集快速开关高性能PLL和四频VCO于一体的锁相环频率生成电路介绍

锁相环(PLL)频率生成电路广泛用于多个行业和应用中，包括基本的 FM 广播频段接收器、数字通信、航空航天、仪器仪表、雷达和电子战。锁相环用于生成从小于 1MHz 到数十 GHz 及以上的射频(RF)和中频(IF)信号。应用要求变化很大，锁相环设计和优化需要权衡考量功耗、相位噪声、频率调谐范围、频率分辨率和锁定时间等参数。

设计过程中必须权衡考量频率范围与相位噪声性能，这一点很重要，如果处理不当，常常会导致性能下降。宽带压控振荡器(VCO)以牺牲出色的相位噪声性能为代价，提供较宽的频率范围。相比之下，窄带VCO 以牺牲可达到的调谐范围为代价，提供更好的相位噪声。可以将多个窄带 VCO 多路复用，以实现更宽的调谐范围，但这通常不切实际——需要复杂的外部电路将电源切换给单个 VCO，并选择适当的 RF输出。

图 1 所示的电路包含一个集成式四频 VCO，由四个集成在单个封装中的窄带 VCO 组成（下文简称该电路为CN0568）。这种设计的优势在于：它保留了窄带 VCO 出色的相位噪声，同时还提供较宽的工作频率范围。VCO 频段通过板载多路复用器电路进行切换，该电路根据主机编程设置的频率从四个 VCO 中选择。

图 1. CN0568 功能框图

这种切换电路经过优化，可以提供快速 VCO 频段切换，减少了从最低频段到最高频段的总锁定时间。对于需要在宽频率范围内保持快速切换时间的应用，例如快速跳频，这是有利的。

对于需要高精度的相位再现的波束成形等应用，PLL内置的相位再同步和相位调整功能都非常有用。该电路兼容 Arduino 尺寸平台板，可以堆叠多个板，共用同一个数字接口。                 

电路描述

PLL 合成器

本电路选择 ADF41513 用作 PLL 频率合成器，它具有 1GHz 至 26.5GHz 宽工作频率范围，涵盖 3 种四频 VCO 的整个频率范围。在小数模式下，∑-Δ 调制器提供 sub-Hz 频率分辨率。ADF41513 还具有超低本底噪声性能，在整数模式下为-235 dBc/Hz，在小数模式下为-231 dBc/Hz，以实现出色的相位噪声性能。

基准输入

EVAL-CN0568-ARDxZ 可以进行配置，支持来自REFIN SMA 连接器的外部基准频率，或用于板载超低相位噪声 100MHz 晶体振荡器。具有 82fs 低抖动和-90 dBC/Hz 近载波相位噪声。默认情况下，该板配置采用板载晶体振荡器选项；通过移除 R8，并在 R28 中插入一个 0 Ω 电阻来选择外部输入。对于需要 100MHz 基准电压源的用例，推荐使用板载基准电压源。

环路滤波器

由于 ADF41513 PLL 的电荷泵的工作电压为 0 至3.3v，这 3 种四频 VCO 需要 1.0V 至 13.5V 调谐电压，因此需要具有增益的有源环路滤波器电路。环路滤波器的设计目标是在每个 VCO 频段的频率范围内尽可能提高稳定性，环路带宽约为 100kHz，相位裕量为 50°。当所选的 VCO 频段内的调谐灵敏度（频率与调谐电压斜率）发生变化时，环路滤波器带宽根据工作频率也会略微变化。环路滤波器设计用于使用 100 MHz 基准频率，如果需要使用其他基准频率，则需要重新设计。ADISimPLL  工具可用于确定合适的环路滤波器拓扑结构，并使用仿真模型计算所需带宽和相位裕量等必要的元件值。

采用五阶环路滤波器拓扑，是因为它具有更高的带外滚降，以及更出色的 Σ-Δ 调制器噪声和杂散衰减性能。环路滤波器中选择使用的运算放大器是 ADA4625 ，它具有低噪声性能，可以使用轨到轨电源。图 2 显示使用的环路滤波器配置的示意图。图3 显示板载环路滤波器的尺寸。

