作者：James Lee and Paul Taylor

新型 PLL + VCO（帶集成壓控振蕩器的鎖相環(huán)）技術(shù)能夠快速開發(fā)低相位噪聲頻率合成器解決方案，適用于 25 MHz 至 13.6 GHz 的蜂窩/4F、微波無線電和軍事應(yīng)用。

從事蜂窩/4G、微波無線電、測(cè)試設(shè)備和軍事子系統(tǒng)應(yīng)用的無線電設(shè)計(jì)人員依靠高質(zhì)量的本振 （LO） 來滿足低 BER（誤碼率）、低雜散輸出和低相位噪聲的系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)。所有射頻和微波通信和傳感器系統(tǒng)，無論是基于模擬調(diào)制還是數(shù)字調(diào)制，都需要干凈的LO信號(hào)源;無線電的容量越高，對(duì)LO信號(hào)的要求就越高。目前有許多不同的架構(gòu)，但生成穩(wěn)定LO源的最常見方法之一是將低相位噪聲壓控振蕩器（VCO）與穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓源和鎖相環(huán)（PLL）相結(jié)合，形成頻率合成器。然而，尋求最佳LO性能的設(shè)計(jì)人員必須應(yīng)對(duì)與PLL/頻率合成器、VCO、電荷泵和環(huán)路濾波器之間的相互作用相關(guān)的眾多挑戰(zhàn)，更不用說由于電路板布局和不必要的電源噪聲而產(chǎn)生的問題。

ADI公司在頻率生成元件方面擁有核心專業(yè)知識(shí)，如MMIC VCO、鎖相振蕩器（PLO）、低噪聲預(yù)分頻器、鑒頻檢波器（PFD）以及一系列RF輸入頻率高達(dá)13.6 GHz的雙模（小數(shù)/整數(shù)）PLL/頻率合成器IC。

表1和表2總結(jié)了ADI公司業(yè)界領(lǐng)先的集成VCO產(chǎn)品的PLL。這些帶有集成VCO產(chǎn)品的PLL涵蓋25 MHz至13.6 GHz的射頻和微波頻率。

表 1.集成VCO的ADI公司PLL性能摘要

表 2：集成 VCO 的 ADI PLL 的性能摘要

如圖 1 中的功能框圖所示，這些產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn) 5 mm × 5 mm 和 6 mm × 6 mm QFN 塑料封裝，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的小數(shù) N 分頻頻率合成器和超低噪聲 VCO;這種高集成度最大限度地減少了外部元件的數(shù)量。它們專為超低相位噪聲商業(yè)和軍事應(yīng)用而設(shè)計(jì)，包括一個(gè)非常低噪聲的鑒頻鑒相器（PFD）、一個(gè)精密控制的電荷泵和一個(gè)先進(jìn)的調(diào)制器設(shè)計(jì)，允許超精細(xì)的頻率步進(jìn)。

圖1.集成VCO產(chǎn)品的ADI PLL功能框圖和典型應(yīng)用電路。

超低閉合相位噪聲和低雜散還允許具有更寬環(huán)路帶寬的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)更快的跳頻和低微音;雜散輸出足夠低，無需在許多應(yīng)用中使用昂貴的直接數(shù)字頻率合成（DDS）基準(zhǔn)電壓源。

帶集成VCO的PLL，適用于射頻市場應(yīng)用

HMC830LP6GE是集成VCO產(chǎn)品的八款寬帶PLL之一，面向蜂窩/4G、微波回程IF以及測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用。該系列中的每款產(chǎn)品都結(jié)合了高性能小數(shù)N分頻PLL/頻率合成器的功能和完全集成的低噪聲VCO的功能。PLL的架構(gòu)集成了用于RF應(yīng)用的VCO，可實(shí)現(xiàn)低于5伏調(diào)諧的高性能VCO（見圖2）。環(huán)路濾波器中不需要運(yùn)算放大器，從而節(jié)省了成本和電路板空間，同時(shí)提高了性能。集成VCO的PLL可以在一個(gè)極端溫度下鎖定，然后在整個(gè)溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，而無需重新鎖定或重新校準(zhǔn);此功能在高可靠性應(yīng)用中是必需的，但某些競爭解決方案不提供此功能。

