集成VCO的低成本PLL可实现紧凑型LO解决方案

作者：James Lee and Paul Taylor

新型 PLL + VCO（带集成压控振荡器的锁相环）技术能够快速开发低相位噪声频率合成器解决方案，适用于 25 MHz 至 13.6 GHz 的蜂窝/4F、微波无线电和军事应用。

从事蜂窝/4G、微波无线电、测试设备和军事子系统应用的无线电设计人员依靠高质量的本振 （LO） 来满足低 BER（误码率）、低杂散输出和低相位噪声的系统级目标。所有射频和微波通信和传感器系统，无论是基于模拟调制还是数字调制，都需要干净的LO信号源;无线电的容量越高，对LO信号的要求就越高。目前有许多不同的架构，但生成稳定LO源的最常见方法之一是将低相位噪声压控振荡器（VCO）与稳定基准电压源和锁相环（PLL）相结合，形成频率合成器。然而，寻求最佳LO性能的设计人员必须应对与PLL/频率合成器、VCO、电荷泵和环路滤波器之间的相互作用相关的众多挑战，更不用说由于电路板布局和不必要的电源噪声而产生的问题。

ADI公司在频率生成元件方面拥有核心专业知识，如MMIC VCO、锁相振荡器（PLO）、低噪声预分频器、鉴频检波器（PFD）以及一系列RF输入频率高达13.6 GHz的双模（小数/整数）PLL/频率合成器IC。

表1和表2总结了ADI公司业界领先的集成VCO产品的PLL。这些带有集成VCO产品的PLL涵盖25 MHz至13.6 GHz的射频和微波频率。

表 1.集成VCO的ADI公司PLL性能摘要

 

部件号	频率范围 （千兆赫）	市场应用	相位噪声 （dBc/Hz） @ 10 MHz 偏移，整数模式* F比较= 50 兆赫，带宽 = 100 千赫	相位噪声 （dBc/Hz） @ 1 MHz 偏移，开环 VCO	P外（分贝）	RMS 抖动分数模式 （fS)	国际相位噪声分数模式（° rms）
HMC830LP6GE	0.025 到 3.0	射频通信系统	–114 @ 2 千兆赫	–141 @ 2 千兆赫	+5	159	0.114 @ 2千兆赫
HMC832LP6GE	0.025 到 3.0	射频通信系统	–114 @ 2 千兆赫	–139 @ 2 千兆赫	+7	159	0.114 @ 2千兆赫
HMC835LP6GE	0.33 到 4.1	射频通信系统	–105 @ 4 千兆赫	–133 @ 4 千兆赫	+7	<160	0.23 @ 4千兆赫
HMC833LP6GE	0.025 到 6.0	射频通信系统	–114 @ 2 千兆赫	–141 @ 2 千兆赫	–4	159	0.11 @ 2千兆赫
HMC829LP6GE	0.045 到 1.05	射频通信系统	–108 @ 4 千兆赫	–134 @ 4 千兆赫	+4	159	0.23 @ 4千兆赫
	1.4 到 2.1
	2.8 到 4.2
HMC834LP6GE	0.045 到 1.05	射频通信系统	–108 @ 4 千兆赫	–134 @ 4 千兆赫	+5	159	0.23 @ 4千兆赫
	1.4 到 2.1				+2
	2.8 到 4.2				+2
	5.6 到 8.4				–10
HMC764LP6CE	7.0 到 8.2	射频通信系统	–102 @ 7.6千兆赫	–140 @ 7.6 GHz	+15	196	0.55 @ 7.6千兆赫
HMC765LP6CE	7.8 到 8.5	射频通信系统	–102 @ 8.2千兆赫	–139 @ 8.2千兆赫	+13	193	0.58 @ 8.2千兆赫
HMC767LP6CE	8.45 到 9.55	射频通信系统	–107 @ 9 千兆赫	–138 @ 9 千兆赫	+12	93	0.3 @ 9千兆赫
HMC769LP6CE	9.05 到 10.15	射频通信系统	–106 @ 9.6千兆赫	–140 @ 9.6千兆赫	+12	82	0.28 @ 9.6千兆赫
HMC783LP6CE	11.5 到 12.5	射频通信系统	–100 @ 12 千兆赫	–134 @ 12 千兆赫	+11	181	0.78 @ 12千兆赫
HMC807LP6CE	12.4 到 13.4	射频通信系统	–98 @ 13 千兆赫	–134 @ 13 千兆赫	+8	175	0.81 @ 13千兆赫
*频率合成器的品质因数 （FOM） 为 –221 dBc/Hz/–226 dBc/Hz（小数/整数）。

