LMX2624-SP：高性能宽带频率合成器的深度解析

在当今的电子设计领域，高性能的频率合成器对于众多应用场景而言至关重要。TI推出的LMX2624-SP便是一款具有卓越性能的宽带频率合成器，它在多个方面展现出了强大的优势，下面我们就来深入了解一下。

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一、核心特性

1. 抗辐射性能

LMX2624-SP具备出色的抗辐射能力，其总电离剂量可达100Krad（无ELDRS），单粒子闩锁（SEL）和单粒子功能中断（SEFI）免疫能力高达 (75 MeV - cm^{2} / mg)。这使得它在空间通信、雷达等辐射环境较为恶劣的应用场景中表现稳定，大大提高了系统的可靠性。

2. 宽带频率合成

该合成器的输出频率范围极宽，从5MHz到28GHz。以24GHz载波为例，在100kHz偏移处的相位噪声低至 - 101dBc/Hz，在24GHz（1kHz到300MHz）时的RMS抖动仅为60fs。如此优异的性能，能够满足不同频率需求的应用，为工程师提供了更广阔的设计空间。

3. 可编程输出功率

LMX2624-SP支持可编程输出功率，用户可以根据实际需求灵活调整输出功率，提高了设备的适应性和灵活性。

4. PLL关键指标

PLL的各项关键指标表现出色，优值达到 - 236dBc/Hz，归一化1/f噪声为 - 129dBc/Hz，相位检测器频率最高可达200MHz。这些指标确保了合成器在频率合成过程中的高精度和低噪声。

5. 多设备同步与独立静音

它支持多个设备输出相位的同步，能够确保多个设备之间的相位一致性。同时，RFoutA和RFoutB具有独立的静音引脚，静音/取消静音时间仅为200ns，方便用户对输出信号进行灵活控制。

6. SYSREF支持

支持SYSREF，具备9ps分辨率的可编程延迟，为系统的同步提供了更精确的控制。

7. 其他特性

采用3.3V单电源供电，操作简单方便；具有引脚模式，可在整数PLL模式下通过引脚配置N分频器和输出分频器；采用 (10 × 10 mm^{2}) 64引脚QFP封装，体积小巧；工作温度范围为 - 55°C至 + 125°C，适应各种恶劣环境。

二、应用场景

1. 空间通信

在空间通信有效载荷中，尤其是在Ku/Ka频段，LMX2624-SP的宽带频率合成能力和抗辐射性能使其能够满足高频率、高可靠性的通信需求。

2. 空间雷达系统

对于空间雷达系统，其低相位噪声和高频率稳定性能够提高雷达的探测精度和分辨率。

3. 高速数据转换器时钟

支持JESD204B/C，可用于高速数据转换器的时钟，确保数据转换的准确性和稳定性。

4. 混频器本振

作为混频器的本振，其高达28GHz的输出频率能够满足高频混频的需求。

三、详细工作原理

1. 整体架构

LMX2624-SP是一款集成了压控振荡器（VCO）和稳压器的高性能宽带锁相环（PLL）。VCO的频率范围为7500MHz至15000MHz，通过与输出分频器和倍频器的配合，可以产生5MHz至28GHz的任意频率。

2. 参考路径

参考路径由OSCin倍频器（OSC_2X）、前置R分频器和后置R分频器组成。OSC2X可以将低频率的OSCin信号翻倍，有助于提高相位检测器频率，减少杂散。前置R和后置R分频器则用于降低频率，相位检测器频率 (f{PD}) 的计算公式为： [f{P D}=f{O S C} × O S C _2 X /(P L L _R P R E × P L L _R)]

3. PLL相位检测器和电荷泵

相位检测器比较后置R分频器和N分频器的输出，产生与相位误差对应的校正电流，直到两个信号相位对齐。电荷泵电流可通过软件编程设置为不同级别，从而调整PLL的闭环带宽。