图 2. 环路滤波器原理图

图 3. 环路滤波器尺寸

电压控制振荡器

HMC8074/HMC8362/HMC8364 四频 VCO 每个都由 4 个独立的窄带 VCO 内核组成，这些内核集成在单个 LFCSP 封装中。为对应的内核提供 5v 电源电压，如此可以选择每个内核。在任何给定时间内，只能启用一个内核，以确保输出缓冲放大器不被过驱动。因为每个内部 VCO 内核的窄带性能，这些四频 VCO 具有宽带 VCO 的频率范围，同时保持了出色的相位噪声性能。

在给定器件版本的所有 4 个频段内，VCO 调谐曲线保持一致，因此可以使用单个环路滤波器来调节所有频段。这些四频 VCO还为功率敏感型应用提供 75mA 的低电流消耗（典型值），包括缓冲放大器。这三种四频 VCO 版本覆盖 8.3GHz 至 26.6GHz 的频率范围。每个四频VCO 的频率范围如下：

HMC8074：8.3 GHz至15.2 GHz

HMC8362：11.9 GHz至18.3 GHz

HMC8364：18.1 GHz至26.6 GHz

图 4. 四频 VCO 版本的频率范围

虽然 HMC8364 能够使用 ADF41513 的最大频率26.5GHz，但 EVAL-CN0568-ARDxZ 的工作频率范围限制在 24GHz。详细说明参见 频率灵敏度 部分。

RF 分路器

宽带宽(1.8-28GHz)、1:2 RF 分路器将 VCO 输出拆分，分别输出到 CN0568 RF 输出端口和 PLL RF 反馈路径。选择这种分路器的主要原因在于，它具有2GHz 至 26.5GHz 宽工作带宽范围。这意味着，分频器可以在所有三种四频 VCO 的频率范围内使用。EP2K1+还具有 2.5W 高功率处理能力，尺寸小巧，为 4x4mm。

图 5. RF 分路器简化原理图

插入损耗在分路器的频率范围内变化，从 2GHz 时的 0.8dB（典型值）到 26.5GHz 时的 2.4dB。这个插入损耗必须加入到分路器的 3dB 损耗中，以提供在某个频率下，信号通过分路器遭受的总损耗。在HMC8364 版本电路板更高的工作频率下，因为ADF41513 的 RF 输入灵敏度随着频率的增加而增加，插入损耗会影响锁定。详细说明参见 频率灵敏度部分。

相位再同步

当锁定到所需频率时，相位可以建立至相对于基准频率的任何一个相位偏移。ADF41513 具有相位再同步功能，对于给定的 RFOUT 频率，从基准电压源产生一个稳定的相位偏移。在相位关键型应用中，例如波束成形，这是一个重要功能。

在第一次使能相位再同步后，用户在操作频率上选择相位偏移。如果改变频率，然后又变回原来的频率，则保持原来的相位偏移。当相位再同步使能时，内部定时器以下式所给出的间隔 tSYNC产生同步信号：

CLK1 和 CLK2 是 ADF41513 寄存器位域，在应用软件中编程设置。在编程设置时，必须使 tSYNC大于PLL 最坏情况下的锁定时间，以确保在 PLL 建立瞬态的最后一个周跳发生相位再同步。注意，如果使用相位再同步，即使在整数模式下运行，也必须使能 Σ-Δ 调制器。

相位调整

可以使用相位值位域（在 CN-0568 应用软件中编程设置），按任何给定频率手动增加相位。可以使用以下公式生成相位偏移：

然后，相位会在每次向 ADF41513 的寄存器 0 写入时，按相位偏移量增加。在相位再同步模式下也是一样，必须使能∑-∆调制器来执行相位调整，即使是在整数模式下运行。

频率灵敏度

ADF41513 的最大输入频率为 26.5 GHz， HMC8364 四频 VCO 版本稍高一些，为 26.6 GHz。但是，当频率接近 24GHz 时，有许多因素（如本节所述）会影响性能并导致环路不能锁定。因此，指定该电路的最大工作频率为仅 24 GHz。在室温下使用时，指定工作频率为 24GHz。但是，如果温度升高，最大工作频率可能会降低。

