基于LMX41的低相噪頻率源的設計

尚善學 趙羽

摘 要： 頻率合成器是現代通信系統中一個重要組成部分，在數字通信、衛星通信、遙測遙控、雷達、導航等領域有著廣泛應用。文中介紹了鎖相頻率合成技術的基本原理和性能指標，給出了一種利用LMX2541實現頻率合成器的硬件結構和實現方法，并對其主要指標進行了測試，測試結果顯示其具有低相位噪聲、低雜散和結構簡單的特點，滿足了設計指標的要求。

關鍵詞：頻率合成器 鎖相環 相位噪聲 LMX2541

Abstract ：Frequency synthesizer is the key part of modem communications systems ， which are widely used in digital communications， satellite communications， TT&C， radar， navigation and other fields. The basic principle and performance standard of PLL frequency synthesizer are introduced in this paper.A hardware structure for realizing frequency synthesizer based on LMX2541 and implementation methords are given. From the measured results， we can see that the frequency synthesizer has characteristics of low phase noise， low spurious and simple stucture， which satisfy the design requirments of the index.

Keywords：frequency synthesizer； PLL； phase noise； LMX2541

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2016）07-0274-01

一、引言

頻率源可在雷達中用作本振信號或作為數據處理的采樣時鐘等，在雷達領域有著重要的作用。相位噪聲和雜散是衡量頻率源的兩個重要指標[1]。頻率源的設計主要有三種技術：直接頻率合成技術、直接數字頻率合成技術和鎖相式頻率合成技術。

本文基于LMX2541鎖相環芯片設計出一種低相噪低雜散的頻率源，實驗結果表明該頻率源的設計取得了理想的效果。

LMX2541芯片[2]由NS推出的一款超低噪、高度集成的頻率合成器。頻率源指標：輸出2600MHz；輸出功率大于15dBm；雜散抑制不小于-60dBc；相噪小于-100dBc/Hz@10KHz，-120dBc/Hz@1MHz。

鎖相環頻率合成技術是一種相位負反饋技術，通過比較輸入基準頻率與經過分頻器N的輸出頻率，通過與兩輸入信號相位差成正比的誤差電壓控制壓控振蕩器的輸出頻率，使其經過分頻器N后的頻率與輸入的頻率與輸入基準頻率相等。一個基本的鎖相環主要由鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器三個基本部分組成。

LMX2541芯片有12個寄存器，包含有多個分頻系數寄存器、鎖定檢測寄存器和電荷泵寄存器等。數據寫入采用的是SPI總線形式，時序圖如圖1所示。

CLK為來自單片機Attiny13的時鐘信號，在CLK的第一個上升沿時，DATA為高電平開始寫入，LE為寫使能，低電平有效。DATA先輸入數據，最后再輸入4位寄存器值，在每一個時鐘的上升沿，數據被送入芯片，高位數據先進。

二、鎖相式頻率合成器電路設計

基于LMX2541芯片的頻率源技術方案設計如下圖2所示。

2.控制電路設計

對芯片的CLK、DATA、LE控制時，選用Attiny13芯片，其為AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。VCC為數字電路的電源，供電+3.3V；端口B為6位雙向I/O口，有可編程的內部上拉電阻。PB3、PB4、PB0以及PB1分別接LMX2541芯片的CLK、DATA、LE以及Ftest/LD管腳；RESET是復位輸入引腳，持續時間超過最小門限時間的低電平將引起系統復位。

三、頻率合成器指標測試

頻率合成器測試指標包括相位噪聲與輸出功率，在測試電路中，選用Agilent-E4447A頻譜儀，頻率范圍為3Hz～42.98GHz，采用頻譜儀的對數曲線功能，用其測量輸出信號的輸出功率以及在10KHz與1MHz頻偏下的相位噪聲。

頻率源輸出2600MHz，功率為16.3dBm，10KHz處相噪為-109dBc/Hz，1MHz處相噪為-132dBc/Hz，輸出功率及相位噪聲頻譜圖如下圖3所示。

四、實驗結果與分析

由測量結果可以看出無論是在10KHz處還是在1MHz處，頻率源輸出功率與相位噪聲均滿足系統指標要求。

參考文獻

[1]潘玉劍，張曉發， 袁乃昌.基于HMC830的低相噪低雜.散頻率源的設計[J]. 電子設計， 2011， 10（6）：180-183.

[2]LMX2541， Datasheet. Ultra-Low Noise PLL Frequency Synthesizer With integrated VCO.National Semiconductor.

作者介紹：尚善學，男，（1988-），山東日照人，燕山大學，電子與通信工程，工學碩士，助理工程師。

趙羽，男，（1986-），陜西咸陽人，西安電子科技大學，電子信息工程專業，本科，助理工程師。