)。一般相位裕量設(shè)為45°到55°之間，環(huán)路帶寬設(shè)為鑒相頻率的1/10到1/20之間。這樣，鎖相環(huán)易于鎖定，而且環(huán)路是穩(wěn)定的。

電路實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的1.42GHz點(diǎn)頻源為某超外差接收機(jī)提供本振，其原理框圖如圖2所示[4～5]。

PCB板材選擇的是ROGERS的RO4003C。該板材的介電常數(shù)為 3.38，損耗角正切為0.0027，厚度為0.508mm。該P(yáng)CB板材較薄，可以減小電路尺寸。

2 0 M H z晶振采用的芯片是CFPT-9007，該晶振具有穩(wěn)定度高、相位噪聲低等特點(diǎn)。晶振的相位噪聲為-135dBc/Hz@1kHz，它對(duì)系統(tǒng)相位噪聲的貢獻(xiàn)理論為：

鑒相芯片采用的是ADI公司的ADF4106芯片，該芯片內(nèi)部集成了分頻器、數(shù)字鑒頻/鑒相器以及電荷泵等模塊，具有很寬的工作帶寬(0～6GHz)，低相位噪聲，且工作溫度范圍較寬。ADF4106的歸一化相位噪聲基底約為-219dBc/Hz，由式(1)可以計(jì)算出鑒頻/鑒相器對(duì)系統(tǒng)的相位噪聲貢獻(xiàn)為-109dBc/Hz。由此可知整個(gè)鎖相環(huán)電路的相位噪聲理論上接近-98dBc/Hz@1kHz。

壓控振蕩器采用的是Z-Communications公司的V585ME48-LF，該壓控振蕩器可輸出的頻率范圍是950MHz～2050MHz，供電電壓為10V，壓控靈敏度為81MHz/V，相位噪聲為-99dBc/Hz@10kHz，輸出功率為2dBm，具有很好的雜散抑制度和諧波抑制度。當(dāng)輸出1.42GHz頻率時(shí)，需要的調(diào)諧電壓是+5V左右，所以給ADF4106的電荷泵供電電壓為+5.5V。

環(huán)路濾波器是設(shè)計(jì)鎖相環(huán)電路時(shí)設(shè)計(jì)者可以靈活設(shè)計(jì)的部分。環(huán)路濾波的作用是濾除誤差電壓中的高頻成份和噪聲，以保證環(huán)路所需要的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)采用的是三階無(wú)源濾波，如圖3所示。

環(huán)路濾波器中的電阻值和電容值可以手動(dòng)計(jì)算。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，采用AD公司的軟件ADIsimPLL來(lái)計(jì)算。在軟件界面中輸入所需的參數(shù)，就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出元件值。經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)整環(huán)路帶寬和相位裕量，鎖相環(huán)電路就會(huì)鎖定。

微控制單元(MCU)采用的是PIC16F648A單片機(jī)。工作電壓為+5V，速度高達(dá)20MHz，有兩個(gè)8位的端口。它與ADF4106相連，上電工作后向鑒相芯片發(fā)送數(shù)據(jù)，來(lái)控制鑒相芯片內(nèi)部的R計(jì)數(shù)器、N計(jì)數(shù)器以及功能鎖存器，使鎖相環(huán)能夠鎖定。

壓控振蕩器輸出的信號(hào)還要經(jīng)過(guò)π型衰減器、放大器來(lái)調(diào)節(jié)輸出的功率大小，以滿足系統(tǒng)要求。最后經(jīng)過(guò)濾波器，以抑制雜散，使頻譜更純。

電磁兼容的考慮

要使一個(gè)系統(tǒng)有良好的性能，對(duì)電磁兼容的考慮是很重要的。本設(shè)計(jì)從以下方面對(duì)電磁兼容進(jìn)行了考慮。

為了匹配良好，畫PCB版圖時(shí)信號(hào)線的特性阻抗為50Ω，經(jīng)過(guò)ADS計(jì)算，其寬度為1.05mm。信號(hào)線與芯片管腳之間采用的是漸變的微帶線連接，這樣可以減小信號(hào)的反射。電源通過(guò)穿心電容從外面接入，可以防止外部的干擾信號(hào)進(jìn)入電路。在畫接地的焊盤時(shí)為保證接地良好，盡量使過(guò)孔靠近焊盤。鋪地很重要，良好的接地可以有效減少雜散，在PCB板空余地方要鋪上地。鋪地與信號(hào)線之間的距離要大于兩倍的PCB板的厚度，即大于1.016mm，這樣才對(duì)信號(hào)線的特性阻抗影響不大。鋪地邊沿均勻地打上過(guò)孔，過(guò)孔的間距小于λg/20(λg為該系統(tǒng)的信號(hào)最大頻率對(duì)應(yīng)的在介質(zhì)中的波長(zhǎng))，鋪地的中間隨機(jī)地打上過(guò)孔。這樣既有很好的電磁兼容特性，又增加了PCB板的機(jī)械強(qiáng)度。

測(cè)試結(jié)果

制作出來(lái)的實(shí)物如圖4所示，該實(shí)物結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，性能良好。

采用Agilent E4407B頻譜儀分別對(duì)該頻率源的功率、相位噪聲和雜散進(jìn)行了測(cè)量，其結(jié)果如圖5所示。

結(jié)論

本文給出了設(shè)計(jì)基于鎖相環(huán)的L波段頻率源的方法，并制作出實(shí)物，證明了方案的可行性。通過(guò)對(duì)電路的反復(fù)調(diào)試，使性能達(dá)到最優(yōu)。經(jīng)過(guò)測(cè)量，相位噪聲為：-80.4dBc/ Hz@1kHz，雜散抑制優(yōu)于-55dBc，輸出功率大于6dBm，均滿足指標(biāo)要求。并且，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小巧，性能優(yōu)良，能夠用于實(shí)際電路中為某接收機(jī)提供本振。

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