4. N分频器和分数电路

N分频器包括分数补偿功能，能够实现1到 ((2^{32}-1)) 的任意分数分母。总N分频器值由整数部分和分数部分组成，即 (N + NUM / DEN)。分母越大，输出的分辨率越高。VCO频率与相位检测器频率的关系为： [f{VCO}=f{pd} timesleft(N+frac{NUM}{DEN}right)]

5. MUXout引脚

MUXout引脚可配置为PLL的锁定检测指示器或SPI接口的串行数据输出（SDO）。在锁定检测模式下，有“VCOCal”和“Vtune and VCOCal”两种指示器可供选择。

6. VCO相关特性

6.1 VCO校准

为了降低VCO调谐增益，提高相位噪声性能，VCO频率范围被划分为多个频段。每次对R0寄存器编程且 (FCAL_EN = 1) 时，会触发频率校准。同时，VCO还具有内部幅度校准算法。

6.2 双缓冲（影子寄存器）

双缓冲功能允许用户对多个寄存器进行编程，而不会立即生效。当对R0寄存器编程时，这些寄存器的设置才会生效，这对于快速改变频率非常有用。

6.3 看门狗和RECAL特性

看门狗特性用于在VCO校准过程中因辐射导致校准失败的情况，当定时器超时未完成校准时，会重新启动校准。RECAL特性则用于在VCO锁定后因辐射导致失锁的情况，当RECAL_EN引脚为高电平时，若PLL失锁并持续一段时间，会触发VCO重新校准。

7. 通道分频器

通道分频器用于产生低于VCO下限（7500MHz）的频率，它由六个分段组成，总分频值为各分段的乘积。使用通道分频器时，有一定的取值限制，具体可参考相关表格。

8. 输出相关特性

8.1 输出静音

输出缓冲器可通过MUTE引脚进行静音或取消静音操作，极性可通过SPI模式下的PINMUTE_POL位进行编程。在静音状态下，PLL仍保持锁定，可继续接受编程命令或锁定到新频率。

8.2 输出频率倍频器

频率倍频器可根据OUTMUX2、OUTMUX1和OUTMUX0的设置，在RFOUTA和RFOUTB产生两倍VCO频率的输出。为了减少次谐波，有可调滤波器跟踪输出频率，滤除不需要的谐波。

8.3 输出缓冲器

RF输出缓冲器具有内部50Ω终端，输出功率可通过OUTBUFFA和OUTBUFFB寄存器进行编程设置，有8个设置级别，从0到7，0为最小功率，7为最大功率。

9. 相位同步和调整

9.1 相位同步

SYNC引脚可用于同步LMX2624-SP，使OSCin信号上升沿到输出信号的延迟具有确定性。在SYNC模式下，部分通道分频可以包含在反馈路径中。使用SYNC功能时，需要根据不同的应用类别进行相应的设置。

9.2 相位调整

MASH_SEED字可通过sigma - delta调制器来移动输出信号相对于输入参考的相位。相位偏移的计算公式为： [Phase shift (degrees) = 360 × ( MASH_SEED / PLL_DEN) × ( IncludedDivide/CHDIV )]

10. SYSREF功能

LMX2624-SP可以生成与 (f_{OUT}) 同步且具有可编程延迟的SYSREF输出信号。使用SYSREF功能时，需要将PLL置于SYNC模式（VCO_PHASE_SYNC_EN = 1）。SYSREF功能通过IncludedDivide和SYSREF_DIV_PRE分频器生成fINTERPOLATOR，再进一步分频生成SYSREF信号。

四、设备功能模式

1. 复位模式

将RESET置为1，POWERDOWN置为0，可将寄存器保持在复位状态。即使设备有上电复位功能，在可能存在编程线路噪声的情况下，进行软件复位也是良好的做法。

2. 掉电模式

将POWERDOWN置为1或CAL引脚置为低电平，设备进入掉电模式。要恢复正常操作，可将POWERDOWN置为0或将CAL引脚拉高，并重新对R0寄存器编程，使FCAL_EN为高电平以重新校准设备。