 

表 2：集成 VCO 的 ADI PLL 的性能摘要

 

部件号	频率范围 （千兆赫）	市场应用	相位噪声 （dBc/Hz） @ 10 kHz 偏移，整数模式* F比较= 61.44 MHz， 带宽 = 20 kHz	相位噪声 （dBc/Hz） @1 MHz 偏移，开环 VCO	P外（分贝）	RMS 抖动分数模式 （fS)	国际相位噪声分数模式（° rms）
ADF5355	0.05 到 13.6	射频通信系统	–90 @ 6.8千兆赫	–132 @ 6.8千兆赫	–3	150	–221
ADF4355-2	0.05 到 4.4	射频通信系统	–95 @ 3.4千兆赫	–138 @ 3.4千兆赫	+3	150	–221

 

如图 1 中的功能框图所示，这些产品采用标准 5 mm × 5 mm 和 6 mm × 6 mm QFN 塑料封装，实现了先进的小数 N 分频频率合成器和超低噪声 VCO;这种高集成度最大限度地减少了外部元件的数量。它们专为超低相位噪声商业和军事应用而设计，包括一个非常低噪声的鉴频鉴相器（PFD）、一个精密控制的电荷泵和一个先进的调制器设计，允许超精细的频率步进。

图1.集成VCO产品的ADI PLL功能框图和典型应用电路。

超低闭合相位噪声和低杂散还允许具有更宽环路带宽的架构实现更快的跳频和低微音;杂散输出足够低，无需在许多应用中使用昂贵的直接数字频率合成（DDS）基准电压源。

带集成VCO的PLL，适用于射频市场应用

HMC830LP6GE是集成VCO产品的八款宽带PLL之一，面向蜂窝/4G、微波回程IF以及测试和测量应用。该系列中的每款产品都结合了高性能小数N分频PLL/频率合成器的功能和完全集成的低噪声VCO的功能。PLL的架构集成了用于RF应用的VCO，可实现低于5伏调谐的高性能VCO（见图2）。环路滤波器中不需要运算放大器，从而节省了成本和电路板空间，同时提高了性能。集成VCO的PLL可以在一个极端温度下锁定，然后在整个温度范围内运行，而无需重新锁定或重新校准;此功能在高可靠性应用中是必需的，但某些竞争解决方案不提供此功能。

图2.集成VCO的HMC830LP6GE PLL的电压与频率的调谐。

如图3所示，这些器件具有出色的相位噪声性能，在带内和远端本底噪声方面通常比竞争器件高10 dB，无需在低杂散或低噪声模式之间进行选择。100 Hz至1 MHz范围内的典型–55 dBc积分噪声相当于0.1°均方根抖动，或F时
为278 fs rms外= 1 千兆赫。

图3.集成VCO的HMC830LP6GE PLL的SSB相位噪声与失调频率的关系。

如图4所示，HMC830LP6GE优于其他集成解决方案。

图4.最差杂散，固定 50 Mhz 基准电压源，输出频率 = 2 GHz。

例如，与TI LMX2581相比，与TI LMX2581相比，HMC830LP6GE在偏移频率大于20 MHz时，近载波相位噪声降低约5 dB，相位本底噪声降低约7 dB。此外，HMC830LP6GE具有出色的杂散性能，整个频段的分数杂散要低得多，整体频谱输出更清晰。HMC830LP6GE在频带边缘提供一致的过温性能，以确保不会出现“压差”。

集成VCO的ADF5355 PLL覆盖55 MHz至13.6 GHz频谱，是同类产品中最宽的，而ADF4355-2的频率范围为55 MHz至4.4 GHz。两款器件均集成超低相位噪声VCO，在3.4 GHz时为ADF4344-2提供–138 dBc/Hz @ 1 MHz偏移的相位噪声，ADF5355在6.8 GHz时提供–132 dBc/Hz @ 1 MHz偏移的相位噪声。

ADF5355和ADF4355-2的VCO相位噪声性能是通过与ADI公司新的专有先进SiGe-BiCMOS工艺相结合开发的新型VCO拓扑和架构实现的。在超宽带RF和微波通信应用中，这种超低相位噪声具有提高整体系统误码率和增加数据吞吐量的优势，同时可实现更好的抗噪性和更宽的动态范围。