影响锁定的第一个因素是，HMC8364 VCO 输出功率会在频段 4 的频率增加时降低。具体参见图6 所示。

图 6. HMC8364 输出功率与频段 4 中整个温度范围下的调谐电压的关系

这种输出功率降低对电路的整体功率损耗有很大影响。在 23.9 GHz 到 26.6 GHz 范围内，输出功率下降了 6 dB。

RF功率分路器插入损耗也随着频率的增加而增加。在更高的工作频率下，这可以产生高达 1dB 的额外损耗，导致反馈环路的总损耗增加。

此外，ADF41513 的 RFIN 频率灵敏度随着工作频率的增加而增加。工作频率高于 24 GHz 时，这种灵敏度变得更加重要，因为受之前提到的会导致损耗的其他因素影响，会更难以达到所需的输出功率。RF 反馈路线可以重新设计，以便在较窄的频率范围内，在较高的频率下实现更低的插入损耗。但是，该电路的目标之一是演示所有三种四频 VCO 在最宽频率范围内的性能。另一种增加反馈信号功率的技术是：在反馈环路中添加一个放大器。请参见常见变化章节了解详细信息。

控制电路

使用控制电路，根据应用软件中所选的频率来选择不同的 VCO 频段。GPIO 信号从 SDP-K1 Arduino连接器路由，以根据所需频率选择频段。对自定义固件执行写入，以传输这些 GPIO 控制逻辑信号，具体参见 CN0568 产品页面。参见 Circuit 电路评估和测试章节，了解有关加载自定义固件的详细信息。

压控振荡器频段选择电路的主要组件之一是 ADG1604 4:1 多路复用器。这将来自 LT3045 稳压器的+5v 电源电压通过多路复用器的 4 个开关中的一个馈送至对应的 VCO 频段电源。在控制电路中使用多路复用器可以确保一次只启用一个 VCO 内核，避免对 VCO 器件造成损坏。所有控制信号都包括滤波电感和电容，以衰减可能发生的噪声和干扰。图 7 所示为控制电路的简化框图，用于进行说明。（包含控制电路的电路板完整原理图在 CN0568 设计支持包中。）

图 7. VCO 频段选择，包含多路复用器

VCO 集成式输出缓冲器通过单刀双掷(SPDT)开关进行开关，该开关通过另一个 SDP-K1 GPIO 信号进行管控。默认情况下，该信号在应用软件建立连接后保持高电平。

频率更新序列

ADF41513 上的频率控制寄存器受到双重缓冲。这意味着，要改变 RF 输出频率，必须执行两个事件。首先，必须根据所需的新频率更新频率控制字寄存器。然后，对寄存器 0 执行写操作，以开始频率变化。每次在应用软件前面板上更新频率，会对总共4 个寄存器进行写入，包括寄存器 0 写入。这些寄存器必须按以下顺序写入：寄存器 6，寄存器 3，寄存器 1，然后是寄存器 0。

当使用不同 VCO 频段的频率更新到当前频率时，GPIO控制信号在寄存器写入后更新，如图8所示。

图 8. 频率更新序列

在寄存器 0 更新约 600ns 后，GPIO 更新。转换时间是变化的 GPIO 地址位和进行多路复用的对应输出开关之间的延迟时间。ADG1604 4:1 多路复用器的典型转换时间为 150ns。

电源调节

EVAL-CN0568-ARDxZ 由两个外部电源供电，它们连接至板载 SMA 连接器。+25v 提供给 V+SMA，6v 提供给 J1。ADF41513 电源根据 EV-ADF41513SDxZ 评估板上的默认电源分组进行分组。通过组合更多电源引脚来减少稳压器的数量，可能会在输出频谱中产生不必要的杂散。