3. 引脚模式

当CDIV0、CDIV1、CDIV2引脚中有一个引脚的值不为低电平时，设备处于引脚模式，其设置由CDIV引脚状态决定。

4. 正常工作模式

至少有一个输出作为频率合成器使用，且设备可通过SPI进行控制，此时所有CDIV引脚需为低电平。

5. SYNC模式

部分通道分频器位于反馈路径中，以提供确定性相位，需将VCO_PHASE_SYNC置为1。

6. SYSREF模式

RFoutB用于生成SYSREF脉冲，需将VCO_PHASE_SYNC置为1，SYSREF_EN置为1。

五、编程要点

1. 推荐的初始上电序列

1. 给设备供电。
2. 对RESET编程为1，复位寄存器。
3. 对RESET编程为0，移除复位。
4. 按照寄存器映射表从高到低的反向顺序对寄存器进行编程，编程范围为R79到R0（ (FCAL_EN = 1) ）。
5. 等待10ms。
6. 再次对R0寄存器编程，使FCAL_EN为1，以确保VCO从稳定状态开始校准。

2. 推荐的频率更改序列

1. 更改N分频器的值。
2. 对PLL分子和分母进行编程。
3. 对 (FCAL_EN (R 0[3])) 编程为1。

六、应用与实现注意事项

1. OSCin配置

OSCin支持单端或差分时钟输入，输入引脚内部有偏置电压，必须进行交流耦合。建议在布局时使用终端并联电阻来终止差分走线，并确保OSCin和其互补端匹配。

2. OSCin压摆率

OSCin信号的压摆率过低会影响LMX2624-SP的杂散和相位噪声性能，一般来说，高压摆率、低幅度的信号（如LVDS）能获得更好的性能。

3. RF输出缓冲器功率控制

OUTA_PWR和OUTB_PWR寄存器用于控制输出驱动电流。通常建议将OUTx_PWR设置为31或更低，以减少电流消耗和输出功率。设置在15到25之间时，通常能获得最佳的噪声基底。

4. 布局指南

• GND引脚可在封装背面路由到DAP。
• OSCin引脚需进行交流耦合。
• 若不使用SysRefReq引脚，可将其接地到DAP。
• 为了在200kHz - 1MHz范围内获得最佳的VCO相位噪声，Vtune引脚附近的电容应至少为3.3nF，但较大的电容会限制环路带宽，可根据需要适当减小电容值。
• 输出端的上拉元件应尽量靠近引脚，差分对的两侧使用相同的元件。
• 若需要单端输出，另一侧应具有相同的负载和上拉。

七、支持资源

1. 设备支持

TI提供了多种软件工具，如EVM软件可帮助用户了解如何对设备进行编程，PLLatinum Sim程序可用于设计环路滤波器、模拟相位噪声和杂散。

2. 文档支持

相关文档包括AN - 1879 Fractional N Frequency Synthesis（SNAA062）和PLL Performance, Simulation, and Design Handbook（SNAA106）等，可帮助用户深入了解设备的工作原理和设计方法。

3. 接收文档更新通知

用户可在ti.com上的设备产品文件夹中点击“Notifications”进行注册，以接收每周的产品信息更新摘要。

4. 技术论坛

TI E2E™支持论坛是工程师获取快速、准确答案和设计帮助的重要平台，用户可以在论坛上搜索现有答案或提出自己的问题。

总之，LMX2624-SP是一款功能强大、性能卓越的宽带频率合成器，在多个领域具有广泛的应用前景。工程师在使用过程中，需要充分了解其特性、工作原理和编程方法，并注意应用与实现中的各项注意事项，以充分发挥其优势，设计出高质量的电子系统。你在使用LMX2624-SP的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。