圖2.集成VCO的HMC830LP6GE PLL的電壓與頻率的調(diào)諧。

如圖3所示，這些器件具有出色的相位噪聲性能，在帶內(nèi)和遠(yuǎn)端本底噪聲方面通常比競爭器件高10 dB，無需在低雜散或低噪聲模式之間進(jìn)行選擇。100 Hz至1 MHz范圍內(nèi)的典型–55 dBc積分噪聲相當(dāng)于0.1°均方根抖動(dòng)，或F時(shí)
為278 fs rms外= 1 千兆赫。

圖3.集成VCO的HMC830LP6GE PLL的SSB相位噪聲與失調(diào)頻率的關(guān)系。

如圖4所示，HMC830LP6GE優(yōu)于其他集成解決方案。

圖4.最差雜散，固定 50 Mhz 基準(zhǔn)電壓源，輸出頻率 = 2 GHz。

例如，與TI LMX2581相比，與TI LMX2581相比，HMC830LP6GE在偏移頻率大于20 MHz時(shí)，近載波相位噪聲降低約5 dB，相位本底噪聲降低約7 dB。此外，HMC830LP6GE具有出色的雜散性能，整個(gè)頻段的分?jǐn)?shù)雜散要低得多，整體頻譜輸出更清晰。HMC830LP6GE在頻帶邊緣提供一致的過溫性能，以確保不會(huì)出現(xiàn)“壓差”。

集成VCO的ADF5355 PLL覆蓋55 MHz至13.6 GHz頻譜，是同類產(chǎn)品中最寬的，而ADF4355-2的頻率范圍為55 MHz至4.4 GHz。兩款器件均集成超低相位噪聲VCO，在3.4 GHz時(shí)為ADF4344-2提供–138 dBc/Hz @ 1 MHz偏移的相位噪聲，ADF5355在6.8 GHz時(shí)提供–132 dBc/Hz @ 1 MHz偏移的相位噪聲。

ADF5355和ADF4355-2的VCO相位噪聲性能是通過與ADI公司新的專有先進(jìn)SiGe-BiCMOS工藝相結(jié)合開發(fā)的新型VCO拓?fù)浜图軜?gòu)實(shí)現(xiàn)的。在超寬帶RF和微波通信應(yīng)用中，這種超低相位噪聲具有提高整體系統(tǒng)誤碼率和增加數(shù)據(jù)吞吐量的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)更好的抗噪性和更寬的動(dòng)態(tài)范圍。

ADI公司的新型高性價(jià)比超寬帶PLL頻率合成器IC還具有高達(dá)125 MHz的相位比較器頻率和38位分辨率，可降低抖動(dòng)并允許非常細(xì)的步長，而與分立式GaAs方案相比，采用先進(jìn)BiCMOS工藝的集成PLL和VCO可顯著減小封裝尺寸和功耗。由于單個(gè)PLL頻率合成器可以配置為工作頻率為55 MHz至13.6 GHz，設(shè)計(jì)人員可以更快地重新配置其系統(tǒng)設(shè)計(jì)并減少器件庫存，同時(shí)仍支持多個(gè)頻段。

帶集成VCO的PLL，適用于微波市場應(yīng)用

集成VCO的HMC764LP6CE PLL針對(duì)窄帶但高性能微波通信應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。ADI公司是業(yè)內(nèi)首家提供頻率高于6 GHz的集成PLL和VCO。這些產(chǎn)品具有ADI公司所認(rèn)可的出色微波VCO性能，并具有先進(jìn)的集成分?jǐn)?shù)頻率合成器的功能。典型應(yīng)用包括微波和毫米波無線電、工業(yè)/醫(yī)療測(cè)試設(shè)備、軍事通信、電子戰(zhàn) （EW） 和電子對(duì)抗 （ECM） 子系統(tǒng)。

如圖5所示，HMC764LP6CE在整個(gè)帶寬范圍內(nèi)具有一致的調(diào)諧靈敏度和高達(dá)16 dBm的高輸出功率，非常適合直接驅(qū)動(dòng)ADI公司許多高線性度、雙平衡和I/Q混頻器以及上變頻和下變頻產(chǎn)品的LO端口。