ADI公司的新型高性价比超宽带PLL频率合成器IC还具有高达125 MHz的相位比较器频率和38位分辨率，可降低抖动并允许非常细的步长，而与分立式GaAs方案相比，采用先进BiCMOS工艺的集成PLL和VCO可显著减小封装尺寸和功耗。由于单个PLL频率合成器可以配置为工作频率为55 MHz至13.6 GHz，设计人员可以更快地重新配置其系统设计并减少器件库存，同时仍支持多个频段。

带集成VCO的PLL，适用于微波市场应用

集成VCO的HMC764LP6CE PLL针对窄带但高性能微波通信应用进行了优化。ADI公司是业内首家提供频率高于6 GHz的集成PLL和VCO。这些产品具有ADI公司所认可的出色微波VCO性能，并具有先进的集成分数频率合成器的功能。典型应用包括微波和毫米波无线电、工业/医疗测试设备、军事通信、电子战 （EW） 和电子对抗 （ECM） 子系统。

如图5所示，HMC764LP6CE在整个带宽范围内具有一致的调谐灵敏度和高达16 dBm的高输出功率，非常适合直接驱动ADI公司许多高线性度、双平衡和I/Q混频器以及上变频和下变频产品的LO端口。

图5.集成VCO的HMC764LP6CE PLL的调谐灵敏度和RF输出功率与输出频率的关系。

HMC764LP6CE的低、中、高频范围内的出色单边带（SSB）相位噪声性能与失调频率的关系如图6所示。该数据是在参考频率为50 MHz、环路带宽为100 kHz以及PFD存在50 MHz比较频率的情况下测量的。由于采用单片结构，相位噪声性能在整个温度和机械冲击范围内保持一致。此外，内置 FSK 模式允许该器件用作简单、低成本的直接 FM 发射源。

图6.集成VCO的HMC764LP6CE PLL的SSB相位噪声与失调频率的关系

即使具有如此先进的功能和高度集成，开发高性能可编程本振仍然需要相当长的设计时间。为此，ADI公司开发了带有集成VCO参考设计人员套件的PLL，可以立即测量手头的设计。

图7所示的典型评估PCB是易于使用的通用评估套件的一部分，可最大限度地缩短设计时间并促进快速原型设计。参考设计人员套件包括板载参考振荡器和稳压器，并支持通用环路滤波器配置。随附的软件允许用户对PLL进行编程并访问其高级功能。完整的操作指南提供了分步说明，使用户能够快速上电和初始化评估板。该指南全面讨论了评估板内使用的元件，并涵盖了一些高级主题，例如为外部基准重新配置评估板，以及实现板载可选阶数无源或有源环路滤波器。

图7.带集成VCO评估PCB的PLL，包含在每个设计人员的套件中。

每个参考设计人员套件都包含ADI公司专有的ADIsimPLL设计工具，允许用户根据其特定应用定制标准评估PCB环路滤波器。提供全面的基于 PC 的 PLL 控制软件，以及与 PC 兼容的寄存器文件，可通过 USB 接口对 PLL 进行编程。在很短的时间内，用户只需一台PC、一个信号分析仪和直流电源即可评估完全锁定的本振。ADI技术娴熟的应用工程师团队也可帮助客户快速熟悉这一独特的产品。

集成VCO产品的ADI公司PLL独特地结合了低相位噪声、高级特性和超小尺寸等特性，使其成为众多小尺寸应用的理想选择，包括微波/毫米波无线电、测试设备、微波传感器、光纤通信以及军事通信和传感器。

基于混合的合成器通常采用基于玻璃纤维的基板材料，具有分立式VCO，大型谐振器和冲压金属盖。这种组装技术可能会在用户的系统中出现与RF接地相关的问题，以及不必要的电和微音耦合效应。与分立混合频率合成器/VCO配置相比，ADI公司的集成频率发生解决方案使设计人员能够实现其性能一致、高可靠性和小尺寸的目标。集成VCO的ADI公司PLL还具有小得多的谐振器，因此与大型混合设计相比，具有出色的颤音性能。这些集成VCO产品的PLL采用符合RoHS标准的QFN无引脚封装，是高速、大批量SMT装配线的理想选择。

审核编辑：郭婷