提供给 J1 的+6v 电源为四个板载 LT3045 LDO 稳压器提供输入电压。选择 LT3045 稳压器的原因在于它具有出色的低噪声性能和 500mA 输出电流能力。这些稳压器为所有的+3.3V ADF41513 电源，以及四频 VCO 和晶体振荡器基准电压源的+5v 电源供电。通过在 SET 引脚上相应设置 RSET电阻，以配置每个稳压器的输出电压。参见 LT3045 数据手册获取更多详细信息。

通过 V+SMA，从外部电源将+25v 电源直接提供给有源环路滤波器电源。在供电路径中包括解耦电容，以减少干扰供电的外部噪声。                         

常见变化

为了补偿 HMC8364 四频 VCO 版本在高于 24GHz时的输出功率降低，可以在 RFOUT 信号之后增加一个放大器。放大后的信号可以作为 ADF41513 RFIN 端口的反馈信号，以增大工作频率范围，最大频率为 26.5GHz。在图 9 中，相位噪声结果汇聚起来，将 HMC962 LNA 连接至 RFOUT 端口。为了比较，然后将其与不带LNA 的默认配置进行重叠。

图 9. RFOUT 上连接和不连接 HMC962 时的相位噪声比较

如图 9 所示，输出中包含 HMC962 时，相位噪声不会降低。在 24 GHz 时，放大器的增益约为 12.5 dB。在这种情况下，放大器的输入功率电平为-7.4 dBm。在输出端，测量到的功率电平为 5.23 dBm。这是一个非常合适的功率电平，因为它在 ADF41513 的24GHz 频率下的最大和最小灵敏度范围内。有关ADF41513灵敏度水平的更多信息，请参见数据手册。

电路评估与测试

EVAL-CN0568-ARDxZ 板通过运行 CN0568 特定固件的 SDP-K1 控制板连接至主机。也可使用其他兼容 Arduino 的 3.3v 逻辑接口板，但需要进行固件开发。在首次连接时，演示软件装置中的自定义固件文件会加载到 SDP-K1 控制器板中。这通过将软件包中包含的十六进制文件复制到 SDP-K1 驱动器位置来实现。

设备要求

EVAL-CN0568-ARDxZ 评估板

EVAL-SDP-CK1Z 控制器板

运行 windows 7 或更高版本的 PC/笔记本电脑

频谱分析仪或相位噪声分析仪，具有合适的测量频率范围

2 × 香蕉插头，连接至 SMA 电源线

1 × 50 Ω RF/微波电缆，带 2.92mm 连接器

双电源，提供+25v 和+6v 输出电压

步骤

本节介绍设置 EVAL-CN0568-ARDxZ 任意版本，以在 RFOUT 端口上输出频率的一般步骤。关于详细说明，请参见 EVAL-CN0568-ARDxZ 用户指南。

将 EVAL-CN0568-ARDxZ 安装到 SDP-K1控制器板上。

通过 USB 电缆，将主机 PC/笔记本电脑连接至 SDP-K1 接口板。

将+6v（限流值 = 200mA）连接至 J1，+25v（限流值= 20mA）连接至 V+SMA。

将 50 Ω RF 电缆连接至频谱/相位噪声分析仪。

确保电源已关闭。如图 10 所示设置评估板。

接通两个电源

打开 CN0568 软件，选择正确的版本。然后按“连接”按钮，启动该器件。

选择工作频率范围内的频率，然后选择“更新频率”。

所选的频率将在频谱分析仪上显示。

图 10. 测试设置

结果

使用 HMC8362 四个频段的中心频率获取相位噪声结果图。图 11 显示重叠后的相位噪声图。

图 11. EVAL-CN0568-ARD2Z 相位噪声

测试结果是使用默认的板载环路滤波器配置（100kHz 环路带宽）在室温下获得的。表 1 中还显示 EVAL-CN0568-ARD2Z 的电路的测量锁定时间。

表 1. EVAL-CN0568-ARD2Z 测量锁定时间

对于这些测量的锁定时间，锁定标准是频率已达到+/- 10kHz 停止频率，且随后没有偏离该阈值。ADISimPLL 用于验证预期得到的模拟锁定时间，该时间与这些测量值非常接近。

审核编辑：刘清