圖5.集成VCO的HMC764LP6CE PLL的調(diào)諧靈敏度和RF輸出功率與輸出頻率的關(guān)系。

HMC764LP6CE的低、中、高頻范圍內(nèi)的出色單邊帶（SSB）相位噪聲性能與失調(diào)頻率的關(guān)系如圖6所示。該數(shù)據(jù)是在參考頻率為50 MHz、環(huán)路帶寬為100 kHz以及PFD存在50 MHz比較頻率的情況下測(cè)量的。由于采用單片結(jié)構(gòu)，相位噪聲性能在整個(gè)溫度和機(jī)械沖擊范圍內(nèi)保持一致。此外，內(nèi)置 FSK 模式允許該器件用作簡單、低成本的直接 FM 發(fā)射源。

圖6.集成VCO的HMC764LP6CE PLL的SSB相位噪聲與失調(diào)頻率的關(guān)系

即使具有如此先進(jìn)的功能和高度集成，開發(fā)高性能可編程本振仍然需要相當(dāng)長的設(shè)計(jì)時(shí)間。為此，ADI公司開發(fā)了帶有集成VCO參考設(shè)計(jì)人員套件的PLL，可以立即測(cè)量手頭的設(shè)計(jì)。

圖7所示的典型評(píng)估PCB是易于使用的通用評(píng)估套件的一部分，可最大限度地縮短設(shè)計(jì)時(shí)間并促進(jìn)快速原型設(shè)計(jì)。參考設(shè)計(jì)人員套件包括板載參考振蕩器和穩(wěn)壓器，并支持通用環(huán)路濾波器配置。隨附的軟件允許用戶對(duì)PLL進(jìn)行編程并訪問其高級(jí)功能。完整的操作指南提供了分步說明，使用戶能夠快速上電和初始化評(píng)估板。該指南全面討論了評(píng)估板內(nèi)使用的元件，并涵蓋了一些高級(jí)主題，例如為外部基準(zhǔn)重新配置評(píng)估板，以及實(shí)現(xiàn)板載可選階數(shù)無源或有源環(huán)路濾波器。

圖7.帶集成VCO評(píng)估PCB的PLL，包含在每個(gè)設(shè)計(jì)人員的套件中。

每個(gè)參考設(shè)計(jì)人員套件都包含ADI公司專有的ADIsimPLL設(shè)計(jì)工具，允許用戶根據(jù)其特定應(yīng)用定制標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估PCB環(huán)路濾波器。提供全面的基于 PC 的 PLL 控制軟件，以及與 PC 兼容的寄存器文件，可通過 USB 接口對(duì) PLL 進(jìn)行編程。在很短的時(shí)間內(nèi)，用戶只需一臺(tái)PC、一個(gè)信號(hào)分析儀和直流電源即可評(píng)估完全鎖定的本振。ADI技術(shù)嫻熟的應(yīng)用工程師團(tuán)隊(duì)也可幫助客戶快速熟悉這一獨(dú)特的產(chǎn)品。

集成VCO產(chǎn)品的ADI公司PLL獨(dú)特地結(jié)合了低相位噪聲、高級(jí)特性和超小尺寸等特性，使其成為眾多小尺寸應(yīng)用的理想選擇，包括微波/毫米波無線電、測(cè)試設(shè)備、微波傳感器、光纖通信以及軍事通信和傳感器。

基于混合的合成器通常采用基于玻璃纖維的基板材料，具有分立式VCO，大型諧振器和沖壓金屬蓋。這種組裝技術(shù)可能會(huì)在用戶的系統(tǒng)中出現(xiàn)與RF接地相關(guān)的問題，以及不必要的電和微音耦合效應(yīng)。與分立混合頻率合成器/VCO配置相比，ADI公司的集成頻率發(fā)生解決方案使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)其性能一致、高可靠性和小尺寸的目標(biāo)。集成VCO的ADI公司PLL還具有小得多的諧振器，因此與大型混合設(shè)計(jì)相比，具有出色的顫音性能。這些集成VCO產(chǎn)品的PLL采用符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的QFN無引腳封裝，是高速、大批量SMT裝配線的理想選擇。

審核編輯：郭婷